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在细胞内部的神奇结构：多核糖体如何改变我们对基因表达的理解？
在细胞生物学中，多核糖体（polyribosome）或称为多聚核糖体，是由多个核糖体与一条信使RNA（mRNA）链结合而成的结构。这些核糖体如同“珠子”串在一条“线”上，协同作用以将mRNA指令转译成多肽。这一概念最初在1963年被称为“ergosomes”，后来被科学家进一步详细描述。随着科学技术的发展，我们对多核糖体的结构和功能有了更深刻的理解，并且开始探讨其在基因表达过程中的重要性。
多核糖体的形成解释了细胞中mRNA的有限丰富性。
多核糖体的结构在原核生物与真核生物之间有所不同，甚至还可以根据细胞类型的不同而变化。通常在转译延长阶段，核糖体与延伸因子一起合成编码的多肽，形成一个多核糖体结构，这也解释了为何在基因表达的监控中，多核糖体的活性常被用来衡量基因表达的程度。
多核糖体的结构
透过电子显微镜技术，例如染色、金属阴影和超薄细胞切片，我们能够初步确定多核糖体的结构。随着冷冻电子显微镜技术的发展，现在可以得到更高分辨率的图像，使得多核糖体的结构建模更加准确。各种形式的多核糖体轨迹可能反映mRNA翻译的多样性。研究发现，多核糖体的形态比率显示，经过多轮翻译后，以圆形和锯齿形的结构为主，而长时间的翻译则导致更密集的3D螺旋性多核糖体的形成。
原核生物与真核生物的多核糖体
在细菌的多核糖体中，已发现其具有双行结构，且核糖体之间的接触主要透过小亚基产生。这些结构通常呈现“波浪形”或3D螺旋的形态。在“波浪形”路径中，小亚基之间有两种接触模式。而在3D螺旋路径中，仅观察到“上对上”的接触。尽管古细菌中也发现了多核糖体，但它们的结构仍然鲜为人知。 在真核生物中，原位研究显示其多核糖体呈线性排列，包括密集的3D螺旋和平面双排多核糖体。值得注意的是，真核生物的3D多核糖体显示出四个核糖体每完整转动一圈的左手密堆结构，这样的结构可以作为翻译的调控因子，尤其在肉瘤细胞中尤为明显。
无细胞系统中的多核糖体
在体外研究中，原子力显微镜的应用显示，圆形的真核多核糖体可由自由的聚腺苷酸（polyA）mRNA与启动因子eIF4E和PABP的结合而形成。这种蛋白质复合体促进了mRNA的“顶端到顶端”相互作用，但这并不是唯一的圆环化方式。其他类型的mRNA，例如没有5'帽和3'聚腺苷酸尾的mRNA，或是仅有5'帽而无3'聚腺苷酸尾的mRNA，也能成功形成拓扑圆的多核糖体。 此外，与膜相连的多核糖体受到限制，形成的二维空间使得核糖体的接触造成圆形的配置，核糖体沿着mRNA排列，使得进出位点形成平滑的通道。
多核糖体剖析技术
多核糖体剖析是一种使用环己酰胺来抑制翻译的技术，并通过蔗糖梯度来分离细胞提取物。与免费mRNA相比，与核糖体结合的mRNA的移动速度更快，而多核糖体结合的mRNA又比与核糖体结合的mRNA移动得更快。通过测定梯度中的总蛋白质，可以揭示多个对应的mRNA峰，这些mRNA与增加数量的核糖体相关联。这项技术被最优化应用于培养细胞和组织，可以用来追踪特定mRNA的翻译状态，以及测量核糖体的密度。
例如，对小囊泡病毒（VSV）在哺乳细胞中的影响进行的研究中，利用多核糖体剖析揭示，宿主mRNA与病毒mRNA在多核糖体上的竞争，导致宿主mRNA的翻译下降，而病毒mRNA的翻译得以提升。
随着我们对多核糖体结构及其在基因表达中角色的理解加深，这些神奇的细胞结构将如何挑战我们现有的生物学观念？
