40年来，为破译大而复杂的核糖体结构曾遇到许多阻力。但是，现在有四个研究组提出了自己的看法，从而振奋了该领域内的每个人——

不时地，一位担任小角色和侍应流行音乐演奏而奋斗多年的女演员，突然发现她已一夜成名。改变来自她担任了关键角色，终于显示出她的才华。在分子世界里，类似的欢乐命运也降临到核糖体身上——它是细胞生存所必需的传递基因信息到所有蛋白质里的微粒。

40年来，为把核糖体完整的分子结构揭示给世人，研究者们的艰苦努力遇到许多困难。现在，核糖体的分子结构终于初次亮相了。

其实，核糖体本身要为其长期的晦涩难解负责。它有54个蛋白质缠结和3条RNA链，其结构的错综复杂，使查明它的每一个步骤都需要X—射线结晶学。然而，1999年8月《自然》杂志刊登了盐湖城犹他大学文基·拉马克里斯南(Venki Ramakrishnan) 研究组公布的两个较小的亚微粒子结构，它们共同组成一个完整的核糖体；与此同时，耶鲁大学的彼得·穆尔(Peter Moore)和托马斯·施泰茨(Thomas Steitz)研究组描绘了较大的亚单位结构(《科学》杂志1999年8月)；埃达·约纳思(Ada Yonath)和她在以色列里霍沃特的韦茨曼科学研究所和德国汉堡的马克斯普朗克研究单位的同事们也说，虽然其研究结果还未公布，他们已经解决了较小亚单位结构；而第4个由桑塔克鲁兹加利福尼亚大学(UCSC) 的哈里·诺勒(Harry Noller)领导的研究组报告了完整的核糖体结构。

核糖体结构的首次亮相只用了几个月，而在幕后的情节发展，却花费了数十年的时间。其间约纳思的顽强奋斗取得许多进展，只是最近才有其他人加入竞争，因而激起了对真正高分辨率的核糖体及其亚单位图像进行首次猛烈的冲刺。因为该图像还不十分完整。

单个亚单位结构的分辨率在4.5～5.5埃之间，它能显示出核糖体和亚单位的全部排列，却不能显示出个别的原子。诺勒完整的核糖体的结构分辨率较低，为7.8埃，也没有指出两个亚单位如何相互作用的细节。此外，UCSC 的研究组也有核糖体连结信使RNA (mRNA)的三维图像，mRNA载有蛋白质合成需要的基因信息，还连结着转运RNA (tRNA)， 它们是以氨基酸、蛋白质构筑材料去供应核糖体的那类分子。

穆尔说：“毫无疑问， 能看到两个亚单位在一起很重要。如果需要看到蛋白质合成如何发生，整个核糖体的低分辨图就非常有意义。”瑞典伦德大学的结晶学家安德斯·利尔杰斯(Anders Liljas)的述评指出：核糖体研究者现在能清楚地看到核糖体的功能中心。这样他们就能更好地把他们蛋白质合成机制的观点和真实情况加以对照。

破土动工

虽然3个研究组先于约纳思刊登出他们的核糖体构造，他们和其他人都相信她所建立起来的方法。纽约哥伦比亚大学的结构生物学家韦恩·亨德里克森(Wayne Hendrickson)说：“她 证明了这件事能够办到”——结晶学家们曾经怀疑过。约纳思在70年代末开始研究时，核糖体结晶看来似乎太大和太易变化，而且要用X—射线的衍射来研究。

为了信念，她坚持了数10年。约纳思用确定一个“初始因子”的结构作为开始。这是一种由临时结合在核糖体上的、有助于跳跃启动产生蛋白质的蛋白质。但是，即使如此，也很难为研究其结构而提纯出足够数量的单体蛋白质。1978年， 约纳思遭受了进一步的挫折。后来，她作为一名访问教授到了柏林。她的目标以及她的运气——却有了变化：她在柏林马克斯普朗克研究所分子遗传学部的实验室的冰箱里，发现了一个结晶学家的金矿——大量由以前试验剩下的高度提纯的核糖体。她征得所长海因茨·冈特·威特曼(Heinz Cunter Wittmann)的同意，将其作为结晶之用。

即使如此，利用当时的技术，进行芽孢杆菌核糖体亚单位的结晶程序，来取得稍大的小结晶或者是50S，试验不同的分辨率，就花费了好几个月。为取得第一幅模糊不清的X—射线结晶学图像又花费了一年多的时间。但是，在1980年的会议上，当她把研究结果给同行们看时，人们都在嘲笑她。只有少数关键人物信任她。

其中，一位是韦特曼，另一位是约翰·肯德鲁爵士(John Kendrew)， 他是X—射线的诺贝尔奖获得者，当时任欧洲分子生物实验室主任。他帮助约纳思，保证为其研究继续取得X—射线衍射的射束时间，而不顾失败的高度风险。1981年，约纳思提出足够完整的芽孢杆菌50S业单位的晶体，在其仿射图中，能够区分原子之间彼此小于3埃的距离——享德里克森称其为“极为关键的”成就。因为其分辨率几乎能识别结构中所有的原子。

但是，取得的分辨率仍然难于验证，因为需要更加稳定的晶体，才能在X—射线中坚持足够长的时间，以便收集充分的数据去解释核糖体结构。几年之后，她获得一些进展。其一，从死海微生物Haloarculamarismtui取得的核糖体，证明比从芽孢杆菌中取得的核糖体更加稳定和更适于X—射线的研究；其二，她和戴维斯加利福尼亚大学的结晶学家海康·霍普(Hakon Hope)一道，改进了霍普用于核糖体的超冷却技术，使晶体在X—射线中的时间得以延长。这是一项关键性的改进。犹他大学的拉马克里斯南说：“她是首批认识到利用低温冷却(冰冻)晶体取得数据者之一，她应该得到许多荣誉。”现在，这项技术在大分子结晶学中已被普遍应用。

有了较为稳定的晶体在手，下一步就要解决如何为衍射图分段制作特定的标识，这是了解图像意义的第一步。结晶学典型的方法是用重原子掺入晶体(有了更多的电子)，就可以使其在电子—密度图上，像灯塔样地突出。 但是，由于核糖体太大，而且布满电子。约纳思就需要有比单个原子所能提供的更为密集的电子，所以她决定用重原子团加以替代。虽然有了这样的改进，1995 年在英国维克多里亚召开的国际核糖体学会会议上，她提供的50S亚单位报告又失败了。

齐头并进

80年代在艾恩柯泰恩之后，开始了一场竞争。

1983年俄罗斯普什奇诺蛋白质研究所的格尔拉纳·Zh·尤苏波娃和马拉特一尤苏波夫开始了核糖体晶体的研究。1987 年，他们从栖热细菌中制出较小的305亚单位的核糖体结晶。但是，尤苏波夫说：“在俄罗斯不可能解忻其[结构]。”因为他们缺乏X—射线光束。

1989年，苏联解体，尤苏波夫便和法国斯特拉斯鲍格大学的迪诺·莫拉斯(Dino Moras)合作，制出一个比原来衍射得更好的新的晶体。后来，由于90年代早期的资金短缺，这项研究陷入困境。1996年， 尤苏波夫带着他的晶体转移到加利福尼亚和UCSC的诺勒一道研究。

诺勒是在他对各种RNA化合物编序和描绘时开始对核糖体感兴趣的，至今已有20年了。当时，要直接测定全部结构是不可能的。他的研究组就开发了生物化学的处理方法，用来确定个别的核糖体蛋白质在何处与RNAs相连接。90 年代中期，诺勒的尝试失败了。他便吸收了结晶学家杰米·凯特(Jamaie Cate)参加研究，后者正好完成了简单的RNA结构的解释工作。

在桑塔克鲁茲，尤苏波夫夫妇改进了提纯程序。尤苏波娃找到了附着小片的tRNA或者mRNA的核糖体结晶——逐渐变好的晶体以及带有其他RNAs核糖体的复合物，证明比单独的核糖体更加稳定。正当晶体得到改进的时候，研究组却被这最好的研究方法难住了。

诺勒的研究组使用从尤苏波夫处得到的晶体，增加了对衍射图意义的认识。首先，他们重组了从低温电子显微镜中得到的分辨率较低的结构图像，成像之前样本冻结在玻璃状的冰中；然后，采用一种被称为多波长异常色散技术，使X—射线衍射通过含有重原子团的核糖体结晶，精制出图像。这些重原子团改进了定相信息，使研究者便于把单个重原子插入其他的晶体。

由于晶体和同步加速器设备二者改善所供应的X—射线，对研究者的帮助超过了他们的期望。诺勒的合作者，加利福尼亚劳伦斯伯克利国家实验室的托马斯·欧内斯特(Thomas Eamest)说：“我认为只要晶体达到12~15埃，就很重要。”至今，该研究组已经解析到7.8埃的结构。

任重道远

像诺特一样，耶鲁的穆尔在核糖体领域中已研究多年了。他和耶鲁的合作者唐纳德·恩格尔曼(Donald Engelman)花费了10年的时间用散射中子通过亚单位的晶体，寻找30S亚单位中所有蛋白质的相关位置，这是一种比X—射线结晶学取得信息粗略一点的结构技术。诺特说那仍然是“一项里程碑式的研究"。然而，到了90年代早期研究工作就开始停滞了。

1994年，耶鲁的生物结构学家斯泰茨(Steitz) 聘请了曾经研究过病毒结晶的尼纳德·班恩( Nenad Ban)。虽然，约纳思和尤苏波夫二者的研究，曾经证明过核糖体能够产生高质量的晶体，耶鲁研究组决定用约纳思取得最佳晶体的方法来生产50S晶体。但是和约纳思一样，他们也被绊住了。班恩说：“我们已经使每一种有效的方法延伸到了极限。”他们在“孪晶”问题上遇到特殊的困难，在两个镜像晶体结构类型中，只看到一个晶体，结果便产生了混乱的衍射图像。又用了两年时间，他们才找到问题症结所在。1998 年6月22日的《细胞》杂志上，他们描绘出9埃分辨率的结构，论证了重原子能够用来解决核糖体结构。然后，他们继续改进他们的数据和分析技术，最后达到了5埃的分辨率。

在此期间内，另一位长期从事核糖体的研究者拉马克里斯南，也开始走向起跑线。1978~ 1982年之间，他曾和穆尔共同研究过中子散射问题。开始时，他在长岛布鲁克海文国家实验室工作，后来到盐湖城犹他大学，协助解决大约半打单个核糖体蛋白质结构。此时，他更加热切地期望解决30S亚单位的结构，因为30S亚单位具有接受和拒绝连续负载氨基酸进入蛋白质的tRNA的决定作用。

后来，他又越过大西洋到英国剑桥分子生物学医学研究委员会的实验室，负责对约纳思馈赠的尚无人真正研究过的30S亚单位的最佳晶体，进行稳步地研究。

1999年6月在丹麦举行的国际核糖体会议上，他的博士后研究生布赖恩·温伯利(BianWimbedy)报告说，他不仅很快地辨明了电子密度图中的关键标界，而且还能通过亚单位探索RNA的部分途径。

约纳思也在会上陈述了她的30S研究情况，但是，这次低分辨率的结果和拉马克里斯南等人的结果相比较，就逊色多了。

实际上，每个人都知道核糖体的竞赛并未结束。斯特兹说在目前分辨率的水平上，“生物化学对该(结构)的影响，较之我们所要求的要小。”最根本的目标还是提高分辨率，才能揭露出核糖体组分之间的相互作用，从而提供结构如何进行蛋白质的合成作用情况。

例如，约纳思在方向上已经采取步骤。1999 年8月在英国格拉斯哥召开的国际结晶学学会第18届会议上，她提出了30S亚单位4.5埃结构的材料。她说：“制作者仿制成了功能性的位置。”利尔杰斯说这个结构“太使人激动了”。因为制作者们揭示了mRNA在何处与亚单位挂钩，提供出比现在已公布的更为清晰的核糖体图像。

但是，结晶学家们指出，即使提出了所期望的原子分辨率的结构，也不能揭示出蛋白质合成时有关核糖体作用的情况。诺勒说，结构生物学家们提供的图像，只是一些“快照”。核糖体实际上是沿着mRNA移动的机器，一直在运输从tRNA运来的氨基酸，并且加速增长蛋白与肽的结合。诺勒说，已经提出来的解释全是些想象，“我们真正需要的是一部影片。”

这就意味着要求记录下核糖体在每个步骤中的全部图像。虽然制作适用于X—射线衍射研究用的所有核糖体类型的晶体特别困难，但是利用冷电子显微镜或许有可能，它只要求正常冰冻的不同类型。只是它所提供的用X—射线结晶学方法得到的三维原子分辨图还不很清晰。

要制作出“一部影片”是今后长远的事。研究者们仍然期盼从新近推出的、即使是缺乏细节的原子分辨率结构中获益。班恩说：“许多能够正确观察相互关系的生物化学论据，对研究核糖体的人来说，只是些奇谈怪论。

[ Science，1999年9月]