Ribosomer optimalisert for fart og fleksibilitet
Evolution news; 2. august 2017
Oversatt herfra.
Bilde 1. rRNA -kreditt : Universitetet i Basel, Biozentrum.
DNA-oversettelsesmaskiner i cellen viser uventet kompleksitet, og tvinger molekylærbiologer til å revidere hva de trodde de visste om ribosomer. Spesielt virker de optimalisert for hastighet på selvduplisering og modulert for fleksibilitet.
I september vurderte vi en fascinerende artikkel om ribosomer som viste hvordan denne molekylære maskinen som oversetter DNA "krever den samspillende funksjonen til hundrevis av proteiner" - og det er bare for å komme til pre-ribosom-stadiet! Ribosomer er undre av organisasjon og funksjon. Siden da har flere funn vist ytterligere designfunksjoner ved ribosomer.
En celle har ikke hele dagen å bygge og betjene disse maskinene. I juli reviderte en artikkel i Science Advances -her halveringstiden til RNAer betydelig nedover. I stedet for 5-20 minutter på å flyte rundt og bli oversatt, varer de fleste messenger-RNAer (mRNA) bare ca. 2 minutter før de blir nedbrutt av komplekse resirkuleringsveier (se dette fra Universitetet i Basel ). Produksjonshastigheten og forfallshastigheten er viktige faktorer i genregulering. Så hvis du tenker på "samspillende funksjon" igjen, vil notene ikke gjøre noe bra hvis scenen ikke allerede er satt opp og musikerne ikke er på plass.
Ribosomet består av store RNA og proteiner. Artikkelen angir ikke halveringstiden til ribosomale RNA, som utgjør størstedelen av ribosomet, men det er trygt å anta at levetiden til hvert RNA er begrenset - sannsynligvis et spørsmål om minutter. En ekstra grunn til å anta dette er den raske fordoblingen av ribosomer under celledeling. Før cellen kan dele seg, må alle proteinene som trengs av de to dattercellene, oversettes. Dette kravet dobler effektivt arbeidet for disse maskinene.
Hvordan forbereder cellen seg for denne økte arbeidsbelastningen? I stedet for å øke oversettelsen, dupliserer ribosomene seg først, og dobler effektivt produksjonskapasiteten. Dette betyr at de må forberede og samle alle sine egne RNAer og proteiner først. Uten effektive måter å oppnå denne forutsetningen, kan celledeling bli seriøst forsinket.
En interessant modell, publisert i Nature -her, av Johan Paulssons lag på Harvard, tyder på at "ribosomer er optimalisert for autokatalytisk produksjon." De visste at ribosomer allerede er optimalisert på tre måter. Nå legger de til en fjerde:
Mange finskalaegenskaper av ribosomer er blitt forklart med hensyn til funksjon, og avslører en molekylær maskin som er optimalisert for feilkorreksjon, hastighet og kontroll. Her viser vi matematisk at mange mindre velforståtte, større skalaer av ribosomer - som for eksempel hvorfor noen ribosomale RNA-molekyler dominerer massen og hvorfor ribosomal-protein-innholdet er delt inn i 55-80 små segmenter av tilsvarende størrelse - øker deres autokatalytiske produksjon.
Bilde 2. Ribosom leser mRNA-kode
Forfatterne vil, som evolusjonister, anta at darwinistiske prosesser oppnådde denne optimaliseringen. I deres egne ord, føler vi deres forbauselse om hva disse maskinene utfører.
"Ribosomer oversetter sekvenser av nukleinsyrer til sekvenser av aminosyrer. Deres egenskaper er derfor typisk forklart i forhold til hvordan de påvirker oversettelsen. Men i de senere år har det også blitt klart at ribosomer er eksepsjonelle som produkter fra ribosomalt maskineri. Ikke bare utgjør ribosomale proteiner (r-proteiner) en stor del av det totale proteininnholdet i mange celler, men den autokatalytiske karakteren av ribosom-produksjonen innfører ytterligere begrensninger. Spesielt plasserer ribosom-doblingstiden en hard binding på celle-dubleringstiden, fordi for hvert ekstra ribosom å dele oversettelsesbyrden med, er det også en annen å lage. Selv for de minste og raskeste ribosomene, tar det minst 6 minutter, og vanligvis mye lenger, for ett ribosom å lage et nytt sett med r-proteiner (tilleggsinformasjon); Og dette estimatet tar ikke hensyn til den betydelige tiden som er investert i syntesen av ternære komplekser . Denne bundet ser ut til å forklare de observerte grensene for bakteriell vekst, fordi ribosomer også må bruke mye av sin tid til å lage andre proteiner, og viser at ribosomer er under meget sterkt selektivt trykk for å minimere tiden de bruker til reproduksjon."
Hvorvidt "selektivt trykk" er oppfinnelsens mor, er diskutabelt for de av oss som er Darwin-skeptikere, men forfatterne påpeker noe viktig. Den "orkestrerte funksjonen til hundrevis av proteiner" har tidsbegrensninger. Dirigenten tramper med foten og tapper sin dirigentstav på podiet, og rusher orkesteret for å komme på plass. Tenk deg hvor mye vanskeligere hvis hver spiller, instrument, stol og musikkstativ må lage en kopi av seg selv først for et show over hele byen!
Bilde 3. Ribosom i 'virksomhet'
Basert på observerte fakta om ribosomale RNA og proteiner, og hvor raskt de dupliserer, laget teamet en matematisk modell basert på antagelsen om at "selektivt trykk" tvinger celler til å optimalisere ribosomenes fordoblingstid. Selv om modellen virket for hurtigreproducerende bakterier, antar de det samme trykket begrenser eukaryotiske celler:
"Lignende prinsipper kan også gjelde for noen eukaryoter, fordi ribosomer av eukaryoter er større og langsommere. Faktisk vil selv organismer der cellefordoblingstider ikke er begrenset av ribosomdoblingstider dra nytte av raskere ribosomproduksjon, slik at ribosomer kan bruke mer av sin tid til å produsere resten av proteomet. Denne effektivitetsbegrensningen ble nylig vist å ha store fysiologiske konsekvenser for celler, og her demonstrerer vi matematisk at det også kan forklare mange bredere egenskaper av ribosomet (figur 1)."
I figuren viser de at ribosomer domineres av noen få store RNAer og mange små proteiner, omtrent 55 til 80 av dem av tilsvarende størrelse. Årsaken til dette arrangementet har lange forvirrede molekylærbiologer. Ifølge den nye modellen kan ribosomer reprodusere sine deler raskere når proteinene er relativt korte, og det er mange av dem. De eksisterende ribosomene kan 'meisle ut' mindre byggeklosser raskere, og byggearbeideren kan sette dem sammen raskere, enn om de måtte vente på lange, komplekse stykker å ankomme.
Det er ikke nødvendig å komme inn i ugresset for å se løsningens eleganse. Ribosomer samler seg raskere med flere, mindre proteiner, og reduserer tiden til å duplisere seg selv, slik at de kan fortsette med deres viktigste jobb med å oversette alle de andre proteinene cellen trenger før de deles. Jo raskere du dobler oversettelsesmaskinen, desto raskere kan du doble alt annet i cellen.
Modellen må også forklare hvorfor ribosomer inkluderer noen store RNAer. Evolusjonister har typisk påberegnet "RNA World" -historien for å foreslå at ribosomale RNA representerer overgangsformer eller rest-overskudd fra livets opprinnelse før cellene skjedde på måter å lage proteiner på. Paulssons modell tyder på en annen grunn - en funksjonell grunn. RNAer trenger bare å bli transkribert, ikke oversatt. RNA enzymatisk aktivitet er ikke så effektivt som protein, men RNA er raskere å lage. Cellen er derfor bedre tjent med å bruke dem når tiden er essensiell.
Ovennevnte analyse antyder en stor effektivitetsfordel ved å bruke rRNA [ribosomalt RNA] over protein, når det er kjemisk mulig, og det kan derfor forklare hvorfor ribosomer trosser den generelle regel at enzymer hovedsakelig fremstilles av protein (figur 1). Dette funnet betyr ikke at rRNAs rolle er bare for å sikre passende overordnede dimensjoner av ribosomet; Det gir imidlertid en grunnleggende årsak til hvorfor proteiner må brukes sparsomt i ribosomet, for eksempel for å øke nøyaktigheten eller øke hastigheten på oversettelsen, mens rRNA skal brukes der det er mulig uten å gå på kompromiss med funksjonen . Hvis enda en fjerdedel av rRNA-massen ble erstattet med r-protein uten å øke oversettelsestallene, ville mange bakterier ikke kunne doble så raskt som de gjør (figur 4b).
Ser du optimalisering -her, (en form for intelligent design) på jobb? Forfatterne går inn i mer detalj om hvorfor rRNA må være store. Modellen deres viser at små rRNAer, i motsetning til de små ribosomale proteiner, faktisk ville bremse duplisering. Det er nok å si at det observerte forholdet mellom rRNA og ribosomalt protein øker effektiviteten med to størrelsesordener. Her er en fyndig analogi fra en lekmanns oppsummering av artikkelen på Science Daily-her: "En analogi for våre funn vil være å tenke på ribosomer, ikke som en gruppe snekkere som bare bygger mange hus, men som snekkerne som også bygger andre snekkere," sa Paulsson. "Det er da et incitament til å dele jobben i mange små stykker som kan gjøres parallelt med hurtigere sette sammen en annen komplett snekker for å hjelpe i prosessen."
Et annet mysterium om ribosomer kan løses ved å se på det som et optimaliseringsproblem: Hvorfor varierer ribosomer? Mitokondriale ribosomer er forskjellige fra de i cytosol. Eukaryote ribosomer er forskjellig fra bakterier. Hvis de utfører den samme funksjonen, hvorfor er de ikke alle de samme? Her er et papir i PLOS ONE-her, fra november i november som åpner et vindu for en mulig årsak: ribosomstrukturen er modulert. I "The Modular Adaptive Ribosome", sier et team fra India dette: "Ribosomet er en gammel maskin som utfører samme funksjon på tvers av organismer . Selv om de er funksjonelt enhetlige, foreslår nyere eksperimenter spesialiserte roller for noen ribosomale proteiner. Vår sentrale tese er at ribosomale proteiner fungerer modulært for å dekode genetisk informasjon på en kontekstavhengig måte."
Interesserte lesere kan dykke lengre inn i dette åpne artikkelen for å se hvorfor ribosomer varierer i forskjellige celletyper eller forskjellige miljøer. "Et klart eksempel er nervøs vev som bruker en ribosomal protein-modul som er forskjellig fra resten av vevet i både mus og mennesker," sier de. "Våre resultater tyder på en ny stratifisering av ribosomale proteiner som kunne ha spilt en rolle i tilpasning, antagelig å optimalisere oversettelsen for tilpasning til ulike økologiske nisjer og vevs mikro-miljøer ."
Når det kommer til ribosomer, ser det ut til å være et tilfelle av optimalisering hele veien ned.
La oss gi det siste ordet til Science Daily artikkelen: "I stedet for å være rene relikvier av en evolusjonær fortid, synes de uvanlige egenskapene til ribosomer å reflektere et ekstra lag med funksjonell optimalisering som virker på kollektive egenskaper av delene", skriver teamet.
"Mens denne studien er grunnleggende vitenskap, tar vi opp noe som deles av alt liv," sa Paulsson. " Det er viktig at vi forstår hvor begrensningene på struktur og funksjon kommer fra, for like mye grunnvitenskap er det uforutsigbart hva konsekvensene av ny kunnskap kan låse opp i fremtiden."
Bilde 4. Ribosom i samvirke med cellekjernen
Legg merke til hvordan dette nedskriver evolusjonens rolle, til tross for forfatternes darwinistiske synspunkter. Det støtter også, selv om det ikke er hensikten å gjøre det, en designperspektiv, mens det viser hvordan et slikt fokus fører til produktiv vitenskap.
Oversettelse og bilder ved Asbjørn E. Lund