阿爾伯特愛(ài)因斯坦醫(yī)學(xué)院的科學(xué)家們首次開(kāi)發(fā)出一種技術(shù)，使他們能夠“看到”單個(gè)分子的信使RNA，因?yàn)樗鼈儽晦D(zhuǎn)化為活的哺乳動(dòng)物細(xì)胞中的蛋白質(zhì)。今天在線發(fā)表在“ 科學(xué)”雜志上的最新研究結(jié)果使用了這項(xiàng)可能揭示神經(jīng)系統(tǒng)疾病和癌癥的技術(shù)。

“翻譯是將mRNA信息轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)的基本生物學(xué)過(guò)程，”該論文的資深作者，解剖學(xué)與結(jié)構(gòu)生物學(xué)聯(lián)合主席，愛(ài)因斯坦Gruss Lipper生物光子學(xué)中心聯(lián)合主任Robert Singer博士說(shuō)。“我們從全基因組研究中了解到，翻譯控制細(xì)胞中的蛋白質(zhì)豐度 - 對(duì)細(xì)胞實(shí)現(xiàn)的每一個(gè)功能都非常重要。使用這項(xiàng)技術(shù)，我們終于可以了解翻譯是如何被調(diào)節(jié)的，并獲得對(duì)翻譯時(shí)出現(xiàn)的疾病的重要見(jiàn)解。故障“。辛格博士還在愛(ài)因斯坦擔(dān)任Harold和Muriel Block解剖與結(jié)構(gòu)生物學(xué)主席。

當(dāng)基因DNA中編碼的蛋白質(zhì)信息轉(zhuǎn)錄成信使RNA(mRNA)分子時(shí)，我們細(xì)胞產(chǎn)生的數(shù)千種不同蛋白質(zhì)的產(chǎn)生始于細(xì)胞核。這些mRNA分子離開(kāi)細(xì)胞核并遷移到細(xì)胞質(zhì)的特定區(qū)域。在下一步，稱(chēng)為翻譯，mRNA分子與稱(chēng)為核糖體的分子結(jié)構(gòu)相連。使用mRNA作為其藍(lán)圖，核糖體通過(guò)一次一個(gè)地連接氨基酸來(lái)產(chǎn)生蛋白質(zhì)。研究人員可以使用愛(ài)因斯坦技術(shù)在細(xì)胞質(zhì)到達(dá)目的地時(shí)實(shí)時(shí)跟蹤單個(gè)mRNA分子，然后觀察核糖體產(chǎn)生的蛋白質(zhì)。

愛(ài)因斯坦科學(xué)家觀察了兩種細(xì)胞中單個(gè)mRNA分子的翻譯：人類(lèi)癌癥(骨肉瘤)細(xì)胞和小鼠神經(jīng)元。科學(xué)家在神經(jīng)元中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)令人驚訝的發(fā)現(xiàn)，其中發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)的mRNA翻譯發(fā)生在“爆發(fā)”中 - 這是一種前所未有的現(xiàn)象。

“神經(jīng)元必須非常密切地控制蛋白質(zhì)合成，因?yàn)樯窠?jīng)傳遞依賴(lài)于在正確的位置合成適量的蛋白質(zhì)：突觸，神經(jīng)元形成電路，”辛格博士說(shuō)。“爆發(fā)活動(dòng)爆發(fā)可能是神經(jīng)元控制蛋白質(zhì)產(chǎn)生量和位置的最佳方式 - 神經(jīng)系統(tǒng)疾病可能是由于神經(jīng)元無(wú)法控制爆發(fā)所致。因此，我們的研究結(jié)果可能會(huì)對(duì)脆性X綜合癥等智力障礙產(chǎn)生影響。這似乎涉及過(guò)多的蛋白質(zhì)生成，可能還有神經(jīng)退行性疾病，如阿爾茨海默氏癥，其中β-淀粉樣蛋白團(tuán)塊可能阻斷神經(jīng)元到突觸的神經(jīng)元信號(hào)傳導(dǎo)。“

當(dāng)研究人員研究癌細(xì)胞中的mRNA翻譯時(shí)，發(fā)生了另一個(gè)驚人的觀察結(jié)果。與神經(jīng)元相反，癌細(xì)胞顯示出顯著的無(wú)法調(diào)節(jié)mRNA的翻譯。相反，mRNA翻譯在這些細(xì)胞中是連續(xù)的過(guò)程。由于蛋白質(zhì)在控制細(xì)胞分裂中起著至關(guān)重要的作用，因此某些蛋白質(zhì)的不受控制的翻譯可能導(dǎo)致某些類(lèi)型的癌癥。

“憑借我們的技術(shù)，研究人員現(xiàn)在可以在以前從未有過(guò)的基本水平上研究引起疾病的蛋白質(zhì)畸變，”辛格博士說(shuō)。

觀察單個(gè)mRNA分子翻譯的愛(ài)因斯坦技術(shù)主要由研究的主要作者，解剖學(xué)和結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究助理教授Bin Wu博士開(kāi)發(fā)。它涉及兩個(gè)挑戰(zhàn)：可視化單個(gè)mRNA分子以及從mRNA翻譯的單個(gè)蛋白質(zhì)分子。在1998年發(fā)表于Molecular Cell的研究中，辛格博士的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)成為第一個(gè)成功觀察活細(xì)胞中單個(gè)mRNA分子的實(shí)驗(yàn)室，因此吳博士在這里采用了這種技術(shù)。

對(duì)于編碼蛋白質(zhì)肌動(dòng)蛋白的mRNA，他添加了編碼紅色熒光蛋白的mRNA以及“膜靶向序列”mRNA，這有助于mRNA分子進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(ER) - 一種膜狀細(xì)胞結(jié)構(gòu)，即蛋白質(zhì)合成的主要焦點(diǎn)，并在整個(gè)細(xì)胞中運(yùn)輸?shù)鞍踪|(zhì)和脂質(zhì)。通過(guò)將這種mRNA包裝到用于感染它們的逆轉(zhuǎn)錄病毒中，將該包裝插入細(xì)胞中。當(dāng)mRNA分子向ER擴(kuò)散時(shí)，每個(gè)都合成了一個(gè)“新生肽”，將其連接到ER-之后，認(rèn)真開(kāi)始翻譯。

接下來(lái)，他解決了第二個(gè)挑戰(zhàn)，即尋找一種方法可視化mRNA翻譯后出生的單個(gè)蛋白質(zhì)。在這里，吳博士使用了最近發(fā)表的技術(shù)，其中與綠色熒光蛋白融合的遺傳編碼的單鏈抗體識(shí)別新形成的蛋白質(zhì)并與其結(jié)合，使蛋白質(zhì)可見(jiàn)。雖然這項(xiàng)第一??項(xiàng)研究著眼于神經(jīng)元和癌細(xì)胞中單個(gè)mRNA分子的翻譯，但該技術(shù)可能可用于研究任何類(lèi)型細(xì)胞的翻譯。