Nature | 核糖体翻译自身的RNA

撰文 | 格格

现代细胞中，核糖体具有底物非特异性，能翻译细胞内所有mRNA【1】，但这种通用性也使其难以针对特定“设计蛋白”进行优化。合成生物学试图通过改造核糖体来实现正交翻译【2，3】，但现有策略仍依赖mRNA与核糖体的随机碰撞，且会削弱核糖体翻译正常蛋白质组的能力，导致细胞致死。一个早期提出的“一个核糖体–一种蛋白”假说——认为每个核糖体的rRNA自身编码一种蛋白质并进行顺式翻译——从未被实验验证。此外，在RNA世界向DNA–RNA–蛋白质世界过渡的假说中，原始核糖体和mRNA前体极为稀少【4】，随机碰撞驱动的翻译速率难以支持生命增殖，而将翻译组件整合为单一实体的可能性极少被考虑。因此，编码序列能否整合入rRNA并形成功能性翻译机器，是该领域亟待回答的核心问题。

近日 ， 来自 美国伊利诺伊大学芝加哥分校药物科学系 的Alexander S. Mankin研究团队在Nature杂志发表题为Rewiring the ribosome to translate proteinsencoded in its own RNA的研究论文， 该研究旨在将蛋白编码序列整合入核糖体RNA，以解决核糖体通用性与特定蛋白优化表达间的矛盾，并发现细菌核糖体能顺式翻译自身RNA编码的蛋白，为定制化蛋白生产和翻译起源研究提供了新平台。

首先，研究人员为了将蛋白编码序列整合入核糖体自身RNA，设计了一个16S rRNA-mRNA嵌合体（mrRNA），将gfp等编码序列通过一个模拟SD-ASD双链结构的发夹连接在16S rRNA的3’端。通过在大肠杆菌中构建文库并利用奇霉素敏感性筛选，他们获得了一个阳性克隆pRibo-M (GFP)，其GFP表达能被靶向小亚基的奇霉素显著抑制，提示翻译由装配在mrRNA上的30S亚基（即Ribo-M）自身完成，而非由野生型核糖体反式翻译。进一步通过RT-PCR证实，完整的mrRNA存在于分离的30S亚基和70S核糖体中，且其A1518/A1519位点被正确甲基化，说明mrRNA能够支持成熟30S亚基的正常组装。

在此基础上，研究人员将gfp替换为dfrB1或HiBiT编码序列，发现转化菌分别表现出显著的耐药性和荧光素酶活性，证明Ribo-M可成功表达多种序列和长度的多肽。引入小亚基失活突变（如G530A）完全消除了报告蛋白的表达，证实翻译确由Ribo-M自身顺式完成。利用携带SecM“暂停肽”的Ribo-M (SecM) 进行亲和纯化后，亲和捕获的核糖体复合物中mrRNA占比超过75%，而野生型16S rRNA不足25%，这一结果有力证明了Ribo-M正是在翻译自己的RNA，而非被野生型核糖体利用。

值得注意的是，研究人员从细胞中亲和纯化出Ribo-M，并在缺乏野生型核糖体和外源mRNA的无细胞体系中成功检测到HiBiT活性，且该活性可被奇霉素抑制，证明Ribo-M在体外同样具备自翻译功能。质谱和DMS修饰分析显示，Ribo-M的小亚基结构整体保守，仅部分靠近mRNA通道的区域存在差异。多聚体分析和双质粒共转化实验进一步揭示，Ribo-M偶尔可翻译细胞自身mRNA，而携带不同编码序列的两种Ribo-M可在同一细胞内互不干扰地分别表达各自蛋白，验证了“一个核糖体–一种蛋白”的可行性。

最后，为了将编码、解码和肽链合成统一在同一RNA支架上，研究人员将mrRNA元件移植到亚基共价连接的Ribo-T中，构建了Ribo-TM。Ribo-TM(DFR)转化菌表现出显著的甲氧苄啶耐药性，且该耐药性可被小亚基（G530A）或大亚基（U2506A/U2585A）的失活突变所消除，也能被靶向任一亚基的抗生素抑制，证明Ribo-TM的编码ORF由其自身的共价连接双亚基进行顺式解码和肽链合成。尽管大亚基突变的影响相对较弱（因Ribo-T小亚基仍可偶联游离野生型50S亚基），但Ribo-TM总体上实现了在同一RNA分子上整合模板、解码和催化功能的概念性突破。

总之，该研究发现细菌核糖体能顺式翻译自身rRNA嵌合的蛋白编码序列，并通过Ribo-M和Ribo-TM系统将编码、解码和肽链合成统一在同一RNA支架上，为定制化蛋白正交生产提供了全新平台，也为RNA世界中“一个核糖体–一种蛋白”的翻译起源假说提供了实验依据。

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10962-1

制版人： 十一

参考文献

1. Shine, J. & Dalgarno, L. The 3′-terminal sequence of Escherichia coli 16S ribosomal RNA: complementarity to nonsense triplets and ribosome binding sites. Proc. Natl Acad. Sci. USA 71, 1342–1346 (1974).

2. Ishida, S., Ngo, P. H. T., Gundlach, A. & Ellington, A. Engineering ribosomal machinery for noncanonical amino acidincorporation. Chem. Rev. 124, 7712–7730 (2024).

3. Terasaka, N., Iwane, Y., Geiermann, A. S., Goto, Y. & Suga, H. Recent developments of engineered translational machineries for the incorporation of non-canonical amino acids into polypeptides. Int. J. Mol. Sci. 16, 6513–6531 (2015).

4. Wolf, Y. I. & Koonin, E. V. On the origin of the translation system and the genetic code in the RNA world by means of natural selection, exaptation, and subfunctionalization. Biol. Direct 2, 14 (2007).

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