母體信使RNA(mRNA)位于未成熟卵子的細(xì)胞質(zhì)中，對(duì)啟動(dòng)發(fā)育至關(guān)重要。受精后，這些mRNA被傳遞到受精卵，即第一個(gè)新形成的細(xì)胞。
它們是從母體DNA遺傳密碼中讀取的，是早期發(fā)育所必需的蛋白質(zhì)生產(chǎn)的唯一模板，直到受精卵自身的基因變得活躍并接管。
許多母體mRNA儲(chǔ)存在核糖核蛋白(RNP)顆粒中，這是一種無膜區(qū)室或凝聚物，位于卵子和發(fā)育中的胚胎內(nèi)。
人們認(rèn)為這些顆粒會(huì)將mRNA保持在“暫停”狀態(tài)，直到卵細(xì)胞受精后需要編碼的蛋白質(zhì)進(jìn)行特定的發(fā)育過程。然后，某些發(fā)育信號(hào)開始發(fā)出指令，指示RNP顆粒釋放儲(chǔ)存的mRNA，這樣指令就可以轉(zhuǎn)化為功能性蛋白質(zhì)。
一種稱為生殖顆粒的RNP顆粒存在于胚胎生殖質(zhì)中，生殖質(zhì)是產(chǎn)生生殖細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)區(qū)域，生殖細(xì)胞會(huì)變成成年果蠅的卵子或精子。懷特黑德研究所所長(zhǎng)RuthLehmann研究生殖細(xì)胞如何形成并將其遺傳信息傳遞到后代。她的實(shí)驗(yàn)室特別感興趣的是了解胚胎中的生殖顆粒如何定位和調(diào)節(jié)母體mRNA。
現(xiàn)在，Lehmann與研究生RuoyuChen及其同事發(fā)現(xiàn)，果蠅(Drosophilamelanogaster)生殖顆粒的作用不僅限于保護(hù)母體mRNA。
他們的研究成果于7月4日發(fā)表在《自然細(xì)胞生物學(xué)》雜志上，證明生殖顆粒在翻譯或?qū)⒁环N特定的母體mRNA(稱為nanos)制成蛋白質(zhì)方面也發(fā)揮著積極作用，這種mRNA對(duì)于指定生殖細(xì)胞和生物體的腹部至關(guān)重要。
陳教授說：“傳統(tǒng)上，科學(xué)家認(rèn)為RNP顆粒是翻譯的死區(qū)。但通過高分辨率成像，我們挑戰(zhàn)了這一觀點(diǎn)，并表明這些顆粒的表面實(shí)際上是納米mRNA翻譯的平臺(tái)。”
RNP顆粒充當(dāng)保險(xiǎn)庫
在發(fā)育中的胚胎中，各種決定命運(yùn)的蛋白質(zhì)決定了細(xì)胞在完全成型的身體中是否會(huì)發(fā)育成肌肉、神經(jīng)或皮膚細(xì)胞。Nanos是一種在果蠅和人類中具有保守功能的基因，它指導(dǎo)Nanos蛋白質(zhì)的產(chǎn)生，而Nanos蛋白質(zhì)則指導(dǎo)細(xì)胞發(fā)育成生殖細(xì)胞。Nanos基因突變會(huì)導(dǎo)致動(dòng)物不育。
在早期胚胎發(fā)育過程中，Nanos蛋白還有助于確定果蠅胚胎的身體結(jié)構(gòu)——它指定后端或腹部區(qū)域，并引導(dǎo)組織沿著身體長(zhǎng)度從頭到尾有序發(fā)育。在Nanos功能受損的胚胎中，后果是致命的。
“當(dāng)Nanos蛋白無法正常發(fā)揮作用時(shí)，果蠅胚胎會(huì)非常短，”陳說。“這是因?yàn)榕咛]有腹部，而腹部基本上只占身體的一半。Nanos還有第二種功能，從果蠅到人類都保留了下來。這種功能非常局部，可以指示含有大量Nanos的細(xì)胞成為生殖細(xì)胞。”
鑒于Nanos的重要作用，胚胎必須保護(hù)其產(chǎn)生的指令，直到胚胎達(dá)到特定的發(fā)育階段，即確定后部區(qū)域的時(shí)候。先前的研究表明，生殖質(zhì)和生殖細(xì)胞中的生殖顆粒可以起到穹頂?shù)淖饔?，保護(hù)nanosmRNA免于降解或過早翻譯。
然而，盡管構(gòu)建蛋白質(zhì)的mRNA指令遍布整個(gè)胚胎，但Nanos蛋白質(zhì)僅存在于胚芽顆粒所在的區(qū)域。由于一種名為Smaug的調(diào)節(jié)蛋白的存在，mRNA無法在胚胎的其他地方進(jìn)行翻譯。Smaug以JRRTolkien1937年的小說《霍比特人》中描述的金龍命名。
斯毛戈與mRNA的非蛋白質(zhì)編碼片段(稱為3'非翻譯區(qū)(3'UTR))結(jié)合，延伸到蛋白質(zhì)編碼序列之外，從而有效抑制翻譯過程。
對(duì)于Lehmann、Chen和他們的同事來說，這暗示了nanosmRNA和生殖顆粒之間的一種有趣的關(guān)系。這些顆粒對(duì)于將nanosmRNA翻譯成功能性蛋白質(zhì)是否必不可少?如果是，它們的作用主要是作為逃避Smaug抑制的安全場(chǎng)所，還是它們也積極促進(jìn)nanosmRNA的翻譯?
Oskar介導(dǎo)Smaug定位和nanosmRNA的翻譯解除抑制。在野生型Oskar中，Smaug定位于生殖顆粒，但其翻譯抑制輔助因子(Cup/CCR4-NOT除外)。局部Smaug的翻譯抑制功能失調(diào)，允許nanosmRNA翻譯。在Oskar-NQmut種質(zhì)中，Smaug失去了在生殖顆粒中的定位，但在生殖顆粒內(nèi)獲得了功能，從而抑制了nanosmRNA的翻譯。圖片來源：NatureCellBiology(2024)。DOI：10.1038/s41556-024-01452-5
為了回答這些問題，研究人員將高分辨率成像與一種名為SunTag系統(tǒng)的技術(shù)相結(jié)合，在單分子水平上直接觀察果蠅生殖顆粒內(nèi)納米mRNA的翻譯。
與使用單個(gè)熒光分子的綠色熒光蛋白標(biāo)記不同，SunTag系統(tǒng)允許科學(xué)家招募多個(gè)GFP拷貝以放大信號(hào)。首先，將稱為SunTag的小蛋白質(zhì)標(biāo)簽與nanosmRNA的蛋白質(zhì)生產(chǎn)區(qū)域融合。
當(dāng)mRNA指令進(jìn)行翻譯時(shí)，GFP分子會(huì)粘附在新合成的SunTag-Nanos蛋白上，從而產(chǎn)生明亮的熒光信號(hào)。將專門標(biāo)記mRNA的熒光探針覆蓋在此翻譯信號(hào)上，研究人員便可以精確地觀察和追蹤翻譯過程發(fā)生的時(shí)間和地點(diǎn)。
“利用這個(gè)系統(tǒng)，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)納米mRNA被翻譯時(shí)，它會(huì)稍微從顆粒表面突出，就像蛇從盒子里探出頭來一樣，”陳說。“但它們不能完全露出來;它們序列的一部分，特別是它們的‘后端’，3'UTR，仍然藏在顆粒內(nèi)。當(dāng)RNA沒有被翻譯時(shí)，比如在卵子發(fā)生過程中，尖端會(huì)卷回并隱藏在顆粒內(nèi)。”
Lehmann、Chen和他們的同事利用高分辨率SunTag成像技術(shù)，直接補(bǔ)充了其他具有類似觀察結(jié)果的研究人員的工作：翻譯過程中的mRNA處于延伸配置，而當(dāng)mRNA受到抑制時(shí)，5'UTR會(huì)卷曲回3'UTR。
翻轉(zhuǎn)納米翻譯
隨后，研究人員繼續(xù)仔細(xì)觀察這些顆粒如何幫助啟動(dòng)翻譯，而Smaug卻能夠抑制相同的納米mRNA分子在胚胎的其他區(qū)域進(jìn)行翻譯。
他們推測(cè)，隱藏在顆粒內(nèi)的nanosmRNA的非翻譯區(qū)(UTR)可能通過將mRNA指令定位在生殖細(xì)胞顆粒內(nèi)，在翻譯過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。他們推測(cè)，這種定位可以保護(hù)mRNA免受Smaug的抑制作用，并促進(jìn)Nanos蛋白質(zhì)的產(chǎn)生，從而使后部區(qū)域能夠正常發(fā)育。
然而，與簡(jiǎn)單的保護(hù)模型相反的是，他們發(fā)現(xiàn)Smaug不僅沒有被耗盡，反而在胚芽顆粒中富集，這表明RNP顆粒中的其他機(jī)制必須抵消Smaug的抑制作用。為了探索這一點(diǎn)，研究人員轉(zhuǎn)向了另一種名為Oskar的調(diào)節(jié)蛋白，已知該蛋白與Smaug相互作用。
1986年，萊曼在一項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)了果蠅的Oskar基因，該基因以德國(guó)小說《鐵皮鼓》中的人物命名，已知該基因有助于后部區(qū)域的發(fā)育。后來的研究表明，在卵母細(xì)胞發(fā)育過程中，Oskar充當(dāng)支架蛋白，啟動(dòng)生殖細(xì)胞中生殖顆粒的形成，并引導(dǎo)包括納米在內(nèi)的mRNA分子朝向顆粒。
為了更深入地了解Oskar在生殖顆粒中翻譯調(diào)控的全部作用及其與Smaug的相互作用，研究人員設(shè)計(jì)了一種改良版的Oskar蛋白。這種改良版的Oskar蛋白保留了啟動(dòng)生殖顆粒形成和定位納米mRNA的能力。然而，Smaug不再定位到這種改良版Oskar組裝的生殖顆粒上。
研究人員隨后研究了突變蛋白是否對(duì)nanosmRNA翻譯有任何影響。在含有這種Oskar突變版本的生殖細(xì)胞中，研究人員發(fā)現(xiàn)nanosmRNA翻譯顯著減少。
綜合這些發(fā)現(xiàn)，可以推測(cè)Oskar通過將Smaug招募到顆粒中，然后抵消其對(duì)翻譯的抑制，來調(diào)節(jié)果蠅胚胎中的nanos翻譯。
“由RNA和蛋白質(zhì)組成的凝聚物存在于幾乎每個(gè)細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中，被認(rèn)為可以介導(dǎo)mRNA的儲(chǔ)存或運(yùn)輸，”萊曼說，他也是麻省理工學(xué)院的生物學(xué)教授。
“但我們的研究結(jié)果為凝聚物生物學(xué)提供了新的見解，表明凝聚物也可用于專門翻譯儲(chǔ)存的mRNA。”
事實(shí)上，在卵母細(xì)胞中，生殖顆粒是沉默的，只有當(dāng)卵子受精時(shí)才會(huì)被激活。
“這表明在早期發(fā)育過程中，凝聚體中可能還存在其他控制翻譯的‘開關(guān)’，”萊曼補(bǔ)充道。“如何實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，以及我們是否可以設(shè)計(jì)出讓這些顆粒和其他顆粒隨意發(fā)生這種情況，都是未來的問題。”
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