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地球生命的“紧急刹车”：发现细胞休眠新机制
科学家发现了一种名为Balon的自然蛋白质，它能迅速停止细胞活动，并在适当时刻迅速恢复。Balon在北极冻土中的细菌中被发现，可能是一种在生命树上广泛存在的休眠机制。
地球上的大多数生命都处于休眠状态，等待合适的时刻激活。生物学家发现了一种普遍存在的蛋白质，它能突然停止细胞的活动——并且同样迅速地重新启动。
研究人员最近报告了一种名为Balon的天然蛋白质的发现，它能使细胞产生新蛋白质的过程戛然而止。Balon在北极冻土中冬眠的细菌中被发现，但它似乎也被许多其他有机体制造，可能是整个生命树上休眠的一个被忽视的机制。
对于大多数生命形式来说，自我关闭的能力是生存的重要部分。像食物缺乏或寒冷天气这样的恶劣条件可能会突然出现。在这些极端困境中，许多有机体并没有倒下死亡，而是掌握了休眠的艺术。它们减缓了活动和新陈代谢。然后，当更好的时光再次到来时，它们重新活化。
实际上，地球上大多数生命都处于休眠状态：据估计，60%的微生物细胞在任何时候都在休眠。即使在那些整个身体不会完全休眠的有机体中，比如大多数哺乳动物，它们体内的一些细胞群体也会休息并等待最佳激活时机。
纽卡斯尔大学的进化分子生物学家谢尔盖·梅尔尼科夫说：“我们生活在一个休眠的星球上。生命主要是关于睡眠。”
但是细胞是如何完成这一壮举的呢？多年来，研究人员发现了一些“休眠因子”，细胞用来诱导和维持休眠状态的蛋白质。当细胞检测到某种不利条件，比如饥饿或寒冷时，它会产生一系列休眠因子来关闭其新陈代谢。
一些休眠因子会拆除细胞机械；其他一些则阻止基因表达。然而，最重要的休眠因子会关闭核糖体——细胞构建新蛋白质的机器。在生长中的细菌细胞中，制造蛋白质占能量使用的50%以上。这些休眠因子在核糖体的齿轮中撒沙子，阻止它合成新蛋白质，从而为基本生存的需要节省能量。
今年早些时候，在《自然》杂志上发表的研究人员报告了一种新的休眠因子的发现，他们将其命名为Balon。这种蛋白质惊人地普遍：对其基因序列的搜索揭示了它在20%的所有编目细菌基因组中的存在。它的工作方式是分子生物学家以前从未见过的。
以前，所有已知的核糖体干扰休眠因子都是被动工作的：它们等待核糖体完成蛋白质的构建，然后阻止它开始新的一个。然而，Balon却拉了紧急刹车。它将自己塞入细胞中的每一个核糖体，甚至中断活跃核糖体在工作中的中间。在Balon之前，休眠因子只在空核糖体中被观察到。
印第安纳大学研究微生物休眠的进化生物学家杰伊·列侬说：“Balon论文非常详细。”他没有参与这项新研究。“它将增加我们对休眠工作方式的看法。”
梅尔尼科夫和他的研究生卡拉·赫勒拿-布埃诺在Psychrobacter urativorans中发现了Balon，这是一种适应寒冷的细菌，原产于冻土，从北极冻土中采集而来。(据梅尔尼科夫说，这种细菌最初是在20世纪70年代感染一包冷冻香肠时被发现的，然后由著名的基因组学家克雷格·文特尔在前往北极的旅行中重新发现。)他们研究P. urativorans和其他不寻常的微生物，以表征生命谱系中使用的蛋白质构建工具的多样性，并了解核糖体如何适应极端环境。
由于休眠可以由包括饥饿和干旱在内的各种条件触发，科学家们以实际目标为出发点进行这项研究：“我们可能可以使用这些知识来设计能够忍受更温暖气候的有机体，”梅尔尼科夫说，“因此能够承受气候变化。”
Balon 介绍
赫勒拿-布埃诺完全是偶然发现Balon的。她试图诱使P. urativorans在实验室里快乐地生长。相反，她做了相反的事情。她把培养物在冰桶里放得太久，成功地使它受到冷休克。当她想起它在那里时，适应寒冷的细菌已经进入了休眠状态。
不想浪费培养物，研究人员仍然追求他们最初的兴趣。赫勒拿-布埃诺提取了受到冷休克的细菌的核糖体，并对其进行了冷冻电镜。冷冻电镜是用于在高分辨率下可视化微小生物结构的技术。赫勒拿-布埃诺看到一个蛋白质卡在停滞的核糖体的A位点——氨基酸被输送以构建新蛋白质的“门”。
赫勒拿-布埃诺和梅尔尼科夫不认识这种蛋白质。事实上，它以前从未被描述过。它与另一种细菌蛋白质相似，这种蛋白质对拆卸和回收核糖体部件很重要，叫做Pelota，西班牙语中的“球”。所以他们将新蛋白质命名为Balon，这是西班牙语中“球”的另一个词。
与其他休眠因子不同，Balon可以插入以停止生长，然后像卡带一样迅速弹出。
西北大学的微生物学家Mee-Ngan Frances Yap说，Balon停止核糖体活动的能力是微生物在压力下的关键适应。“当细菌积极生长时，它们会产生大量的核糖体和RNA，”她说。“当它们遇到压力时，一个物种可能需要关闭RNA翻译成新蛋白质的过程，以开始节省能量，为可能的长时间休眠期做准备。”
值得注意的是，Balon的机制是一个可逆过程。与其他休眠因子不同，它可以插入以停止生长，然后像卡带一样迅速弹出。它使细胞能够在紧急情况下迅速进入休眠状态，并同样迅速地复活以适应更有利的条件。
Balon之所以能做到这一点，是因为它以独特的方式附着在核糖体上。以前发现的每一个核糖体休眠因子都物理上阻止了核糖体的A位点，因此任何正在进行的蛋白质制造过程都必须在因子附着以关闭核糖体之前完成。另一方面，Balon靠近但不穿过通道，这允许它无论核糖体在做什么都可以进出。
尽管Balon的机制新颖，但它是一种非常普遍的蛋白质。一旦被识别，赫勒拿-布埃诺和梅尔尼科夫在公共数据库中编目超过20%的所有细菌基因组中发现了Balon的遗传亲戚。在德克萨斯大学医学分校的分子生物学家Mariia Rybak的帮助下，他们表征了这两种替代细菌蛋白质：一种来自引起结核病的人类病原体Mycobacterium tuberculosis，另一种在Thermus thermophilus中，它生活在你最后一个会抓到P. urativorans的地方——超热的水下热泉。这两种蛋白质也结合到核糖体的A位点，表明至少这些遗传亲戚中的一些在其他细菌物种中以类似Balon的方式行动。
Balon显著地缺席于大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，这两种是最常研究的细菌，也是细胞休眠最广泛使用的模型。通过只关注少数实验室有机体，科学家们错过了一种普遍的休眠策略，赫勒拿-布埃诺说。“我试图探索自然中未被充分研究的角落，偶然发现了一些东西。”
每个人都会冬眠
每个细胞都需要能够休眠并等待时机。实验室模型细菌大肠杆菌有五种不同的休眠模式，梅尔尼科夫说，每一种都足以使微生物在危机中生存。
“大多数微生物都在挨饿，”里昂大学的微生物学家Ashley Shade说，她没有参与这项新研究。“它们存在于一种渴望的状态。它们没有翻倍。它们没有过上最好的生活。”
大多数微生物都在挨饿。它们存在于一种渴望的状态。
Ashley Shade，里昂大学
但即使在饥饿期之外，休眠也是必要的。即使在像大多数哺乳动物这样整个身体不会完全休眠的有机体中，单个细胞群体也必须等待最佳激活时机。人类卵母细胞休眠数十年等待受精。人类干细胞在骨髓中诞生，然后进入静止状态，等待身体召唤它们生长和分化。神经组织中的成纤维细胞、免疫系统的淋巴细胞和肝脏中的肝细胞都会进入休眠、不活跃、不分裂的阶段，并在稍后重新激活。
“这并不是细菌或古菌所独有的，”列侬说。“生命树上的每一个有机体都有实现这种策略的方式。它们可以暂停新陈代谢。”
熊冬眠。疱疹病毒溶原化。蠕虫形成dauer阶段。昆虫进入滞育。两栖动物夏眠。鸟类进入休眠。所有这些都是完全相同的事情：有机体可以逆转的休眠状态，当条件有利时。
“在冬眠发明之前，生活的唯一方式是不间断地持续生长，”梅尔尼科夫说。“暂停生命是一种奢侈。”
这也是一种人口级别的保险。一些细胞通过检测环境变化并相应地做出反应来追求休眠。然而，许多细菌使用随机策略。“在随机波动的环境中，如果你不时进入休眠，整个种群就有可能因随机遭遇灾难而灭绝，”列侬说。即使在最健康、最快乐、生长最快的大肠杆菌培养物中，也有5%到10%的细胞仍然处于休眠状态。它们是指定的幸存者，如果它们的更活跃、更脆弱的表亲发生了什么事情，它们将生存下来。
从这个意义上说，休眠是全球灾难的生存策略。这就是为什么赫勒拿-布埃诺研究休眠的原因。她对哪些物种可能在气候变化中保持稳定，哪些物种可能能够恢复，以及哪些细胞过程，如Balon辅助的休眠，可能有所帮助感兴趣。
更根本的是，梅尔尼科夫和赫勒拿-布埃诺希望Balon的发现及其普遍性将帮助人们重新定义生活中什么是重要的。我们所有人都经常休眠，许多人都很喜欢它。“我们花费三分之一的生命在睡眠中，但我们根本不谈论它，”梅尔尼科夫说。与其抱怨我们在睡觉时错过了什么，也许我们可以将其体验为一个过程，将我们与地球上所有生命联系起来，包括在北极冻土中沉睡的微生物。
本文译自 Quanta Magazine，由 BALI 编辑发布。