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Science:什么?细胞也懂“经济学”?看“聪明”的肠道如何高效消化食物

2017/08/17 来源:生物探索
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导读
在微观世界,细胞懂得以一种“最经济”的方式进行生产活动。近日,发表于Science上的一项研究发现,当我们进食时,肠道上皮细胞的mRNA分布会产生极化,细胞将大量编码核糖体和相关蛋白质的mRNA运送到与食物接触的一侧,从而提升翻译效率。

在工商业领域,当一个个体必须进行快速生产时,他们往往需要作出一些即时决策,比如:立即将所有的资源投入到现有设备来提高产量;或者是先将这些资源用来为车间装备合适的器械。后者似乎是一种效率较低的生产方法,但实际上,在某些情况下,它可以大大加快速度。魏茨曼的分子细胞生物学系的Shalev Itzkovitz博士和他的团队发现,这正是肠道壁处理食物时所用的方法。每当我们进食时,肠道内的细胞就会选择这样一种“最经济”的方式增强他们的活动。这一研究发表在近日的Science期刊上。


肠上皮由单层肠上皮细胞组成,它从顶端的一侧吸收营养物质,再通过基底的一侧将其分泌进血液中。研究人员发现,细胞的两侧的mRNA组成不同:肠道中表达的大约30%的基因所生产的mRNA,要么出现在细胞顶侧,要么在基底侧。而蛋白质制造机器——核糖体,在细胞两侧也存在差异:食物侧的核糖体数量是血流侧的两倍。结果导致,前者的蛋白质生产效率更高。


编码不同基因的mRNA(绿色和红色荧光)分布在上皮细胞(蓝色:细胞核)两侧。图片来源:Science。

通过进一步研究,科学家们发现,当食物一旦进入肠道,肠壁细胞会立即通过增加核糖体产生来作出响应,尤其是在细胞与食物接触的一侧。为此,细胞将大量编码核糖体的mRNA运送到食物侧的区域。细胞的这一部分变成了一个集中的生产车间,合成处理食物所需的各种蛋白质。

Itzkovitz解释道:“在大多数昼夜,肠道内的细胞都无所事事,但食物一出现,它们就必须立即采取行动。”为制造新蛋白质从DNA转录生成RNA分子大约要耗费细胞半个小时。不过,它们可以通过将编码相关蛋白质的mRNA转移到富含核糖体的细胞的一侧,从而在几分钟内增加某些蛋白质的产量。这一策略使它们能够以一种快速有效的方式处理食物的到来。


在禁食小鼠中,编码核糖体蛋白的mRNA储存在肠道上皮细胞内翻译活性较低的基底侧,再喂食使mRNA转移到翻译活性较高的顶侧,这种转移提高了翻译效率,增加了包括核糖体在内的蛋白合成。图片来源:Science。

和宏观世界一样,微观世界的生命活动过程同样遵循事物发展的基本原则:在任何情况下力求以最小的耗费取得有利于自身发展的最大效益,这项研究再次引出了细胞的“经济学”问题。除此之外,这些发现可能也有医学意义,因为肠壁在吸收营养和保护机体方面扮演着重要角色。现在可以研究mRNA是否在转移到细胞适当部位时出现故障;或者mRNA在细胞高-低生产区域之间是否存在失衡——这些问题可能在结肠炎、克罗恩病等疾病甚至肠癌中具有一定意义。

参考资料:

Global mRNA polarization regulates translation efficiency in the intestinal epithelium

The lining of our intestines uses an approach known to business to quickly process food

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