<p>一個(gè)典型的細(xì)菌基因組包含4000多個(gè)基因，它們編碼細(xì)胞生存所需的所有蛋白質(zhì)。細(xì)胞如何知道每種蛋白質(zhì)在日常功能中需要多少呢?</p> <p>&nbsp;</p> <p>麻省理工學(xué)院生物學(xué)副教授Gene-Wei Li正試圖回答這個(gè)問題。作為一名訓(xùn)練有素的物理學(xué)家，他使用全基因組測(cè)量和生物物理建模來量化細(xì)胞的蛋白質(zhì)生產(chǎn)，并發(fā)現(xiàn)細(xì)胞如何實(shí)現(xiàn)對(duì)這些數(shù)量的精確控制。</p> <p>&nbsp;</p> <p>利用這些技術(shù)，李發(fā)現(xiàn)細(xì)胞似乎嚴(yán)格控制它們產(chǎn)生的蛋白質(zhì)的比例，而且這些比例在不同類型的細(xì)胞和不同物種之間是一致的。</p> <p>&nbsp;</p> <p>李說:&ldquo;從物理學(xué)的背景來看，這些細(xì)胞已經(jīng)進(jìn)化得非常精確地制造出正確數(shù)量的蛋白質(zhì)，這讓我感到驚訝。&rdquo;&ldquo;這一觀察結(jié)果之所以能夠?qū)崿F(xiàn)，是因?yàn)槲覀兡軌蛟O(shè)計(jì)出與生物學(xué)中實(shí)際發(fā)生的情況相匹配的精確測(cè)量方法。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p><span class="h1"><strong>從物理學(xué)到生物學(xué)</strong></span></p> <p>&nbsp;</p> <p>李的父母&mdash;&mdash;他的父親是在臺(tái)灣一所大學(xué)任教的海洋生物學(xué)家，他的母親是一名植物生物學(xué)家，現(xiàn)在經(jīng)營著一個(gè)高中生科學(xué)夏令營&mdash;&mdash;把他們對(duì)科學(xué)的熱愛遺傳給了李，他出生在圣地亞哥，而他的父母在那里讀研究生。</p> <p>&nbsp;</p> <p>李兩歲時(shí)全家回到臺(tái)灣，很快李就對(duì)數(shù)學(xué)和物理產(chǎn)生了興趣。在臺(tái)灣，學(xué)生在高中時(shí)就選擇了大學(xué)專業(yè)，所以他決定在國立清華大學(xué)學(xué)習(xí)物理學(xué)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>在大學(xué)期間，李宇春被光學(xué)物理和光譜學(xué)所吸引。他去了哈佛大學(xué)讀研究生，一年后，他開始在一個(gè)實(shí)驗(yàn)室工作，研究生物系統(tǒng)的單分子成像。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;我意識(shí)到，在學(xué)科之間的邊界上，有很多真正令人興奮的領(lǐng)域。這是我們?cè)谂_(tái)灣沒有的東西，那里的院系非常嚴(yán)格，物理是物理，生物是生物，&rdquo;李說。&ldquo;生物學(xué)比物理學(xué)要復(fù)雜得多，我有些猶豫，但我很高興看到生物學(xué)確實(shí)有你可以遵守的規(guī)則。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>在他的博士研究中，李使用單分子成像技術(shù)研究了一種叫做轉(zhuǎn)錄因子的蛋白質(zhì)，具體來說，就是它們與DNA結(jié)合并開始將DNA復(fù)制成RNA的速度有多快。盡管他從未上過生物學(xué)課，但他開始對(duì)生物學(xué)有了更多的了解，并決定在加州大學(xué)舊金山分校(University of California at San Francisco)攻讀博士后，他在細(xì)胞和分子藥理學(xué)教授喬納森&middot;韋斯曼(Jonathan Weissman)的實(shí)驗(yàn)室工作。</p> <p>&nbsp;</p> <p>韋斯曼現(xiàn)在是麻省理工學(xué)院的生物學(xué)教授，在轉(zhuǎn)向生物學(xué)之前，他也曾是一名物理學(xué)家。在Weissman的實(shí)驗(yàn)室里，Li開發(fā)了研究細(xì)菌細(xì)胞中基因表達(dá)的技術(shù)，使用高通量DNA測(cè)序。2015年，李斌加入麻省理工學(xué)院，在那里他的實(shí)驗(yàn)室開始研究可用于測(cè)量細(xì)胞基因表達(dá)的工具。</p> <p>&nbsp;</p> <p>當(dāng)基因在細(xì)胞中表達(dá)時(shí)，DNA首先被復(fù)制成RNA, RNA將遺傳指令傳遞給核糖體，蛋白質(zhì)在核糖體中組裝。李的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)開發(fā)出了測(cè)量細(xì)胞中蛋白質(zhì)合成速度的方法，以及從不同基因轉(zhuǎn)錄的RNA的數(shù)量。總之，這些工具可以精確測(cè)量特定基因在給定細(xì)胞中的表達(dá)量。</p> <p>&nbsp;</p> <p>李說:&ldquo;我們以前有定性工具，但現(xiàn)在我們可以真正擁有定量信息，了解有多少蛋白質(zhì)被制造出來，以及這些蛋白質(zhì)水平對(duì)細(xì)胞有多重要。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p><span class="h1"><strong>精確控制</strong></span></p> <p>&nbsp;</p> <p>利用這些工具，李和他的學(xué)生發(fā)現(xiàn)不同種類的細(xì)菌可以有不同的策略來制造蛋白質(zhì)。在大腸桿菌中，DNA的轉(zhuǎn)錄和RNA轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)的過程一直被認(rèn)為是耦合的，這意味著RNA產(chǎn)生后，核糖體立即將其轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>許多研究人員認(rèn)為這對(duì)所有細(xì)菌都適用，但在2020年的一項(xiàng)研究中，李發(fā)現(xiàn)枯草芽孢桿菌和數(shù)百種其他細(xì)菌使用不同的策略。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;很多其他物種都有我們所說的失控轉(zhuǎn)錄，轉(zhuǎn)錄發(fā)生得非?？?，蛋白質(zhì)不能同時(shí)合成。由于這種分離，這些物種有非常不同的調(diào)節(jié)基因表達(dá)的機(jī)制。&rdquo;李說。</p> <p>&nbsp;</p> <p>李的實(shí)驗(yàn)室還發(fā)現(xiàn)，在不同物種的細(xì)胞中，某些協(xié)同工作的蛋白質(zhì)的比例是相同的。許多細(xì)胞過程，如分解糖并將其能量儲(chǔ)存為ATP，都是由酶協(xié)調(diào)的，這些酶按照特定的順序進(jìn)行一系列反應(yīng)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;事實(shí)證明，無論是在大腸桿菌、其他細(xì)菌還是真核細(xì)胞中，進(jìn)化給了我們相同比例的酶。&rdquo;李說。&ldquo;設(shè)計(jì)這些路徑顯然有我們以前不知道的規(guī)則和原則。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>導(dǎo)致產(chǎn)生過多或過少蛋白質(zhì)的突變會(huì)導(dǎo)致各種人類疾病。李現(xiàn)在計(jì)劃研究基因組如何編碼控制每種蛋白質(zhì)正確數(shù)量的規(guī)則，通過測(cè)量基因和調(diào)節(jié)序列的變化如何影響從轉(zhuǎn)錄開始到蛋白質(zhì)組裝過程中每一步的基因表達(dá)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;我們?cè)噲D關(guān)注的下一個(gè)層面是:這些信息是如何存儲(chǔ)在基因組中的?他說。&ldquo;你可以很容易地從基因組中讀出蛋白質(zhì)序列，但仍然不可能知道會(huì)產(chǎn)生多少蛋白質(zhì)。這就是新篇章。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <blockquote> <p>注：本文由院校官方新聞直譯，僅供參考，不代表指南者留學(xué)態(tài)度觀點(diǎn)。</p> </blockquote>