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在細胞內部的神奇結構：多核糖體如何改變我們對基因表達的理解？
在細胞生物學中，多核糖體（polyribosome）或稱為多聚核糖體，是由多個核糖體與一條信使RNA（mRNA）鏈結合而成的結構。這些核糖體如同“珠子”串在一條“線”上，協同作用以將mRNA指令轉譯成多肽。這一概念最初在1963年被稱為“ergosomes”，後來被科學家進一步詳細描述。隨著科學技術的發展，我們對多核糖體的結構和功能有了更深刻的理解，並且開始探討其在基因表達過程中的重要性。
多核糖體的形成解釋了細胞中mRNA的有限豐富性。
多核糖體的結構在原核生物與真核生物之間有所不同，甚至還可以根據細胞類型的不同而變化。通常在轉譯延長階段，核糖體與延伸因子一起合成編碼的多肽，形成一個多核糖體結構，這也解釋了為何在基因表達的監控中，多核糖體的活性常被用來衡量基因表達的程度。
多核糖體的結構
透過電子顯微鏡技術，例如染色、金屬陰影和超薄細胞切片，我們能夠初步確定多核糖體的結構。隨著冷凍電子顯微鏡技術的發展，現在可以得到更高分辨率的圖像，使得多核糖體的結構建模更加準確。各種形式的多核糖體軌跡可能反映mRNA翻譯的多樣性。研究發現，多核糖體的形態比率顯示，經過多輪翻譯後，以圓形和鋸齒形的結構為主，而長時間的翻譯則導致更密集的3D螺旋性多核糖體的形成。
原核生物與真核生物的多核糖體
在細菌的多核糖體中，已發現其具有雙行結構，且核糖體之間的接觸主要透過小亞基產生。這些結構通常呈現“波浪形”或3D螺旋的形態。在“波浪形”路徑中，小亞基之間有兩種接觸模式。而在3D螺旋路徑中，僅觀察到“上對上”的接觸。儘管古細菌中也發現了多核糖體，但它們的結構仍然鮮為人知。 在真核生物中，原位研究顯示其多核糖體呈線性排列，包括密集的3D螺旋和平面雙排多核糖體。值得注意的是，真核生物的3D多核糖體顯示出四個核糖體每完整轉動一圈的左手密堆結構，這樣的結構可以作為翻譯的調控因子，尤其在肉瘤細胞中尤為明顯。
無細胞系統中的多核糖體
在體外研究中，原子力顯微鏡的應用顯示，圓形的真核多核糖體可由自由的聚腺苷酸（polyA）mRNA與啟動因子eIF4E和PABP的結合而形成。這種蛋白質複合體促進了mRNA的“頂端到頂端”相互作用，但這並不是唯一的圓環化方式。其他類型的mRNA，例如沒有5'帽和3'聚腺苷酸尾的mRNA，或是僅有5'帽而無3'聚腺苷酸尾的mRNA，也能成功形成拓撲圓的多核糖體。 此外，與膜相連的多核糖體受到限制，形成的二維空間使得核糖體的接觸造成圓形的配置，核糖體沿著mRNA排列，使得進出位點形成平滑的通道。
多核糖體剖析技術
多核糖體剖析是一種使用環己酰胺來抑制翻譯的技術，並通過蔗糖梯度來分離細胞提取物。與免費mRNA相比，與核糖體結合的mRNA的移動速度更快，而多核糖體結合的mRNA又比與核糖體結合的mRNA移動得更快。通過測定梯度中的總蛋白質，可以揭示多個對應的mRNA峰，這些mRNA與增加數量的核糖體相關聯。這項技術被最優化應用於培養細胞和組織，可以用來追蹤特定mRNA的翻譯狀態，以及測量核糖體的密度。
例如，對小囊泡病毒（VSV）在哺乳細胞中的影響進行的研究中，利用多核糖體剖析揭示，宿主mRNA與病毒mRNA在多核糖體上的競爭，導致宿主mRNA的翻譯下降，而病毒mRNA的翻譯得以提升。
隨著我們對多核糖體結構及其在基因表達中角色的理解加深，這些神奇的細胞結構將如何挑戰我們現有的生物學觀念？
