Science：开发出RIBOmap技术，可确定完整组织甚至单个细胞中产生的数千个蛋白的精确位置

对于研究蛋白如何导致人类疾病的科学家们来说，准确了解蛋白在细胞和组织内产生的位置可以帮助他们了解它们在疾病中的作用并提出新的治疗方法。

如今，在一项新的研究中，来自美国麻省理工学院和布罗德研究所的研究人员开发出了RIBOmap技术，该技术使他们能够准确定位和可视化观察在完整组织甚至单个细胞中产生的数千个蛋白的精确位置。在庞大的RIBOmap读数中的每一个彩色点代表一个mRNA分子，因为它正在被用来产生相应的蛋白---这一过程被称为翻译。相关研究结果发表在2023年6月30日的Science期刊上，论文标题为“Spatially resolved single-cell translatomics at molecular resolution”。

这种方法为科学家们提供了一种方法，以了解单个细胞类型内的翻译是如何被调节的，以及这种调节在疾病中是如何改变的新细节。在这篇论文中，这些作者使用RIBOmap研究了小鼠脑组织中5000多个基因的翻译。他们发现在几种细胞类型中，mRNA的制造地点和相应蛋白的翻译地点之间存在关键差异，这表明细胞以现有转录组学方法（分析mRNA的产生）无法检测的方式调节翻译。

论文通讯作者、麻省理工学院化学助理教授Xiao Wang说，“RIBOmap能以前所未有的分辨率揭示翻译的空间模式。当我们使用RIBOmap来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是如何以不同的方式调节翻译的。”

用于翻译组学（translatomics）的工具

Wang和她的实验室认识到，科学家们需要专注于翻译的新工具。人们经常使用mRNA的水平来表征蛋白水平；一般来说，细胞内mRNA分子的增加会促进相应蛋白的水平。然而，这并不总是一种强烈的关联：例如，一个长期存在的mRNA可能被反复翻译成蛋白，与从一个短期存在的mRNA分子翻译相比，导致所产生得蛋白的水平高得多。细胞也会调节翻译的速度---例如，癌细胞经常提高翻译，产生比健康细胞更多的蛋白，即使它们的mRNA水平相似。

为了开发RIBOmap，这些作者从一种叫做STARmap的技术开始，Wang和他的同事们之前建立了这种技术，用于可视化观察完整组织内的mRNA分子的空间分布。RIBOmap和STARmap一样，使用分子探针，与组织和单个细胞中的特定mRNA序列结合。每个分子探针都包含一个独特的条形码，使得他们能够识别每个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，他们可以绘制出每个mRNA的位置。虽然STARmap探针可以照亮任何mRNA分子，但RIBOmap探针只附着于也与核糖体---进行翻译的细胞机器---结合的mRNA分子。

论文共同第一作者、Wang实验室研究生Jingyi Ren说，“这意味着我们只观察到正在积极用于产生蛋白的mRNA。这是一个非常强大的信息，因为我们可以开始得出结论，哪些mRNA在任何给定的时间和地点实际上被翻译成蛋白。”

运行RIBOmap

为了测试RIBOmap的实用性，这些作者用它来绘制小鼠大脑中表达的5413个基因的蛋白产生位置。对于一些基因，他们发现STARmap显示相应的mRNA水平很高，但RIBOmap显示这些mRNA在大脑的一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的翻译。在神经元中，Wang和她的同事们发现RIBOmap产生了如此高分辨率的数据，他们甚至可以知道在单个神经元---具有位于中间的胞体、较长的具有分支的神经突以及突触---中，某些蛋白在哪里被制造。

RIBOmap检测完整脑组织细胞的胞体(蓝色)和突起(红色)中的局部翻译。图片来自Science, 2023, doi:10.1126/science.add3067。

论文共同第一作者、Wang实验室博士后Hu Zeng说，“我们认为这种方法可以很容易地应用于大脑以外的组织。因为不需要对细胞进行遗传操作，这也意味着我们可以很容易地将它应用于分离的人体组织，而不仅仅是动物模型。”

在未来，这些作者设想使用RIBOmap来比较健康和疾病的组织，或者观察药物如何影响不同细胞类型或组织区域内的蛋白产生。他们还计划使用该技术来研究细胞用来调整翻译水平的基本机制。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1. Hu Zeng et al. Spatially resolved single-cell translatomics at molecular resolution. Science, 2023, doi:10.1126/science.add3067.

2. Scientists pinpoint where thousands of individual proteins are made in intact tissue and single cells
https://phys.org/news/2023-06-scientists-thousands-individual-proteins-intact.html