《自然》和《科学》同期文章：华人科学家首次观测到单个蛋白翻译过程

　　

生物通报道：来自哈佛大学医学院化学生物学系的谢晓亮教授（Xiaoliang Sunney Xie）研究小组分别在3月16日和3月17日新鲜出炉的Nature和Science杂志报道了不同的方法观测到活体细胞中单个蛋白分子翻译合成的过程，这将有可能将基因表达分析工作的灵敏度提高到远远超过当前方法所能达到的水平。

从我们开始接触到分子生物学，中心法则就告诉我们：遗传信息是通过DNA转录传递给RNA，然后再翻译成蛋白质的，但是实际上虽然研究人员已经能够从单个分子水平上追踪到mRNA转录过程，但是还并未在活体细胞中单分子水上观测到蛋白翻译的过程。这主要是因为通过对活细胞细胞质中散布的蛋白进行荧光标记得到的信号有可能不能从整个细胞的自身荧光背景（autofluorescence）中分离出来，也就是说信噪比低导致结果不准确。

在Science的这篇文章中，谢等人介绍了他们如何解决这个问题：将一个荧光报告基因（黄色的荧光蛋白Venus）融合到一个膜蛋白（狂犬病膜蛋白Tsr）上，这样这个荧光信号就能固定在一处，并且保持发光度一段时间。然后研究人员在这个融合蛋白前加入E.coli的Lac启动子，通常会有一个抑制因子阻止其表达，但是偶然这个抑制因子会随机的从这段DNA上脱离下来，从而就能转录出mRNA，翻译成荧光融合蛋白。每一次产生一个融合蛋白分子，研究人员就能观测到这个蛋白在细胞内闪闪发光，为了能实时监控这个过程，研究人员利用了延时动态影像技术（time-lapse movies）。这样通过60个融合蛋白翻译的过程，谢等人发现lac抑制因子每脱离DNA片段一次，只有一条mRNA转录出来，随着一阵短时间蛋白合成脉冲，得到了每次不同数目的蛋白分子。这个蛋白数目的变化是符合指数递减规律的——上个世纪80年代得出的一个理论，但至今并未得到实验证据。 

在Nature杂志以“Stochastic protein expression in individual cells at the single molecule level”为题的文章中，谢等人则是以β-半乳糖苷酶作为间接的报告基因来完成荧光监测的。由于β-半乳糖苷酶水解底物释放出来的荧光分子会通过大肠杆菌细胞表面很快的被排出去，因此造成观测无法进行。研究人员为了解决这个问题利用了微流室(microfluidic chambers）捕捉E.coli细胞阻止荧光分子完全释放出去，通过将这种微流室固定在一个显微镜下，研究人员观测到了单个β-半乳糖苷酶的翻译过程。同样这个过程也说明了蛋白分子是脉冲式表达的，每个脉冲中分子的分布可以被测定出来以指示基因表达水平，后者可在不同条件下进行比较。研究人员也在酵母和小鼠细胞中进行了低量蛋白表达的观测，证实了这一结论。

以上这两篇文章分别采用了不同的方法：利用微流室控制细胞有利于同时观测到不同细胞基因动态情况（通过同时比较几个微流室）；利用融合蛋白则能直接的拍摄到蛋白翻译和运动的过程。谢教授认为这两种方法都可以作为今后研究基因（蛋白）运动的工具，但也指出这只适合于低拷贝的蛋白（包括许多转录因子），然而这些方法仍然为我们动态的了解基因（蛋白）提供了有利的帮助。（生物通编辑：张迪）

原文：
Science Vol. 311. no. 5767, pp. 1600 - 1603
Probing Gene Expression in Live Cells, One Protein Molecule at a Time 
Ji Yu, Jie Xiao, Xiaojia Ren, Kaiqin Lao,X. Sunney Xie

Nature 440, 358-362 (16 March 2006) | doi:10.1038/nature04599; Received 12 September 2005
Stochastic protein expression in individual cells at the single molecule level
Long Cai, Nir Friedman and X. Sunney Xie