一支国际研究团队利用尖端显微技术观察了核糖体如何附着于mRNA。
在细胞生物学中，DNA作为蛋白质构建的蓝图。
为了合成蛋白质，细胞首先将DNA转录为称为mRNA的副本。然后，核糖体读取mRNA序列并将其转化为蛋白质。然而，核糖体如何连接并解析mRNA的过程一直以来都难以捉摸。
最近，包括密歇根大学的研究人员在内的合作科学家小组利用先进的显微技术可视化了核糖体在一种称为RNA聚合酶（RNAP）酶转录mRNA时的招募过程。他们的发现重点关注细菌中的转录过程，详细描述发表于期刊《科学》上。
来自法国基因与细胞生物学分子研究所的阿尔伯特·韦克斯尔鲍默（Albert Weixlbaumer）解释说：“理解核糖体如何与mRNA互动或‘招募’非常重要，这有助于理解后续步骤，如如何解码mRNA中的信息。就像有一本你需要阅读和解释的书，但你不知道该如何获取它。这本书是如何递送给读者的？”
研究团队发现，在转录过程中，RNAP使用两个不同的锚来有效地固定核糖体，确保蛋白质生产的强启动。这个过程类似于建筑工地的监督员确保所有部件都正确组装，以提供最佳稳定性和功能。
根据研究人员的说法，掌握这些基本的生物过程可能会导致新的抗生素开发，专门针对细菌的蛋白质合成途径。虽然抗生素通常聚焦于核糖体或RNAP，但细菌通常会适应并发展抗药性。通过他们的新见解，团队旨在通过干扰多个途径来聪明地对抗细菌。
密歇根大学的高级科学家阿德里安·肖维尔（Adrien Chauvier）表示：“我们理解RNAP、核糖体、转录因子、蛋白质和mRNA之间存在相互作用。我们可以专注于这一交互点，特别是在RNAP、核糖体和mRNA之间，利用一种干扰招募或组装稳定性的分子。”
该团队建立了一个框架，以说明复杂的各个元素是如何协同工作，将新转录的mRNA运输到核糖体，从而连接转录和翻译过程。
韦克斯尔鲍默评论道：“我们想了解RNAP与核糖体之间的连接是如何最初形成的。通过使用纯化的组件，我们重建了这一复杂物——直径仅为十亿分之一米——并使用冷冻电子显微镜（cryo-EM）观察它们的行为。我们随后需要确定我们在纯化组件中注意到的行为是否可以在其他实验系统中复制。”
在更复杂的人类细胞中，DNA被封闭在细胞核内，RNAP作为“翻译者”，将遗传信息分解成可管理的部分。这种强大的酶将DNA转录为mRNA，mRNA作为一段遗传密码的选择副本，然后被转移到位于更广阔的细胞质中的核糖体，在那里被转化为蛋白质，生命的基本构件。
在原核生物中，由于缺乏明确的细胞核和内部膜结构，转录和翻译几乎是同时进行且彼此非常接近。这使得RNAP和核糖体能够直接协调它们的功能。
细菌因其简单的遗传框架而成为最被理解的原核生物，为团队提供了理想的模型，以研究核糖体和RNAP在基因表达过程中的连接。
研究人员根据每个实验室的专长应用了各种技术和方法——韦克斯尔鲍默的团队使用了冷冻电子显微镜，而柏林小组的安德烈亚·格拉齐亚德伊利用细胞内交联质谱深入探索相关过程。
团队成员，包括肖维尔和密歇根大学化学和生物物理教授尼尔斯·沃尔特（Nils Walter），是生物物理学领域的专家，采用先进的单分子荧光显微镜研究该结构的动态过程。
肖维尔解释说：“为了监测这台机械的运行速度，我们将两个组件标记为不同的颜色。”一种荧光颜色用于新生RNA，另一种用于核糖体。这种方法使我们能够在高功率显微镜下分别观察它们的运动。”
他们发现，当存在核糖体蛋白bS1时，RNAP产生的mRNA特别有效地结合到小核糖体亚基（30S），因为bS1有助于mRNA的解开，以便为核糖体内部的翻译做准备。
此外，来自韦伯斯特（Webster）和韦克斯尔鲍默的冷冻电子显微镜结构突出显示了mRNA传输到核糖体的另一条路径，通过转录因子NusG或其版本RfaH的参与，从bS1的对面将mRNA导入核糖体的入口通道。
在成功可视化RNAP与核糖体的初始耦合阶段后，研究团队渴望继续合作，了解如何重新排列这一复杂以实现完整功能。
沃尔特表示：“这项研究体现了跨越不同国家和海洋的跨学科合作的影响。”
韦克斯尔鲍默实验室的博士生哈马·拉希尔（Huma Rahil）和曾在实验室工作的博士后迈克尔·韦伯斯特（Michael Webster），目前隶属于英国约翰·因尼斯中心，也共同领导了这项出版工作。
