在细胞面临饥饿环境时，它们会通过重新调整代谢途径来应对压力。比如在酵母细胞中，核糖体会附着在线粒体表面，这种现象长期以来引起了科学家们的兴趣，因为这或许可以帮助我们理解癌细胞——总是对营养需求旺盛——如何在恶劣环境中仍然能够生存。
为了更深入地研究核糖体与线粒体的相互作用，来自欧洲分子生物学实验室（EMBL）和弗吉尼亚大学（UV）的科学家们利用了冷冻电子显微镜和冷冻电子断层扫描技术，对酵母菌种裂殖酵母（Schizosaccharomyces pombe）在葡萄糖匮乏环境下的生存机制进行了分子层面的观察。
这一研究由EMBL的Simone Mattei博士和UV的Ahmad Jomaa博士领导，研究结果发表在《Nature Communications》期刊上，标题为《细胞压力下核糖体在线粒体上的休眠》。研究团队在文章中写道：“我们的研究揭示了一种全新的适应机制，它在真核系统中起到维持生存的作用。这一机制通过将蛋白质合成机制招募到线粒体并暂停生物合成活动，来实现能量的调控。这样的响应依赖于细胞器和分子水平的重组，推动了细胞进入休眠状态。”
具体来说，研究发现，当酵母细胞缺乏葡萄糖时，它们会停止蛋白质合成，转而使用核糖体和线粒体的特殊结合机制。研究团队解释道：“在饥饿条件下，核糖体会与碎裂的线粒体结合，并在线粒体表面组装成真核特有的高阶贮存结构。”
核糖体是细胞中负责合成蛋白质的重要分子机器。然而，研究发现，当酵母细胞饥饿时，这些附着在线粒体表面的核糖体并没有继续合成蛋白质，而是进入了一种“休眠”状态。
“细胞在面对恶劣环境时的一种生存策略是将能量消耗降至最低，”Mattei团队的博士后研究员、该研究的第一作者Olivier Gemin博士解释道。“蛋白质合成需要大量能量，而阻断核糖体活动可以帮助细胞节省能量。”
至于为什么休眠的核糖体会附着在线粒体表面，目前还不是完全清楚。
“有几种可能的解释，”Mattei博士表示。“饥饿的细胞最终会启动自噬过程，因此核糖体可能是为了保护线粒体才覆盖在其表面。它们也可能是为了激活线粒体内部的信号传导。”
Mattei博士正在探讨的另一种可能性是，饥饿的细胞需要一种方式来迅速恢复能量生产。一旦有葡萄糖补充，线粒体作为细胞的能量工厂，靠近的核糖体可以帮助线粒体快速合成所需的蛋白质。
让科学家们惊讶的是，这些核糖体附着在线粒体外膜的方式与以往的认知截然不同。
“之前我们知道核糖体通常是通过其大亚基与膜相互作用，但在饥饿细胞中，我们发现它们是‘倒置’的，通过小亚基与膜结合！”Mattei指出。
在未来的研究中，团队将继续探索这种非同寻常的结合方式的原因和机制。
饥饿中的酵母细胞的挣扎与癌细胞的生存策略有相似之处。
实际上，癌细胞的生存环境非常艰难。当肿瘤变得具有侵袭性时，细胞的快速生长使其对营养和氧气的需求远远超过供应。这意味着大多数癌细胞常常处于一种“自我制造的地狱”中——不断饥饿，却依然生存并增殖。
“这就是为什么我们需要了解细胞在饥饿中如何适应并进入休眠以求生存，”Jomaa博士说。“为此，我们首先研究酵母，因为它的操作相对容易。此外，我们还尝试对培养的癌细胞进行饥饿处理，尽管这并不简单，以期找到它们如何克服饥饿并可能导致癌症复发的机制。”
理解这种适应的基本原理或许能帮助我们找到打破这种机制的方法，使癌细胞对饥饿更为脆弱，从而提高治疗的效果。
参考文献：https://www.nature.com/articles/s41467-024-52911-4
编辑：王洪
排版：李丽
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