早在 2018 年，紀(jì)念斯隆凱特琳癌癥中心 (MSK) 的醫(yī)學(xué)博士 Christine Mayr 的實(shí)驗(yàn)室就向世界介紹了一種一直隱藏在人們視線中的關(guān)鍵細(xì)胞成分。
現(xiàn)在，該實(shí)驗(yàn)室?guī)е谶@一發(fā)現(xiàn)的重要成果回來了。發(fā)表在《分子細(xì)胞》上的新發(fā)現(xiàn)提供了有關(guān)細(xì)胞質(zhì)隱藏組織的詳細(xì)信息——；細(xì)胞內(nèi)的液體、細(xì)胞器、蛋白質(zhì)和其他分子的湯。研究表明，信使 RNA (mRNA) 在細(xì)胞培養(yǎng)液中翻譯成蛋白質(zhì)的位置有很大差異。
“你知道古老的房地產(chǎn)說法，‘位置，位置，位置。’?事實(shí)證明，它也適用于蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的生成方式?！彼孤P特林研究所 (MSK 基礎(chǔ)和轉(zhuǎn)化研究中心) 的分子和細(xì)胞生物學(xué)家 Mayr 博士說道?！叭绻谶@里翻譯，你得到的蛋白質(zhì)是在那里翻譯的兩倍。”
她說，這項(xiàng)開創(chuàng)性的研究強(qiáng)調(diào)了細(xì)胞質(zhì)“美麗組織”的程度，而不僅僅是一堆東西。
研究人員指出，這些發(fā)現(xiàn)不僅為基礎(chǔ)細(xì)胞生物學(xué)提供了新的線索，而且還有望增加或改變 mRNA 疫苗和療法中蛋白質(zhì)的產(chǎn)生。
這項(xiàng)研究是由前實(shí)驗(yàn)室成員 Ellen Horste 博士領(lǐng)導(dǎo)的，Mayr 幾年前加入實(shí)驗(yàn)室時(shí)就任命她來參與這個(gè)艱巨但令人興奮的項(xiàng)目。Horste 博士于 6 月從 Gerstner Sloan Kettering 研究生院獲得博士學(xué)位，現(xiàn)在在一家基因治療公司工作。
當(dāng)我們開始時(shí)，我們很難為這個(gè)項(xiàng)目獲得資金。每個(gè)人都認(rèn)為隔離各個(gè)組件是完全不可能的。這確實(shí)是艾倫從進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的第一天到最后一天的項(xiàng)目。這非常具有挑戰(zhàn)性，我為她感到無比自豪?！?/p>
Christine Mayr 博士，醫(yī)學(xué)博士，哲學(xué)博士，紀(jì)念斯隆凱特琳癌癥中心
該團(tuán)隊(duì)采用了免疫學(xué)家常用的方法，能夠使用抗體對細(xì)胞內(nèi)的單個(gè)顆粒進(jìn)行顏色編碼，然后按顏色對它們進(jìn)行排序。他們使用 RNA 測序來識別哪些 RNA 與哪些顆粒相關(guān)。
“令人驚訝的是，在每個(gè)細(xì)胞內(nèi)區(qū)域中，都翻譯了非常不同類型的 mRNA，”Mayr 博士說。
細(xì)胞內(nèi)大多數(shù)眾所周知的組件都有明確的形狀，并包裹在外膜中：細(xì)胞核、線粒體、溶酶體、高爾基體。
邁爾團(tuán)隊(duì)研究的核心部分有兩個(gè)關(guān)鍵部件沒有膜：這就是為什么它們一開始就很難找到，并且在實(shí)驗(yàn)室中分離和研究也是一個(gè)挑戰(zhàn)。
生物學(xué)快速回顧：細(xì)胞使用 DNA 編碼的指令構(gòu)建蛋白質(zhì)。這些 DNA 序列在細(xì)胞核內(nèi)轉(zhuǎn)錄成 mRNA。然后這些信使 RNA 移動(dòng)到細(xì)胞質(zhì)中，在那里它們被翻譯成有用的蛋白質(zhì)。
這項(xiàng)新研究表明，這個(gè)翻譯步驟在細(xì)胞質(zhì)中發(fā)生的位置并不是隨機(jī)的，并且有一個(gè)潛在的邏輯或“代碼”將 mRNA 引導(dǎo)到細(xì)胞內(nèi)的特定區(qū)域。
“整個(gè)細(xì)胞質(zhì)被很好地劃分，”邁爾博士說。“我們能夠證明有一個(gè)代碼在起作用，該代碼基于 mRNA 的生物物理特征——它們的大小和形狀——以及它們與之合作的特定 RNA 結(jié)合蛋白。該代碼將 mRNA 引導(dǎo)到不同的位置進(jìn)行翻譯?！?/p>
研究細(xì)胞內(nèi) 3 個(gè)位置的翻譯
通過一系列艱苦的實(shí)驗(yàn)，研究小組能夠證明不同長度和形狀的 mRNA 往往會(huì)被吸引到特定的區(qū)域。如果你進(jìn)行干預(yù)，將它們重定向到不同的位置，就會(huì)對產(chǎn)生的蛋白質(zhì)的量和蛋白質(zhì)的功能產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
研究人員觀察了位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（參與蛋白質(zhì)合成和其他細(xì)胞功能的細(xì)胞器）表面的 mRNA。眾所周知，與細(xì)胞膜相關(guān)的蛋白質(zhì)以及由細(xì)胞分泌用于其他地方的蛋白質(zhì)都在那里翻譯。研究表明，近 15% 的編碼非膜蛋白的 mRNA 也在 ER 處翻譯；它們編碼大且高度表達(dá)的蛋白質(zhì)。
同時(shí)，在細(xì)胞質(zhì)（細(xì)胞質(zhì)的液體部分）中翻譯的 mRNA 往往是非常小的蛋白質(zhì)。
定位到 TIS 顆粒的 mRNA 往往是轉(zhuǎn)錄因子（調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì)）。TIS 顆粒是 Mayr 實(shí)驗(yàn)室于 2018 年發(fā)現(xiàn)的一種無膜細(xì)胞成分。它們形成相互連接的蛋白質(zhì)和 mRNA 網(wǎng)絡(luò)，并與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)緊密結(jié)合，形成 mRNA 和蛋白質(zhì)可以聚集和相互作用的獨(dú)特空間。
細(xì)胞的熒光顯微鏡圖像，TIS 顆粒顯示為紅色，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)顯示為綠色。中央黑色區(qū)域是細(xì)胞核。
破解密碼
破解 mRNA 如何定位到不同位置的密碼揭示了一些令人驚訝的發(fā)現(xiàn)。
五年前發(fā)現(xiàn) TIS 顆粒網(wǎng)絡(luò)后，該實(shí)驗(yàn)室將注意力轉(zhuǎn)向了解細(xì)胞中數(shù)千個(gè) mRNA 中的哪些位于此處，以及它們是否具有共同的特征。
研究小組將注意力集中在 mRNA 的一個(gè)通常不會(huì)引起太多關(guān)注的部分——；尾巴。它與 mRNA 的中間部分分開，其中包含構(gòu)建蛋白質(zhì)的指令?？茖W(xué)家將尾部稱為三個(gè)主要非翻譯區(qū) (3' UTR)，事實(shí)證明它對于定位過程至關(guān)重要。
“尾巴通常包含比實(shí)際用于制造蛋白質(zhì)的 RNA 部分更長的序列，”Mayr 博士說?！暗荛L一段時(shí)間以來，人們并沒有過多關(guān)注尾部區(qū)域，因?yàn)闆]有它們?nèi)匀豢梢灾圃斓鞍踪|(zhì)?！?（正如 Mayr 博士在 2019 年的一篇評論文章中概述的那樣，它們在其他方面也很重要。）
事實(shí)證明，尾巴對于與 RNA 結(jié)合蛋白配合至關(guān)重要，這樣 mRNA 才能一起到達(dá)細(xì)胞內(nèi)正確的翻譯區(qū)域。（RNA 結(jié)合蛋白是一種附著在 RNA 分子上的蛋白質(zhì)，可以調(diào)節(jié)其活性的各個(gè)方面。）
起初，研究小組認(rèn)為主要是這些 RNA 結(jié)合蛋白指導(dǎo)了這一行動(dòng)——；Mayr 博士說，引導(dǎo) mRNA 到達(dá)鄰域一、鄰域二，依此類推。
“但真正令人驚訝的發(fā)現(xiàn)是，RNA 結(jié)合蛋白實(shí)際上在此過程中發(fā)揮次要作用，而不是主要作用，”她說。
研究人員發(fā)現(xiàn)，默認(rèn)的 mRNA 排序是基于 mRNA 的整體大小和形狀。但與結(jié)合蛋白合作可以覆蓋這種默認(rèn)設(shè)置并重定向它們。
“我們的數(shù)據(jù)表明，如果你在 TIS 顆粒中翻譯 mRNA，生成的蛋白質(zhì)將執(zhí)行一種功能，而如果你在 TIS 顆粒之外翻譯它，它將執(zhí)行不同的功能，”她說。“這就是在像我們這樣的高等生物體中，一種蛋白質(zhì)可以具有多種功能的原因?！?/p>
面向未來的應(yīng)用
研究小組在研究過程中檢查的一種特定蛋白質(zhì)是 MYC。MYC 基因是最著名的癌基因之一，MYC 的突變是許多癌癥發(fā)生的基礎(chǔ)。
“我們觀察到，一些 MYC 蛋白復(fù)合物僅在 MYC mRNA 在顆粒中翻譯時(shí)形成，而不是在細(xì)胞質(zhì)中翻譯時(shí)形成，”Mayr 博士說?！拔覀兊慕Y(jié)果表明，即使只有大約 20% 的 mRNA 在 TIS 顆粒中進(jìn)行翻譯，這些區(qū)域也具有重要的生物學(xué)相關(guān)性?！?/p>
她補(bǔ)充說，總的來說，這些見解表明 mRNA 可以有針對性地實(shí)現(xiàn)不同的功能，并改變產(chǎn)生的蛋白質(zhì)的數(shù)量。
“因此，我們希望未來我們可以通過或多或少地制造某種特定因子，并通過操縱其功能來制造更智能的藥物，”邁爾博士說?！斑@可能不會(huì)在未來五年內(nèi)發(fā)生，但我們正在為此鋪平道路?！?/p>
