Nature | Polysome profiling应用：核糖体的“自产自销”——翻译写在自己基因里的蛋白质

细胞内的蛋白质合成依赖于核糖体与mRNA之间的随机碰撞，这种机制限制了翻译机器在生产单一蛋白质时的优化效率。在合成生物学领域，为了生产含有非天然氨基酸或特殊序列的定制蛋白质，往往需要对核糖体进行改造。

然而，为新功能改造核糖体通常会削弱其翻译细胞内正常蛋白质组的能力，从而导致细胞死亡等致命表型。为了解决这一矛盾，早期分子生物学曾提出过“一个核糖体对应一种蛋白质”的假说，设想每个核糖体的核糖体RNA中携带独立的编码序列。

尽管这种方法取得了一定进展，但它仍然依赖于mRNA与核糖体的随机碰撞，不可避免地受到野生型核糖体与特化核糖体之间竞争的限制。此外，在探讨生命起源的RNA世界假说中，早期翻译系统如何在成分稀缺且组织不良的情况下可靠地运作，也一直是一个长期悬而未决的重大科学问题。

2026年9月2日，美国伊利诺大学Alexander S.Mankin团队在Nature上发表了题为“Rewiring the ribosome to translate proteins encoded in its own RNA”的研究论文。该研究首次证明了细菌核糖体能够翻译编码在其自身rRNA中的蛋白质，成功构建了将编码、解码和肽合成功能集于单一RNA支架的核糖体（Ribo-M和Ribo-TM）。

文章索引

【标题】Rewiring the ribosome to translate proteins encoded in its own RNA

【发表期刊】Nature

【发表日期】2026年9月2日

【作者及团队】美国伊利诺大学Alexander S.Mankin团队

【IF】48.5

研究结果

一、设计并筛选出能翻译自身RNA的Ribo-M核糖体

研究人员设计了将蛋白质编码序列通过核糖体结合位点模拟接头连接到小亚基16S rRNA上的嵌合mrRNA文库。

通过在大肠杆菌中进行抗生素抗性筛选，成功鉴定出能够在顺式作用下稳健表达靶标荧光蛋白的嵌合核糖体Ribo-M。

二、mrRNA能够支持完整的30S亚基组装

通过Polysome profiling多聚核糖体分析与Northern blot检测，作者证实了全长未剪切的16S–GFP嵌合分子稳定存在于胞内并掺入到功能性30S亚基和70S核糖体单体中。

逆转录引物延伸实验显示该嵌合RNA正确延伸越过了连接区，且保留了成熟16S rRNA关键位点A1518与A1519的双甲基化修饰，表明其能正常指导小亚基折叠成熟。

三、Ribo-M能够准确表达多种不同的蛋白质并实现共表达

研究证实Ribo-M能在细胞内稳健表达抗性蛋白及发光肽段，且其准确度与野生型无显著差异。

同时在单一细胞内共转染编码不同多肽的两个Ribo-M质粒，证明它们能相互独立地并行表达目的蛋白且无交叉干扰。

四、mrRNA编码的蛋白质由Ribo-M以顺式特异性翻译

通过在mrRNA的16S rRNA部分引入破坏30S亚基功能的突变，研究发现这会完全消除目标蛋白的表达，证明翻译是由组装在mrRNA上的Ribo-M而非野生型核糖体完成的。

此外，通过亲和纯化停滞在翻译过程中的核糖体复合物，发现其中绝大多数为Ribo-M，进一步确证了其顺式翻译机制。

五、Ribo-M在无细胞体外翻译系统中同样具备功能

研究人员利用生物素化寡核苷酸亲和纯化技术，从细胞中分离出高纯度的Ribo-M。

将纯化的Ribo-M加入缺乏野生型核糖体和外源mRNA的体外无细胞翻译系统中，发现其足以独立完成mrRNA编码蛋白的合成，且该过程对大观霉素敏感。

六、带有蛋白质编码RNA的系链核糖体

研究将蛋白编码序列移植到大小亚基已被完全共价连接的拴系核糖体Ribo-T上，成功构建出集编码、解码与肽链合成于一体的Ribo-TM系统。

向Ribo-TM的大亚基或小亚基引入失活突变均会显著降低特定蛋白产出，展示了单分子RNA骨架支持完整翻译循环的生物学潜能。

总结

本研究成功构建了能够翻译自身RNA编码蛋白质的嵌合核糖体，在概念上验证了将遗传信息编码与翻译机器整合为一体的可行性。这不仅为合成生物学中正交翻译系统的开发提供了全新的优化平台，也为探索早期生命演化中翻译机器的起源提供了重要的实验依据。