PNAS丨实现“千万里挑一”，赵广厚/戴俊彪合作利用人工单体型核糖体开辟核糖体研究新路径

核糖体是合成蛋白质的分子机器，是中心法则信息流的关键控制节点。研究表明，核糖体并不是机械性的执行翻译活动，而是可以通过蛋白组分变化改变功能特性，从而在翻译水平上调控细胞活动及环境适应能力。核糖体是由数十种蛋白质和大型核糖体RNA组成的复杂分子机器，其中核糖体蛋白往往由多个同源基因编码而产生蛋白变体。研究者猜想，核糖体可以利用不同蛋白变体的组合产生不同类型的核糖体，实现对翻译活动的调控。然而，上述猜想至今未能获得直接的实验证据。究其原因在于，在天然细胞中，核糖体类型纷繁复杂（如酿酒酵母中的59对核糖体同源蛋白可产生不少于10¹⁷种组合），现有技术手段很难抽离出单一类型的核糖体（即“千万里挑一”）并分析其功能特征，这也是当前该领域内相关研究面临的主要难点之一。

2022年2月1日，西北工业大学生态环境学院赵广厚课题组和深圳先进技术研究院合成生物学研究所戴俊彪课题组在PNAS杂志上在线发表了题为Engineering and functional analysis of yeast with a monotypic 40S ribosome subunit的研究论文。研究报道了通过创建人工单体型核糖体40S亚基酵母细胞模型，发现了核糖体蛋白变体主要通过剂量补偿作用影响翻译功能，为核糖体功能调控研究提供了独特的研究路径。

该研究开发了新型的基因组连续进化工具iCasEvo，通过连续删除系列核糖体40S亚基蛋白同源编码基因（只保留一套同源编码基因），创建出单体型核糖体40S亚基酵母细胞模型（命名为Homo-40S）；进一步，基于对细胞模型的分析，发现删除的系列核糖体蛋白变体主要通过剂量补偿作用调控核糖体的翻译活性和准确度等功能特性；此外，该研究发现工程细胞Homo-40S具有非常高的可塑性，可通过小规模基因突变或大规模的基因组加倍方式，提高环境适应能力（如抗生素抗性、生长速率等）。

操纵和理解核糖体“零件”与分子机器特性，对理解乃至调控生命信息流传递过程具有非常重要的意义。本研究是继该合作课题组通过工程化改造核糖体RNA“零件”揭示核糖体组装演化规律的研究工作（Nucleic Acids Res. 2021 May 7;49(8):4655-4667），从蛋白质“零件”出发，提供了通过系统性操纵核糖体蛋白质“零件”来探究其对核糖体功能影响的新思路，为将来系统理解乃至设计创建可精确调控细胞信息流的人工核糖体奠定了一定的理论和技术基础。

胡欣（西北工业大学）、姜双英（深圳先进技术研究院）和徐飞飞（西京医院）为本论文的共同第一作者。北京大学高宁教授、西北工业大学王文教授和邱强教授为本研究提供了重要帮助。

原文链接：

https://doi.org/10.1073/pnas.2114445119