科学家查明完整组织和单细胞中数千种蛋白质的生成位置

对于研究蛋白质如何导致人类疾病的研究人员来说，准确了解蛋白质在细胞和组织内的生成位置可以帮助他们了解蛋白质在疾病中的作用并提出新的治疗方法。

现在，麻省理工学院以及麻省理工学院和哈佛大学博德研究所的研究人员开发了RIBOmap，这种技术可以让他们精确定位和可视化完整组织甚至单个细胞内产生的数千种蛋白质的精确位置。巨大的RIBOmap读数中的每个彩色点代表一个mRNA分子，因为它被用来产生相应的蛋白质——这一过程称为翻译。

今天在《科学》杂志上描述的这种方法为科学家提供了一种了解有关单个细胞类型内如何调节翻译以及疾病中翻译如何变化的新细节的方法。论文中，研究小组利用RIBOmap研究了小鼠脑组织中5000多个基因的翻译。他们发现了几种细胞类型中mRNA的产生位置和相应蛋白质的翻译位置之间的关键差异，这表明细胞以分析mRNA生成的现有转录组学方法无法检测到的方式调节翻译。

“RIBOmap可以以前所未有的分辨率揭示翻译中的空间模式，”布罗德研究所核心成员、默金研究所研究员、麻省理工学院化学助理教授王晓说道。“当我们使用RIBOmap观察组织内的单个细胞时，我们可以开始发现不同的细胞类型如何以不同的方式调节翻译。”

翻译组学工具

王和她的实验室认识到科学家需要专注于翻译的新工具。研究人员经常使用mRNA水平作为蛋白质水平的代表。一般来说，细胞内mRNA分子的增加会提高相应蛋白质的水平。然而，这并不总是很强的相关性：例如，与短寿命mRNA分子的翻译相比，持久的mRNA可能会一遍又一遍地翻译成蛋白质，从而导致蛋白质水平更高。细胞还调节翻译速率——例如，癌细胞通常会进行翻译，产生比健康细胞更多的蛋白质，即使它们的mRNA水平相似。

为了开发RIBOmap，该团队首先使用了一种名为STARmap的技术，Wang和同事之前开发了该技术，用于可视化完整组织内mRNA分子的空间组织。RIBOmap与STARmap一样，使用与组织和单细胞中特定mRNA序列结合的分子探针。每个探针都包含一个独特的条形码，使研究人员能够识别每个mRNA分子。通过使用共焦显微镜分析组织样本中原位测序反应产生的荧光信号，该团队可以绘制每个mRNA的位置图。虽然STARmap探针可以照亮任何mRNA分子，但RIBOmap探针只能附着在也与核糖体(执行翻译的细胞机器)结合的mRNA分子上。

“这意味着我们看到的只是积极用于生产蛋白质的RNA，”这篇新论文的共同第一作者、王实验室的研究生JingyiRen说。“这是非常强大的信息，因为我们可以开始得出关于在任何给定时间和地点哪些RNA实际上被翻译成蛋白质的结论。”

为了测试RIBOmap的实用性，研究小组使用它来绘制小鼠大脑中表达的5,413个基因产生蛋白质的位置。对于某些基因，他们发现STARmap显示了高水平的相应mRNA，但RIBOmap显示mRNA在大脑的某些区域没有被积极翻译。这表明这些区域的细胞正在抑制蛋白质的翻译。在神经元中，Wang和她的同事发现RIBOmap可以生成如此高分辨率的数据，以至于他们甚至可以分辨单个神经元(中央细胞体或长的分支神经突和相关突触)内的某些蛋白质正在生成。

“我们认为这种方法可以很容易地应用于大脑以外的组织，”该论文的共同第一作者、博士后曾胡(HuZeng)和研究生黄家豪(JiahaoHuang)都在王的实验室说。“因为不需要对细胞进行基因操作，这也意味着我们可以轻松地将其应用于分离的人体组织，而不仅仅是动物模型。”

未来，研究人员设想使用RIBOmap来比较健康组织和患病组织，或了解药物如何影响不同细胞类型或组织区域内的蛋白质产生。他们还计划使用该技术来研究细胞用于调整翻译水平的基本机制。