我们的细胞含有数千种蛋白质，直到最近几年才被发现和研究：这些是已知蛋白质的变体，当细胞的蛋白质构建机制与同一段遗传密码发生不同的相互作用时，细胞就会产生这些蛋白质。这些蛋白质变体通常被忽视为基因表达的偶然事件，但包括怀特黑德研究所成员伊恩·奇斯曼在内的研究人员发现，它们实际上数量丰富，并且可以在细胞功能中发挥重要作用。

Cheeseman实验室的研究人员正在研究单个蛋白质变体，以更多地了解它们以及它们在健康和疾病中的作用，但他们也想了解蛋白质变体产生的更广泛模式：细胞如何控制何时制造一种蛋白质变体而不是另一种，以及这种转换的后果是什么?

奇斯曼也是麻省理工学院的生物学教授，他和实验室的研究生吉米·莱(JimmyLy)现在已经确定了细胞在有丝分裂过程中如何切换到不同的蛋白质变体生产模式。在《自然》杂志上发表的一项研究中，他们表明，这种广泛的调节转换有助于细胞在健康人身上有时会发生的细胞分裂暂停或由某些化疗治疗引发的细胞分裂暂停中存活下来。

这项研究证实，细胞会制造数千种蛋白质的变体，同时也表明细胞不会不加选择地制造变体。相反，细胞会使用精确的调节机制在不同的蛋白质变体生产模式之间切换，以便快速定制可用的蛋白质，以满足细胞不断变化的需求。

大量隐藏的蛋白质

我们的细胞怎么会含有未知蛋白质呢?在高中生物课上，学生们学习了这样的规则：每个基因只编码一种蛋白质，因此如果你知道一个生物体的遗传密码，你就应该知道它能制造的每种蛋白质。事实上，有许多基因编码多种蛋白质。

要制造蛋白质，首先要将其遗传密码从DNA复制到信使RNA(mRNA)。然后，核糖体(一种按照遗传密码中的指令构建蛋白质的细胞机器)通过扫描起始密码子(由三个碱基A、U和G组成的序列)来定位mRNA中的编码序列——碱基是RNA的化学构件，缩写为A、U、C和G。

核糖体将AUG起始密码子识别为开始执行指令的位置，并根据从那里到另一组称为终止密码子的碱基的基因序列构建蛋白质。然而，产生不同版本的蛋白质的一种方法是核糖体可以从多个不同的起点开始读取指令。

有时，核糖体可能会错过第一个AUG起始密码子，并跳转到基因代码中间的另一个AUG，从而产生截断版的蛋白质。有时，核糖体可能会将类似的三个碱基(如CUG或GUG)视为起始密码子。这可能导致它更早开始，从而基于扩展的基因序列产生蛋白质。这些可能性意味着细胞含有数千种不同的蛋白质或蛋白质变体，而不是一个基因一个蛋白质的教条所代表的。

为了了解蛋白质变体的产生，研究人员与怀特黑德研究所成员DavidBartel实验室的研究人员合作，使用一种方法仔细追踪核糖体，以比较核糖体倾向于使用哪些起始位点。他们研究了有丝分裂期间和细胞周期其余时间的起始位点选择，发现数千个起始位点的使用发生了巨大变化。

具体而言，研究人员发现，在有丝分裂期间，核糖体扫描变得更加严格。核糖体只会在AUG序列处开始制造蛋白质，即使如此，也只会在具有优选碱基序列(称为强Kozak背景)的AUG处开始制造蛋白质。这种增加的选择性并不总是导致在有丝分裂期间制造熟悉的蛋白质版本;有时第一个AUG起始密码子的Kozak背景较弱，因此截短的蛋白质由基因内具有较强Kozak背景的一个AUG起始密码子制造。

“在开始这个项目之前，我们对有丝分裂过程中的蛋白质生成知之甚少——长期以来，人们认为有丝分裂中根本不会产生多少蛋白质，”Ly说。“令人满意的是，我们不仅发现了有丝分裂正在发生，而且发现了蛋白质生成方式发生了转变——而且这种转变对细胞生存至关重要。”

细胞如何在蛋白质变体程序之间切换

研究人员接下来确定了在有丝分裂过程中如何启动向更高严格性的转换。他们发现，关键因素是一种名为eIF1的蛋白质，它是众多可与核糖体配对以帮助其选择起始位点的伙伴之一。具体而言，eIF1与核糖体的配对增加会导致核糖体在起始密码子选择方面更加严格，从而抑制非AUG起始位点或具有弱Kozak背景的位点的使用。

在有丝分裂期间，核糖体与eIF1的配对急剧增加，导致严格性发生变化。有丝分裂期间配对率的这种变化让研究人员感到困惑：核糖体及其伴侣(包括eIF1)通常都位于细胞主体中(核糖体制造蛋白质的地方)，因此它们应该能够随时自由配对。

研究人员在同一位置寻找其他分子，这些分子可能会改变核糖体和eIF1在细胞周期不同阶段的相互作用，但他们一无所获。最终，研究人员意识到这个谜题的答案在另一个位置：细胞核。

他们发现，细胞在细胞核内保持着大量的eIF1池，这些eIF1被锁在远离核糖体的环境中。然后，在细胞分裂过程中，细胞核壁溶解，将其内容物与细胞的其余部分混合。这对于分裂细胞分割其DNA是必要的，但它也会释放eIF1池与核糖体配对，从而增加严格性。在有丝分裂结束时，细胞核重新形成，eIF1重新整合到两个子细胞的细胞核中，细胞恢复到不那么严格的程序。

“有丝分裂期间eIF1与核糖体之间相互作用增强的原因确实让我们困惑不已，因此当我看到eIF1定位到细胞核时，那真是一个令人兴奋的‘啊哈’时刻，”Ly说。“发现有丝分裂期间这种核释放机制是意料之外的，思考细胞可能如何利用它很有趣。”

提高细胞严格性的影响

一旦研究人员了解了其中的“方式”，他们接下来就想了解其中的“原因”?他们发现，当细胞没有eIF1的核池，因此在有丝分裂期间不会发生严格性变化时，它们更有可能在有丝分裂期间死亡。

具体来说，这些细胞在有丝分裂停滞期间表现不佳，有丝分裂停滞是一种细胞在有丝分裂中停滞数小时甚至数天的状态——比典型的有丝分裂时间长得多。当细胞检测到可能的细胞分裂错误并因此停止分裂直到错误得到纠正或细胞死亡时，就会发生停滞。

有丝分裂期间增加的严格性产生的一个影响与线粒体有关，线粒体是许多细胞类型产生能量所必需的，因此是维持活力所必需的。陷入有丝分裂停滞的细胞需要能量来维持它们度过这一意外的延迟。研究人员发现，有丝分裂期间增加的严格性会导致重要线粒体蛋白质的产生增加，从而增加细胞的能量供应，使它们度过停滞期。

即使细胞还没有修复导致其分裂暂停的错误，增加的严格性也为细胞提供了逃避停滞所需的工具。在2023年发表于《自然》杂志的一篇论文中，Cheeseman和当时他实验室的博士后Mary-JaneTsang表明，当细胞积累了足够多的CDC20蛋白质的截短版本时，它们就可以逃避停滞。

Ly的研究进一步证实了这一点，他发现eIF1的核释放增加了细胞的严谨性，导致有丝分裂期间产生更多的截短型CDC20，这解释了细胞如何在有丝分裂期间积累足够的这种蛋白质变体以触发细胞逃逸。这些发现可能对某些癌症化疗策略具有重要的潜在意义。

一些化疗通过使癌细胞陷入有丝分裂停滞直至其死亡而起作用。Cheeseman、Tsang和Ly的研究共同表明，当癌细胞缺乏足够的截短型CDC20(如缺乏核eIF1时可能发生的情况)时，这些细胞无法逃脱停滞，因此被这些化疗杀死的几率更高。这些结果可用于提高抗有丝分裂化疗药物的疗效。

研究人员发现，蛋白质变体产生的转变影响了数千种蛋白质。这些新发现的蛋白质变体为实验室未来的许多项目奠定了基础。

研究人员继续研究有丝分裂期间这种严格性转换的后果，同时还在寻找细胞在有丝分裂之外调节蛋白质变体产生的其他情况。例如，研究人员对这种严格性转换如何影响生育力感兴趣;未成熟的卵细胞在没有完整细胞核的情况下长时间处于细胞分裂停滞状态，而Ly在未成熟雌性卵子的细胞核中观察到了eIF1。

“细胞具有控制轴，它们可以利用这些控制轴快速地对基因表达进行广泛的改变，”奇斯曼说。

“其中几个对于控制细胞分裂至关重要——例如，磷酸化作为有丝分裂中的调节开关的作用已经得到充分研究。我们的工作确定了另一个控制轴，我们很高兴能够发现更多关于细胞何时以及如何利用它的信息。”