NCB | Ribo-seq应用：mRNA和核糖体丰度的等比例调节主导真核细胞生长

细胞生长构成了几乎所有真核生物生理学的基础，但控制其过程的定量原则目前仍不清楚。细胞会根据周围环境的营养可用性不断地去调整自身的生物合成能力。

这种生理协调的一个显著标志是核糖体丰度会随着生长速度的加快而增加，该现象已在包括细菌和酵母在内的众多不同物种中被观察到。针对大肠杆菌开发出的精美定量模型将细胞生长描述为一个质量作用过程，在该过程中氨酰tRNA会与结合了mRNA的核糖体发生随机碰撞。

通过平衡分配给新陈代谢和翻译过程的蛋白质组比例，上述模型能够成功预测核糖体含量、活性核糖体比例以及肽链延伸速度如何随生长速率发生变化。尽管这些为大肠杆菌构建的定量模型已被证明非常有用，但其中几乎没有专门针对细菌独有生理特征的内容，这就引出了同样的基本原则是否也适用于真核生物这一关键问题。

2026年8月25日，斯坦福大学Jan M. Skotheim团队在Nature Cell Biology期刊上发表了题为“The proportional scaling of mRNA and ribosome concentrations controls eukaryotic cell growth”的研究论文。该研究通过单分子追踪、加标RNA测序及定量蛋白质组学，揭示了酿酒酵母通过协调增加mRNA和核糖体浓度来加速生长，同时保持肽链延伸速率恒定。

文章索引

【标题】The proportional scaling of mRNA and ribosome concentrations controls eukaryotic cell growth

【发表期刊】Nature Cell Biology

【发表日期】2026年8月25日

【作者及团队】斯坦福大学Jan M. Skotheim团队

【IF】19.1

研究结果

一、活跃翻译核糖体的比例随生长速率增加而增加

研究人员利用单分子追踪技术（SMT）来测量酿酒酵母中核糖体的扩散系数，从而直接量化活细胞内结合mRNA的Active ribosomes活跃核糖体比例。

结合Polysome profiling多聚核糖体分析，结果表明随着生长速率的增加，蛋白质组中活跃核糖体的比例成正比增加，而失活核糖体的比例略有下降。

二、全局肽链延伸速率与生长速率无关

通过计算不同碳源条件下的翻译动力学参数，研究发现无论生长速率如何变化，核糖体的平均肽链延伸速率始终保持在每秒约9个氨基酸的恒定水平。

Ribo-seq核糖体印迹分析进一步验证了不同基因的翻译效率在各种环境条件下基本保持稳定。

三、快速生长期间tRNA处于过量状态

为了探究延伸速率为何保持恒定，研究利用RT-qPCR测量了tRNA浓度，发现其与Active ribosomes活跃核糖体浓度成正比增加。

通过外源控制系统大幅降低eEF1A的表达以减少可用氨酰tRNA复合物后，细胞生长速率和肽链延伸速率均未受影响，说明营养充足环境下tRNA处于过量状态。

四、全局mRNA浓度随生长速率增加而升高

研究人员对在具有不同生长速率的四种碳源中生长的酵母进行了掺入式RNA测序。

结果显示全局mRNA浓度随着生长速率的增加而单调上升，且特定蛋白质的相对浓度主要由其对应的mRNA相对浓度决定。

五、全局mRNA浓度随生长速率增加

通过SLAM-seq测定全转录组mRNA降解率，发现不同生长条件下mRNA降解率变化很小，表明总mRNA浓度升高由转录活动驱动。

结合数学模型和SMT技术证实，快速生长条件下总mRNA浓度的增加是由RNAP II浓度升高和结合DNA的RNAP II比例增加共同驱动的。

六、游离核糖体与mRNA的质量作用动力学决定细胞生长

基于质量作用动力学构建的mRNA-核糖体动态平衡模型仅凭单个自由参数就准确预测了不同环境下的活跃核糖体比例。

利用可诱导启动子降低RNAP II表达从而减少总mRNA浓度的实验证实，mRNA浓度降低会如同模型预测般显著减少活跃核糖体的比例。

七、酵母细胞通过协调mRNA和核糖体来调节生长速率

研究证实细胞通过严格维持恒定的核糖体与mRNA比例来控制生长速率，并在G1期停滞的酵母细胞中成功预测了生长速率随mRNA浓度稀释的衰减趋势。

此外，通过诱导型降解Dcp2瞬时抑制mRNA降解从而提高mRNA浓度的实验，证实了单纯提高mRNA浓度也能短暂提升细胞生长速率。

总结

该研究揭示了真核细胞通过协调缩放mRNA和核糖体丰度来控制生长速率的普适性原理。该研究不仅推翻了关于肽链延伸速率随生长增加的传统观点，还建立了一个基于质量作用动力学的定量框架，为理解真核生物的生物合成调控提供了重要范式。