蛋白表达噪声实现全表达谱测量

生命科学发展至今，正朝着两个方向分化发展：宏观和微观。微观方面，在单分子水平上，不仅提出了第三代测序技术这样近期倍受瞩目的新技术，而且从单个细胞，单个蛋白水平上分析生理过程，也正成为一个研究热点。来自哈佛大学医学院化学生物学系的研究人员为了解开单细胞水平上，基因表达和调控的分子机制，进行了系列实验研究，近期不仅获得了许多研究成果，而且也解决了一些实验技巧问题，在《科学》（Science）杂志上发布文章，首次实现了对物种在整个表达谱范围内的蛋白表达噪声测量。领导这一研究组的是华人科学家谢晓亮博士，其出身于化学世家，其父为北大化学与分子工程学院著名教授谢有畅。谢晓亮博士毕业于北大化学系，1985年赴加州大学圣地亚哥分校攻读博士，1999年被聘为哈佛大学化学与生物系终身教授，是该校仅有的两位中国大陆的终身教授之一。目前其研究重点是单分子光谱检测及其在生命科学中的应用。谢教授曾获美国物理学会的青年光谱学家奖、以色列总统奖等多项殊荣，现被聘为北大化学与分子工程学院客座教授。在基因表达研究领域，传统的研究方法是在同等条件下磨碎大量细胞，然后测量基因产物的数量，例如mRNA和蛋白。然而最近的研究却发现，看起来完全相同的单个细胞实际上表达水平完全是随机的，存在着巨大的个体差异，科学家称之为“噪音”。科学家们在研究单细胞生物体的“噪音”时发现，即使是基因完全相同的细胞其行为也是完全不同的。测量不同生物体内的蛋白表达噪音可以帮助科学家们了解生命的演化和功能。在最新的文章中，研究人员报道了大肠杆菌的1018个基因在单个细胞内的绝对表达数以及各个细胞间的差异，这些基因占了大肠杆菌全基因组的四分之一左右。他们还同时测量了其中137个大量表达的基因的mRNA分子数量。尽管在同基因组细菌群的细胞中，蛋白和mRNA拷贝数差异巨大，不过通常数量较小，难以在单分子水平上检测。谢晓亮小组的研究人员利用自己搭建的一套全新的大肠杆菌黄色荧光蛋白融合库，成功地实现了单个细胞内在单分子水平对整个表达谱范围内的蛋白和mRNA的定量分析。谢晓亮研究组曾利用了不同的方法观测到活体细胞中单个蛋白分子翻译合成的过程。比如利用了延时动态影像技术（time-lapse movies）通过60个融合蛋白翻译的过程发现lac抑制因子每脱离DNA片段一次，只有一条mRNA转录出来，随着一阵短时间蛋白合成脉冲，得到了每次不同数目的蛋白分子。这个蛋白数目的变化是符合指数递减规律的——上个世纪80年代得出的一个理论，但至今并未得到实验证据。或者利用了微流控(microfluidic chambers）捕捉E.coli细胞阻止荧光分子完全释放出去，通过将这种微流室固定在一个显微镜下，观测到了单个β-半乳糖苷酶的翻译过程。他们将一个荧光报告基因（黄色的荧光蛋白Venus）融合到一个膜蛋白（狂犬病膜蛋白Tsr）上，这样这个荧光信号就能固定在一处，并且保持发光度一段时间。然后研究人员在这个融合蛋白前加入E.coli的Lac启动子，通常会有一个抑制因子阻止其表达，但是偶然这个抑制因子会随机的从这段DNA上脱离下来，从而就能转录出mRNA，翻译成荧光融合蛋白。每一次产生一个融合蛋白分子，研究人员就能观测到这个蛋白在细胞内闪闪发光，为了能实时监控这个过程，研究人员利用了延时动态影像技术（time-lapse movies）。这样通过60个融合蛋白翻译的过程，谢等人发现lac抑制因子每脱离DNA片段一次，只有一条mRNA转录出来，随着一阵短时间蛋白合成脉冲，得到了每次不同数目的蛋白分子。（来源：生物通万纹）