给蛋白质生产线加个“监工”
时间：2015年03月30日 01:14:59点击：1016类别：资讯分享
在你阅读这段文字的几分钟内，你的身体正在一刻不停地进行着“生产”。每个时刻，都有不同的蛋白质新鲜出炉，为有机体行使着自己的职能。尽管从DNA到信使RNA（mRNA）再到蛋白质的一般“生产流程”已经为人所熟知，但某一蛋白质具体在什么时间和位置被表达，则仍是科学家们难以看清的谜团。
然而，瑞士巴赛尔大学一个研究小组开发的技术，让“监视”蛋白质生产线的细节成为了可能。“在细胞生理过程中，mRNA在细胞质中被翻译成蛋白质的时间和位置十分重要。我们所开发的技术使得人们能够以单个分子的分辨率观察这一反应的过程。”研究的通讯作者，巴塞尔大学教授杰弗里·卡奥（Jeffrey A. Chao）说。这项惊人的技术被发表在《科学》上。
蛋白质诞生的直接环节是核糖体“翻译”mRNA的过程。开始时，负责翻译的核糖体会慢吞吞地挪动到mRNA旁边，识别翻译的起始位置，再靠上去准备干活。在翻译的过程中，如果遇到了其他结合在mRNA上的其他蛋白，核糖体会像家里来了推销员一样，试图愤怒地把它赶走，然后继续完成翻译，最后在识别到停止信号——终止子之后，功成身退。
为了监视蛋白质的翻译进程，研究人员在mRNA终止子前方加上一段茎环序列——这个发夹状的序列能够结合带有细胞核定位信号的绿色荧光蛋白（GFP）。而在终止子后面，研究人员则加上一段序列，使之可以结合带有细胞核定位信号的红色荧光蛋白（RFP）。这两种荧光标记的存在仿佛给mRNA加上了一个“信号发射器”，信号灯的颜色和发光位置向研究人员汇报着目标的信息。
这种方法技术路线示意图。当核糖体（黑色团块）将终止子（UGA）前方结合在mRNA上的绿色荧光标记“赶走”时，荧光信号会从原来的黄色变为红色，以此区分目标mRNA的翻译状态。图片来源：研究论文
当慢条斯理的核糖体还没有开工时，红色和绿色荧光蛋白还都“坚守岗位”，整个细胞呈现温暖而和谐的黄色。而随着翻译过程的深入，绿色荧光蛋白被专心生产的核糖体“踢走”，只好无奈地于红色荧光蛋白分离——此时，细胞内红色就变成了主色调。这个由黄变红的过程，是这个设计中用于检测翻译开始进行的指标。如果用药物抑制了细胞的翻译过程，则细胞的颜色一直会停留在黄色。
“在整个研究过程中，我们面对的最大挑战是如何说服自己‘这一技术是可行的’。最初，我们尝试在mRNA序列上插入可被翻译的茎环序列时遭遇了失败。”卡奥对科学人说，“在这样的情况下，选择放弃实验是很容易的事。但我们知道，核糖体在实际运作中一定会遇到其他碰巧挂在RNA编码区的结合蛋白，而且必须把它们赶走。因此我们决定继续尝试。”
可幸他们的锲而不舍并没有白费。最终，这项技术成功被运用在果蝇身上。他们将用来挂上“信号发射器”的报告序列融合在果蝇的Oskar基因上，成功在果蝇的卵母细胞中观察到了该基因所对应的mRNA在什么时候什么地点开始翻译。
这还只是开始。这项技术一旦渐趋成熟，将有着非常广泛的应用。“我认为运用这一技术探究脑部基因的表达情况是非常令人兴奋的。每一条神经都与其他的神经有着千丝万缕的联系，相互进行着信号的传输。（在不同的时段），每条神经都将可能会经历激活或抑制的过程。然而这一现象背后基因表达调控的机制还不清楚。”但利用卡奥和同事建立的技术，这些秘密将可能在科研人员的“监视”下逐一被解构。
谈及下一步计划，卡奥博士表示：“我们目前对细胞质中信使核蛋白颗粒（注：mRNP，即在翻译开始前结合在mRNA上，随着翻译过程进行而被核糖体“赶走”的那些蛋白）对基因表达的调控很感兴趣。细胞质的结构在不同条件下千变万化，神经退行、癌症和病毒感染都会造成不同的状况，其中mRNA具体被如何调控还不清楚。我们希望在单分子层面上的研究能够帮助人们更多地了解它们的功能。”
参考文献：
- Halstead, James M., et al. "An RNA biosensor for imaging the first round of translation from single cells to living animals." Science 347.6228 (2015): 1367-1671.
文章题图：研究论文
楼主镇平狗太装逼
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