两篇Science文章发布基因表达研究壮举

来自科罗拉多州立大学的生物化学家们实现了一个前所未有的壮举，拍摄了活细胞RNA翻译——核糖体编码蛋白质的这一基本细胞过程的电影。在同一期的Science杂志上，爱因斯坦艾伯特医学院的Robert Singer还发表了一篇姊妹论文，描述采用不同的方法取得了类似的壮举。Science杂志选择了同时重点介绍这些互补性的研究发现。

　　

生物通报道   大多数的高中生都会背诵分子生物学中心法则：DNA生成RNA，然后生成了蛋白质。我们都知道它。但我们看到过它吗？

当然，研究人员已实时量化了它的一个组成部分，基因表达的第一步——DNA转录。但要在生命系统中看到第二步——遗传密码翻译成蛋白质则要难得多，直到现在我们一直无法做到。

来自科罗拉多州立大学的生物化学家们实现了一个前所未有的壮举，拍摄了活细胞RNA翻译——核糖体编码蛋白质的这一基本细胞过程的电影。

在Francis Crick首次描述RNA翻译60年后，科罗拉多州立大学的科学家们在单个活细胞中阐明了基因表达的这一最后步骤。他们的工具包括了一些精巧的蛋白质工程技术，和一台定制的显微镜可以纳米级精度显示单个RNA的翻译。

领导这一突破性成果的是自然科学学院生物化学与分子生物学系助理教授Tim Stasevich，研究论文发布在5月5日的《科学》（Science）杂志上。论文的第一作者是助理研究员Tatsuya Morisaki，他研制出了显微镜并完成了这些实验。

在同一期的Science杂志上，爱因斯坦艾伯特医学院的Robert Singer还发表了一篇姊妹论文，描述采用不同的方法取得了类似的壮举。Science杂志选择了同时重点介绍这些互补性的研究发现。

Stasevich说：“从来没有人曾经成像过正在产生的蛋白质。这是开启和关闭基因的一个关键步骤，翻译水平上的基因调控与许多的疾病相关。这是一个大问题，由于不能成像这一事件，我们一直无法认识哪里出了错。人们曾在体外，但没有在活细胞中做过这件事。”

蛋白质执行大多数的细胞功能，是我们活着的原因，而RNA生成蛋白质。那么为什么如此难以看到翻译的发生呢？这因为蛋白质需要时间来成熟及进行折叠，最先进的蛋白质研究技术由于太慢，而无法捕获到蛋白质生命的最早期阶段。甚至用获得2008年诺贝尔奖的研究发现——绿色荧光蛋白来标记RNA也要很长的时间。“当荧光亮起时，翻译早结束了，”Stasevich解释说。

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为了解决这一问题，研究人员编码蛋白质具有一些受体位点，这就像是一把锁。他们让实验活细胞表达了一种简单的荧光抗体片段——开锁的钥匙。细胞中一旦发生翻译，钥匙进入锁中，蛋白质就会变绿。新生的蛋白质仍然附着在它的信使RNA上，研究人员可以看到并记录所发生的一切。通过利用不同的生物化学标记，他们可以成像各种蛋白质的RNA翻译，各自通过不同的颜色可以进行辨别。

标记过程是一回事，如何捕获它是另一回事。科罗拉多州立大学的研究人员利用了他们的定制显微镜，他们以一种单速自行车命名这种显微镜为Fixie。利用一些无法移动的元件和两台高度敏感的摄像机，他们的系统可以同时以两种颜色成像RNA和蛋白质。他们的显微镜是基于共同作者、霍华德休斯医学研究所Brian English一种类似的设计。

通过他们的实验，研究人员分享了其他的一些见解：包括在活细胞中通过翻译蛋白质以每秒10个氨基酸的速度延伸。他们还证实，多核糖体（polysome）是球形而非细长形。最后，他们发现多核糖体有时彼此互作，甚至当它们在编码完全独立的蛋白质时。

能够成像RNA翻译为基本认识遗传机器提供了新深度，这涉及到从疾病力学到为何一些蛋白质很容易折叠和解折叠等一切的事物。例如，病毒太小没有自己的翻译机器，翻译被描述为是病毒和宿主之间的战场。“成像病毒如何劫持我们的翻译机器将会很有趣，”Stasevich说。

此外，像癌症一类的疾病几乎总是与一个以上的基因相关，这些基因总是彼此相互交谈。研究人员希望能够更深入地查看基因网络来了解它们共同发挥作用的机制，及最终如何阻止它们功能失常。

长期以来，相比于基因组和转录组的研究，由于实验及分析手段的局限，对mRNA翻译组学的研究一直比较滞后。2016年4月4日，清华大学生命学院杨雪瑞研究组在Nature Communications杂志发表研究论文，详细介绍了一种针对全基因组核糖体分析（ribosome profiling）数据的分析方法，Xtail，用于在组学水平对基因的翻译差异进行准确、定量的评估（清华大学杨雪瑞研究组Nature子刊报道基因翻译新分析方法 ）。

N6-methyladenosine（m6A）是mRNA编码区域最丰富的转录后修饰，但人们一直不清楚这种修饰在翻译过程中起到了怎样的作用。斯坦福大学医学院的研究团队日前发现，mRNA中的m6A会干扰tRNA选择和翻译延伸动态。这项研究发表在2016年一月十一日的Nature Structural & Molecular Biology杂志上（Nature子刊揭示RNA甲基化对翻译的影响 ）。

来自约翰霍普金斯大学的研究人员说，他们发现在所有细胞中负责构建蛋白质的分子机器——核糖体有时候甚至会在信使RNA的非翻译区内合成蛋白质，这对长期以来为人们所接受的生物学理论提出了意外的挑战。在发表于2015年8月13日的Cell杂志上（Cell惊人发现改写生物学教科书）。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文索引：

"Real-time quantification of single RNA translation dynamics in living cells" Science, science.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/science.aaf0899

Translation dynamics of single mRNAs in live cells and neurons.Science  05 May 2016:DOI: 10.1126/science.aaf1084