蛋白質(zhì)的沉默密碼影響細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)方式
盡管具有非常相似的氨基酸序列，但兩種形式的蛋白質(zhì)肌動(dòng)蛋白在體內(nèi)具有不同的作用。Penn Vet 領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)表明，不同形式之間核苷酸編碼序列的差異影響了它們的功能，影響了蛋白質(zhì)產(chǎn)生的速度，進(jìn)而影響了細(xì)胞運(yùn)動(dòng)。圖片來(lái)源：Kashina Lab/賓夕法尼亞大學(xué)
賓夕法尼亞大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)研究表明，盡管氨基酸序列幾乎相同，但兩種形式的蛋白質(zhì)肌動(dòng)蛋白由于其不同的核苷酸序列而在功能上有所不同。
蛋白質(zhì)肌動(dòng)蛋白無(wú)處不在，對(duì)生命至關(guān)重要。在哺乳動(dòng)物中，每個(gè)細(xì)胞都表達(dá)其兩種形式，β-肌動(dòng)蛋白和 γ-非肌肉肌動(dòng)蛋白。盡管有不同的作用，但這兩種形式幾乎相同，共享其 99% 的氨基酸序列。
賓夕法尼亞大學(xué)獸醫(yī)學(xué)院的 Anna Kashina 及其同事的研究表明，與科學(xué)教條相反，控制這些蛋白質(zhì)在細(xì)胞中的離散功能并不是氨基酸序列的微小差異。相反，它們的核苷酸序列——構(gòu)成它們的DNA編碼序列的“字母”，在兩種形式之間相差大約 13%——負(fù)責(zé)它們?cè)谏矬w生存和細(xì)胞遷移中的個(gè)體作用。
在一項(xiàng)新研究中，研究人員解釋了原因：β-肌動(dòng)蛋白 mRNA 比 γ-肌動(dòng)蛋白更快地轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)。這兩種形式都有助于細(xì)胞移動(dòng)，但β-肌動(dòng)蛋白更快的速度似乎會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞更強(qiáng)烈地附著在基質(zhì)上，從而減慢細(xì)胞運(yùn)動(dòng)。
“在全球的哲學(xué)層面上，這擴(kuò)大了我們對(duì)遺傳密碼的理解，”P(pán)enn Vet 的生物化學(xué)教授和該研究的資深作者 Kashina 說(shuō)，該研究發(fā)表在 eLife 雜志上。“我們過(guò)去認(rèn)為核苷酸的作用是編碼氨基酸，但現(xiàn)在我們發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上，具有相同氨基酸序列的蛋白質(zhì)具有不同的翻譯速率，這會(huì)影響它們的功能?！?/p>
Kashina 使用術(shù)語(yǔ)“沉默代碼”來(lái)指代這些核苷酸差異的影響。在早期的工作中，她的團(tuán)隊(duì)表明，在小鼠中，編輯氨基酸序列但保持沉默的核苷酸代碼可能會(huì)導(dǎo)致 γ-肌動(dòng)蛋白在體內(nèi)表現(xiàn)得像β-肌動(dòng)蛋白。通常情況下，缺乏β-肌動(dòng)蛋白的小鼠會(huì)在出生前死亡，但研究人員表明，對(duì)β-肌動(dòng)蛋白基因進(jìn)行基因編輯，使其具有與γ-肌動(dòng)蛋白相同的氨基酸序列，由于核苷酸差異，小鼠得以存活。
早期論文的一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，也發(fā)表在eLife 上，激發(fā)了這項(xiàng)新工作。在較早的研究中，研究人員發(fā)現(xiàn) β-肌動(dòng)蛋白RNA的核糖體密度比 γ-肌動(dòng)蛋白高得多。核糖體對(duì)于從 RNA 合成蛋白質(zhì)至關(guān)重要，這導(dǎo)致科學(xué)家們假設(shè)這種蛋白質(zhì)翻譯率的差異可能是 γ 和 β-肌動(dòng)蛋白之間不同功能的原因。
為了驗(yàn)證他們的想法，他們使用細(xì)胞系僅表達(dá)小鼠細(xì)胞中 β 和 γ 肌動(dòng)蛋白的編碼部分，以及它們的編輯版本：被編輯為具有與 γ 相同氨基酸序列的 β 肌動(dòng)蛋白-肌動(dòng)蛋白，反之亦然γ-肌動(dòng)蛋白。
當(dāng)在傷口愈合實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行測(cè)試時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)核苷酸序列對(duì)于確定肌動(dòng)蛋白促進(jìn)細(xì)胞運(yùn)動(dòng)的速度至關(guān)重要。僅表達(dá)典型β-肌動(dòng)蛋白的細(xì)胞以典型的速率遷移，但表達(dá)γ-肌動(dòng)蛋白的細(xì)胞移動(dòng)速度是原來(lái)的兩倍。含有經(jīng)過(guò)編輯的肌動(dòng)蛋白版本的細(xì)胞證明這種差異是核苷酸序列依賴性的。β-肌動(dòng)蛋白被編輯以使 γ 的氨基酸序列像表達(dá) γ-肌動(dòng)蛋白的細(xì)胞一樣移動(dòng)，而帶有 γ-肌動(dòng)蛋白的那些被編輯以使 β-肌動(dòng)蛋白的氨基酸序列以表達(dá) β-肌動(dòng)蛋白的細(xì)胞的速度移動(dòng)。
這些結(jié)果讓研究人員感到驚訝，因?yàn)樗麄冾A(yù)計(jì) β-肌動(dòng)蛋白 mRNA 中更高密度的核糖體可以支持更快的翻譯，從而更快地運(yùn)動(dòng)。事實(shí)上，當(dāng)他們測(cè)量單分子水平的翻譯速率時(shí)，他們發(fā)現(xiàn) β-肌動(dòng)蛋白的翻譯速度大約是 γ-肌動(dòng)蛋白的兩倍。
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“我們?cè)詾楦斓姆g意味著更快的移動(dòng)，”Kashina 說(shuō)，“而這不是我們發(fā)現(xiàn)的。我們花了很長(zhǎng)時(shí)間來(lái)解釋原因?！?/p>
他們最終發(fā)現(xiàn)，盡管 β-肌動(dòng)蛋白的亞基可以比 γ-肌動(dòng)蛋白更快地提供，但這種速度會(huì)損害細(xì)胞遷移速度。
“我們發(fā)現(xiàn)，供應(yīng)它的速度越快，細(xì)胞附著在基板上的效果就越好，”Kashina 說(shuō)?！八鼊?chuàng)造了適當(dāng)?shù)臓恳Γ@對(duì)于正常遷移至關(guān)重要。如果您沒(méi)有足夠快地提供它，電池將無(wú)法正確連接并開(kāi)始滑動(dòng)。這解釋了我們看似違反直覺(jué)的結(jié)果。”
Kashina 及其同事計(jì)劃繼續(xù)探索核苷酸序列的作用，包括為什么進(jìn)化力量會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生這種類(lèi)似形式的肌動(dòng)蛋白，以及“沉默密碼”是否在其他蛋白質(zhì)中起作用。
“我們認(rèn)為這是一個(gè)更大的故事的一部分，”Kashina 說(shuō)?！拔覀兿嘈偶?dòng)蛋白并不是唯一以這種方式表現(xiàn)的蛋白質(zhì)。人類(lèi)基因組中有許多蛋白質(zhì)家族，它們包含由不同基因編碼的高度相似的蛋白質(zhì)。這種無(wú)聲的密碼也可能在這些家庭中發(fā)揮作用?！?/p>
參考：“β-和 γ-肌動(dòng)蛋白的不同翻譯動(dòng)力學(xué)調(diào)節(jié)細(xì)胞遷移”，Pavan Vedula、Satoshi Kurosaka、Brittany MacTaggart、Qin Ni、Garegin Papoian、Yi Jiang、Dawei Dong 和 Anna Kashina，2021 年 6 月 24 日，eLife。
DOI: 10.7554/eLife.68712
Anna Kashina 是賓夕法尼亞大學(xué)獸醫(yī)學(xué)院的生物化學(xué)教授。
Kashina 的研究合著者是 Penn Vet 的 Pavan Vedula、Brittany MacTaggart 和 Dawei Dong；日本近代大學(xué)的黑坂聰；馬里蘭大學(xué)的秦妮和Garegin A. Papoian；和佐治亞州立大學(xué)的蔣毅。
該研究得到了美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院（贈(zèng)款 GM122505、CA201340 和 EY028450）和美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（贈(zèng)款 1800418 和 1806903）的支持。