Nature：首次绘制脑细胞的蛋白质生成图谱

大脑的一切功能，从记忆形成到运动协调，都依赖于其细胞在正确的时间产生正确的蛋白质。不过，直接测定不同类型脑细胞的蛋白质合成，始终是个挑战。

近日，斯克里普斯研究所与加州大学圣地亚哥分校的科学家们开发出一种技术，可以揭示单个脑细胞正在生成哪些蛋白质。

研究团队利用一种名为Ribo-STAMP的方法，首次绘制出小鼠海马体中近2万个细胞的蛋白质生成图谱。这项研究成果于2月18日发表在《Nature》杂志上。

共同通讯作者、斯克里普斯研究所副教授Giordano Lippi表示：“这让我们从一个全新角度观察海马体，并从中获得了许多令人兴奋的新发现。这类基础性工作对于最终了解脑部疾病的发病机制至关重要。”

众所周知，在所有细胞中，DNA首先被转录成mRNA。随后，该遗传密码被翻译成蛋白质——这些分子执行着大多数细胞功能。科学家通常测定RNA水平来推测细胞内正在合成的蛋白质。

不过在脑细胞中，mRNA与蛋白质水平之间存在明显的脱节。mRNA通常不会迅速转化为蛋白质，而是储存在神经元细长的臂状结构中，随时待命。

加州大学圣地亚哥分校的Gene Yeo教授表示：“尽管单细胞转录组学领域已扩展到各种组织、病症和疾病，但测定单个细胞中的mRNA翻译过程一直很困难。我们开发出这项技术，希望它能带来更全面的图像。”

Yeo领导的团队此前开发了Ribo-STAMP技术，可直接测定细胞中的蛋白质合成。该方法将RNA编辑酶与核糖体蛋白融合。当核糖体将每条mRNA分子翻译成蛋白质时，该酶会对RNA链进行核苷酸修饰。科学家随后可利用标准的RNA测序方法来确定哪些RNA发生了改变。

在这项新研究中，Yeo与Lippi合作首次将Ribo-STAMP技术应用于大脑。他们将重点放在广泛研究的海马体上。不过，当他们测定小鼠海马体中近2万个细胞的翻译活动时，他们观察到了一些意想不到的模式。

最令人惊讶的发现来自对CA1和CA3锥体细胞的比较，这两种神经元对记忆至关重要。尽管它们在记忆回路中扮演着相似的角色，但CA3神经元的蛋白质合成率远高于CA1神经元。这些结果表明锥体细胞之间的相似性远低于先前的预期。

这项研究还揭示了由同一基因产生的转录异构体如何影响对应蛋白质的产量。研究人员发现在海马体神经元中，具有较长调控区域的异构体往往以更高的速率翻译成蛋白质。深入理解这种关联有助于阐明mRNA转录本的变化如何导致疾病。

“之前的研究表明，异构体表达的变化与神经系统疾病密切相关，但其背后的机制仍不清楚，” Lippi说。“我们的研究表明，如果细胞偏好某种异构体，实际上可能会改变蛋白质水平。”

研究人员还发现，单个神经元可处于“高”和“低”翻译状态，这两种状态产生蛋白质的速率截然不同。当神经元处于高翻译状态时，它们倾向于合成参与神经元间通讯和能量产生的蛋白质，这暗示翻译状态或许能区分活跃与静默的神经元。

Yeo指出，这份关于大脑“翻译组”的数据集仅仅是开始，它将帮助我们更好地了解健康的脑细胞如何协调蛋白质的生产，以及这对疾病来说意味着什么。