《Cell》新技术在活细胞中观察核糖体，挑战传统生物细胞学教科书

核糖体在翻译mRNA时会通过协同工作，防止蛋白质生产减慢。这一发现挑战了先前的信念，并可能彻底改变我们对细胞生物学的理解。Tanenbaum小组利用一种名为socRNA（无终止密码子的环状RNA）的成像技术，实现了对单个核糖体的长期观察。通过荧光标记的socRNA和先进的成像系统，研究人员能够实时追踪核糖体在翻译过程中的动态变化，包括速度、暂停时间等。

核心发现

这种先进的新显微镜技术，能够实时观察活细胞中单个核糖体在翻译mRNA时的行为。研究发现，核糖体在遇到翻译障碍时，会通过“核糖体合作”（ribosome cooperativity）来相互帮助，而不是像之前认为的那样仅仅被细胞的质量控制系统清除。这种协同作用不仅能减少翻译过程中的暂停时间，还能提高蛋白质合成的效率。

DNA携带着我们身体运作所需的遗传指令。在这些指令被使用之前，它们被复制到mRNA（信使RNA）中，它起着蓝图的作用。核糖体读取这一蓝图并构建蛋白质——无数生物过程中必不可少的分子。基因信息转化为蛋白质的过程称为mRNA翻译，是基因表达的关键步骤。

来自Hubrecht研究所Tanenbaum小组的科学家们开发出一种先进的显微镜技术来观察活细胞内的核糖体。这种方法使研究人员能够跟踪单个核糖体将mRNA转化为蛋白质的过程。他们的研究发现了一个令人惊讶的现象：当核糖体遇到障碍时，它们会相互帮助，这一过程被他们称为“核糖体合作”。这些发现发表于1月31日的《Cell》杂志上，为蛋白质合成提供了新的见解，并为科学家们更密切地研究mRNA翻译提供了有力的工具。

该研究的主要作者之一Maximilian F. Madern说：“有时候，mRNA包含的部分很难翻译成蛋白质。我们仍然不完全了解核糖体是如何管理这些部分的，这就是为什么我们想设计一种新的成像技术，以更好地了解核糖体是如何完成它们的工作的。”

这项新技术使研究人员能够在mRNA翻译过程中长期监测单个核糖体。

该研究的第二主要作者Sora Yang解释说：“我们观察到单个核糖体的移动速度略有不同，有时会停顿很长一段时间，”由于它们在速度上的差异，核糖体可能会发生碰撞，减缓蛋白质的产生。检测这些速度差异是具有挑战性的，因此，我们与代尔夫特理工大学生物科学系的Marianne Bauer的计算科学家小组合作。凭借他们的专业知识，我们可以证明核糖体确实以不同的速度运作。”

实验结果

实验中发现，核糖体在翻译过程中会因速度差异而发生短暂碰撞，但这些碰撞并不会触发细胞的质量控制机制。相反，这种短暂的碰撞有助于核糖体在复杂RNA序列上快速通过，从而减少翻译中断的次数，确保蛋白质的高效合成。

Madern说：“我们发现短暂的碰撞不会立即触发细胞的质量控制机制，通常情况下，这些机制会去除碰撞的核糖体，但只有当碰撞持续几分钟时，它们才会发挥作用。”

令人惊讶的是，研究人员发现这些暂时的碰撞可能是有益的，这与之前的看法相反。核糖体似乎在引导难以翻译的RNA片段时相互“帮助”，他们将这种现象称为“核糖体合作（ribosome cooperativity）”。

“这允许核糖体在有问题的RNA片段上承受短暂的碰撞，从而促进持续的蛋白质生产，”Madern解释说。

研究意义

这一发现不仅挑战了传统的细胞生物学理论，还为未来的研究提供了新的方向。研究人员表示，这种核糖体协同作用可能在细胞应对翻译障碍时发挥关键作用，对疾病研究和新型药物开发具有重要意义。

未来展望

这项新技术使研究人员能够更好地了解个体水平上核糖体的行为。通过揭示mRNA翻译的动力学，研究人员可以更深入地了解细胞过程和蛋白质合成在健康和疾病中的作用。

这项研究已于2025年1月31日发表在国际知名期刊《Cell》上。“Long-term imaging of individual ribosomes reveals ribosome cooperativity in mRNA translation” by Maximilian F. Madern, Sora Yang, Olivier Witteveen, Hendrika A. Segeren, Marianne Bauer and Marvin E. Tanenbaum, 31 January 2025, Cell.