RNA翻譯與蛋白質折疊之間的微妙舞蹈

　　在蛋白質的合成過程中，RNA翻譯會影響蛋白質的折疊，而蛋白質折疊也會影響RNA的翻譯。

　　在過去的十年里，我們對細胞內蛋白質合成方式的認知取得了快速的增長，其中包括蛋白質合成的各個基本步驟：轉運RNA（transfer RNA， tRNA）是如何高保真、高速率地對信使RNA（messenger RNA， mRNA）進行解碼的；在翻譯過程中，核糖體是如何從mRNA上的一個密碼子移動到下一個密碼子的；相應的多肽鏈的合成過程是如何在mRNA的特定位點上啟動和終止的。核糖體顆粒是由RNA和蛋白質聚集而成的復合物，分子量為數兆道爾頓。通過了解核糖體顆粒的結構，我們就能夠從分子水平上詳細地了解mRNA解碼和肽鍵形成的活躍部位，也能夠了解核糖體配體、合成因子及核糖體亞基的活動路徑。雖然我們掌握了如此豐富的知識，但是仍然不清楚蛋白質產物的命運。蛋白質在mRNA翻譯過程中如何進行折疊？蛋白質折疊可能會如何影響mRNA的翻譯？Goldman等人及Kim等人報道了一系列巧妙的生物物理學方法和生物化學方法，解決了以上這些問題，并且進一步加深了人們對共翻譯蛋白質折疊（cotranslational protein folding）的理解。

　　在翻譯過程中，新生蛋白的合成順序是由氨基端延伸到羧基端的。不斷延長的多肽鏈穿過核糖體大亞基中100 ？的通道（即核糖體輸出通道），釋放到細胞質中。肽鏈輸出通道很狹窄，只能容納呈α螺旋結構的多肽鏈。因此，當多肽鏈的特定區域進入到細胞質中時，新生蛋白只能夠折疊成三級結構。在體外實驗中，較短的蛋白質結構域可以自發性地進行折疊，且速度非常迅速，折疊的時間范圍為10-6到10-3秒。而對于分子量較大的蛋白質、具有復雜拓撲結構的蛋白質或多結構域蛋白質而言，折疊過程將耗費更多的時間，還需要在蛋白質折疊伴侶（chaperone）的輔助下才能完成。由于RNA可以以每秒鐘1到20個氨基酸的速度來進行翻譯（翻譯速度取決于生物種類和外界條件），因此蛋白質折疊和RNA翻譯通常可以在參與翻譯的核糖體上同時進行（即共翻譯折疊）。當新生肽鏈從核糖體輸出通道中釋放出來時，大量的分子伴侶和蛋白質加工因子就會結合到肽鏈上。因此至關重要的是：我們應當了解蛋白質的合成速度和蛋白質折疊過程之間的關聯。

　　新生多肽鏈上存在著一些可以使核糖體暫停或停止翻譯的序列，這就突出了RNA翻譯和蛋白質折疊之間的相互作用。研究者們在大腸桿菌SecM的翻譯過程中發現了終止序列。SecM序列是一段具有18個氨基酸的延伸物。核糖體在翻譯帶有SecM序列的蛋白質時，當SecM序列出現在核糖體輸出通道內的、肽酰tRNA（peptidyl tRNA）和通道狹窄收縮區附近的區域時，核糖體就會暫停或停止翻譯。肽鏈和各個核糖體元件之間的相互作用會在某個精確的位置上延緩并阻斷后續的肽鏈延伸過程，而在此過程中，被中止的翻譯復合物將會進入到核糖體的分泌通道中，該通道利用5'-三磷酸腺苷（adenosine 5′-triphosphate）水解作用所產生的能量，使蛋白質從分泌通道中釋放出來。這一現象表明，通過向核糖體中的新生多肽鏈施加外力，就可以緩解受到阻滯的RNA翻譯過程。這一假說得到了一些體內研究的支持。

　　Goldman等人采用一些巧妙的單分子研究方法，明確地證明：通過向多肽鏈施加外力，就可以緩解被阻滯的RNA翻譯過程。他們利用光學捕獲技術（optical trapping technology），將附著在較大粒子上的分子捕獲下來，并用強激光束來處理這些分子，從而能夠測量并改變生物系統所承受的外力。Goldman等人準備了一些翻譯被阻滯的、內有新生肽鏈的核糖體，并用生物素對其進行了標記。隨后他們利用一根系鏈，將核糖體結合到具有靜電的微量移液管上，而被生物素標記的新生肽鏈則被連接到聚苯乙烯粒子上。Goldman等人特地為被阻滯的新生肽鏈設計了一個氨基端鈣調素結構域，該結構域的折疊過程已經被研究得非常透徹。當外力的強度較弱且較穩定時，鈣調素結構域會處于半折疊半展開的波動狀態。在蛋白質的去折疊和重折疊過程之后，聚苯乙烯粒子就會離開鈣調素結構域，向俘獲區域的中心移動，而此時，鈣調素結構域的波動狀態就會產生一個明確的信號。當蛋白質折疊過程重新啟動時，重新啟動的RNA翻譯將會釋放系鏈，從而使研究者們能夠間接地監測RNA翻譯情況以及新生肽鏈所承受的外力。

　　Goldman等人指出，通過增加新生肽鏈所承受的外力，就能夠緩解由SecM序列所誘導的翻譯阻滯作用。Top7是一種特殊的蛋白質，研究者們已經明確指出，Top7會隨著外力的變化而發生折疊-去折疊狀態的轉變。而Goldman等人隨后則使用Top7來進行研究，探討蛋白質在核糖體附近進行折疊時，是否會產生一種與光學勢阱相類似的定向牽引力。Goldman等人利用體內試驗，測定了熒光蛋白的合成情況；由于熒光蛋白只會在SecM阻滯作用被緩解的情況下才開始進行合成，因此Goldman等人的試驗結果表明，如果在核糖體輸出通道附近存在有蛋白質折疊區的話，就會對被阻滯的核糖體新生肽鏈產生外力，從而重新啟動RNA的翻譯過程（如下圖所示）。為了緩解由SecM所誘導的翻譯阻滯作用，我們應當對新生肽鏈施加至少10 pN的外力，而這一強度相當于小片段蛋白質結構域在折疊過程中所產生的力量。

　　解除對mRNA翻譯的阻滯。如圖所示，核糖體具有兩個亞單位。當核糖體翻譯mRNA上的SecM序列（紅色），并且核糖體輸出通道被氨基酸殘基堵塞時，RNA翻譯過程將會被阻滯。該模型顯示了蛋白質在剛剛靠近核糖體輸出通道時，其折疊過程將如何產生定向牽引力，來重新啟動RNA的翻譯過程。

　　Goldman等人的研究結果指明了蛋白質的折疊過程是如何調節RNA翻譯的動態變化的，但是RNA的翻譯速度和新生肽鏈在核糖體內的結合情況是否也能夠控制蛋白質的折疊方式呢？研究者們開展了越來越多的體內試驗和體外試驗，來探討這一問題。囊性纖維化跨膜傳導調節蛋白（cystic fibrosis transmembrane conductance regulator）的錯誤折疊與疾病的發生有關。Kim等人通過化學方法，將染料分子結合到囊性纖維化跨膜傳導調節蛋白羧基末端的不同殘基上，隨后利用整體熒光共振能量轉移（fluorescence resonance energy transfer， FRET）技術，研究了氨基端的熒光蛋白與羧基端的染料分子之間的距離。Kim等人測量了附著在核糖體（未進行翻譯）上的新生肽鏈的整體FRET水平，也測量了以游離狀態釋放到細胞質中的新生肽鏈的整體FRET水平，隨后發現在蛋白質折疊的后期階段，由于多肽鏈的羧基端與氨基端之間會發生相互影響，從而延緩了蛋白質折疊的進程。多肽鏈在核糖體輸出通道中的結合狀態可以調節這種延緩的蛋白質折疊過程，此外，核糖體外的蛋白質結構域的穩定折疊也可以通過與核糖體產生相互作用，來調節延緩的蛋白質折疊過程。以上研究結果以及Goldman等人的研究結果均指明了核糖體是如何指導蛋白質折疊的。Kim等人也指明了密碼子的使用情況將如何調節翻譯速度和多肽鏈在核糖體輸出通道中的結合狀態，他們的研究結果符合之前多項研究的預測。

　　Goldman等人和Kim等人的研究結果都清楚地證明了蛋白質折疊和RNA翻譯之間是密切耦合的，但是仍然需要開展大量的研究來證實這一點。利用實時動態資料，我們就能夠直接揭示蛋白質折疊和RNA翻譯過程是如何相關聯的。我們也需要開展結構研究，尤其應當利用先進的冷凍電子顯微鏡（cryo-electron microscopy），來探索以下問題：核糖體是如何與新生肽鏈相互作用，以阻滯RNA翻譯或指導蛋白質折疊的？當新生多肽鏈從核糖體中釋放出來時，會有多種因子結合在多肽鏈上，而對這些因子的研究具有額外的生物學意義，但是也增加了研究的復雜性。這些因子可以對多肽鏈進行加工或修飾、引導多肽鏈的折疊、或者將新生蛋白帶入到靶細胞內。如果我們從機制上和結構上來動態地說明它們的功能的話，將會極大地豐富我們對RNA翻譯的了解。