細胞內幕：突破性顯微技術揭開核糖體的隱藏協作

一項全新的成像技術揭示，核糖體在轉譯信使核糖核酸（mRNA）時會相互合作，避免蛋白質生產速度放緩。此發現顛覆了先前的看法，可能會徹底改變我們對細胞生物學的理解。

荷蘭胡布勒支研究所（Hubrecht Institute）塔嫩鮑姆（Tanenbaum）研究團隊的科學家，研發出一種先進的顯微技術，用於觀察活細胞內正在運作的核糖體。該方法能讓研究人員追蹤單個核糖體將mRNA轉譯為蛋白質的過程。

他們的研究發現了一個令人驚訝的現象：核糖體在遇到障礙時會相互協助，研究團隊將此過程稱為「核糖體協同作用」。這些研究成果於今日（1月31日）發表在《細胞》（Cell）期刊上，為蛋白質合成提供了新的見解，也為科學家提供了一個強大的工具，以便更深入地研究mRNA轉譯。

DNA（去氧核糖核酸）是由兩條長鏈核苷酸相互纏繞形成雙螺旋結構的分子。它是人類及幾乎所有其他生物的遺傳物質，攜帶著用於發育、機能運作、生長和繁殖的遺傳指令。人體內幾乎每個細胞都含有相同的DNA。大部分DNA位於細胞核中（稱為核DNA），但少量DNA也可在粒線體中找到（稱為粒線體DNA或mtDNA）。DNA攜帶著人體運作所需的遺傳指令。在這些指令被使用之前，它們會被複製到mRNA（信使核糖核酸）中，mRNA就如同藍圖一般。核糖體會「閱讀」此藍圖並製造蛋白質——蛋白質是無數生物過程所必需的分子。將遺傳資訊轉化為蛋白質的過程稱為mRNA轉譯，這是基因表達中的關鍵步驟。

「有時，mRNA中包含難以轉譯成蛋白質的片段。我們仍未完全理解核糖體是如何處理這些片段的。」該研究的主要作者之一馬克西米利安·馬德恩（Maximilian Madern）表示，「這就是為什麼我們想要研發一種新的成像技術，以便更好地瞭解核糖體是如何完成它們的工作的。」這項新技術使研究人員能夠在mRNA轉譯過程中長時間監測單個核糖體。

利用這項技術，研究團隊對核糖體的運作方式有了新的認識。「我們觀察到，單個核糖體的移動速度略有不同，有時還會長時間暫停。」該研究的第二位主要作者楊索拉（Sora Yang）解釋道，「由於速度差異，核糖體可能會發生碰撞，從而減慢蛋白質的生產速度。檢測這些速度差異具有一定挑戰性。」楊索拉繼續說，「因此，我們與代爾夫特理工大學（TU Delft）生物奈米科學系瑪麗安·鮑爾（Marianne Bauer）的計算科學家團隊合作。藉助他們的專業知識，我們得以證實核糖體確實以不同的速度運作。」

這些斑點是細胞中核糖體正在轉譯的特定RNA。隨著時間推移，它們會變得更亮，顯示出活躍的轉譯過程。包含特定RNA和核糖體的複合物會附著在細胞膜上，並在二維空間中輕微移動。圖片提供：馬克西米利安·馬德恩，版權歸胡布勒支研究所所有

研究團隊還對核糖體碰撞有了重要發現——例如，由於RNA片段複雜或速度差異，一個核糖體可能會撞上另一個核糖體。「我們發現，短暫的碰撞不會立即觸發細胞的質量控制機制。」馬德恩指出，「通常情況下，這些機制會清除發生碰撞的核糖體，但只有在碰撞持續數分鐘時才會啟動。」

令研究人員驚訝的是，與先前的看法相反，這些短暫的碰撞可能是有益的。核糖體似乎會在處理難以轉譯的RNA片段時「互相幫助」，他們將此現象稱為「核糖體協同作用」。馬德恩解釋說，這使得核糖體能夠承受在有問題的RNA片段上的短暫碰撞，從而促進蛋白質的持續生產。

這項新技術使研究人員能夠更好地從個體層面理解核糖體的行為。透過揭示mRNA轉譯的動態過程，研究人員可以更深入地瞭解細胞過程，以及蛋白質合成在健康和疾病中的作用。

參考文獻：《長期成像單個核糖體揭示mRNA轉譯中的核糖體協同作用》，作者馬克西米利安·F·馬德恩、楊索拉、奧利維耶·維特維恩（Olivier Witteveen）、亨德里卡·A·塞格倫（Hendrika A. Segeren）、瑪麗安·鮑爾和馬文·E·塔嫩鮑姆，發表於2025年1月31日《細胞》期刊。DOI：10.1016/j.cell.2025.01.016

馬文·塔嫩鮑姆是胡布勒支研究所的研究組負責人、代爾夫特理工大學基因表達動力學教授，以及恩科德研究所（Oncode Institute）的研究員。