充滿差異的單細胞蛋白表達

哈佛大學謝曉亮小組的最新研究結構顯示，蛋白的數量（綠色）與mRNA的數量（紅色）在各個細胞中有很大差異。

　　科學家們近日首次實現了對物種在整個表達譜范圍內的蛋白表達噪聲測量。該項成果是單分子技術與系統生物學交互融合的典范，預示了單細胞基因表達分析時代的來臨。

　　在基因表達研究領域，傳統的研究方法是在同等條件下磨碎大量細胞，然后測量基因產物的數量，例如mRNA和蛋白。然而最近的研究卻發現，看起來完全相同的單個細胞實際上表達水平完全是隨機的，存在著巨大的個體差異，科學家稱之為“噪音”。科學家們在研究單細胞生物體的“噪音”時發現，即使是基因完全相同的細胞其行為也是完全不同的。測量不同生物體內的蛋白表達噪音可以幫助科學家們了解生命的演化和功能。

　　哈佛大學化學與生物化學系謝曉亮小組最新的研究成果將該領域帶入了一個新的高度。 7月30日最新一期美國《科學》發表了題為《大腸桿菌蛋白組及轉錄物單分子水平測量》的論文，報道了大腸桿菌的1018個基因在單個細胞內的絕對表達數以及各個細胞間的差異，這些基因占了大腸桿菌全基因組的四分之一左右。他們還同時測量了其中137個大量表達的基因的mRNA分子數量。

　　盡管在同基因組細菌群的細胞中，蛋白和mRNA拷貝數差異巨大，不過通常數量較小，難以在單分子水平上檢測。謝曉亮小組的研究人員利用自己搭建的一套全新的大腸桿菌黃色熒光蛋白融合庫，成功地實現了單個細胞內在單分子水平對整個表達譜范圍內的蛋白和mRNA的定量分析。

　　該項研究有兩個驚人的發現。首先，20%的蛋白質表達水平很低，小于每個細胞一個分子。研究人員發現當表達水平較低的時候，幾乎所有的蛋白分布均可用兩個參數的伽瑪分布來描述，也就是mRNA的轉錄速率和每個mRNA分子表達為蛋白質的數量。而當表達水平較高的時候，分布圖被其他的外部噪音所充斥。

　　作者的另一重要發現是，單細胞中某基因在某一時刻的mRNA表達拷貝數與其蛋白表達拷貝數無關，由此可見，單個細胞中的蛋白組分析與轉錄物分析是沒有關聯的。由于細胞中某些功能基因的蛋白質和絕大多數mRNA 的拷貝數都相當低，這項研究成果提供的方法將大大促進科學家對基因隨機表達和調控的理解。

　　這種關聯性缺失的一個原因是mRNA分子和蛋白質分子在細胞內的壽命長短不同。mRNA 只存在幾分鐘，而蛋白質分子可以存在數個小時，大大超過細胞周期。此外，對很多細胞而言，一些蛋白的唯一來源來自于母細胞，而mRNA只是偶爾產生。這就導致了在細胞分裂過程中某些蛋白質分子分配不均衡，這種現象在哺乳動物細胞中同樣存在。

　　同一期《科學》雜志還發表了美國新澤西醫學與口腔學大學公共衛生研究所Sanjay Tyagi的評論文章，文章標題是“Genomics: E. coli, What a Noisy Bug”。評論認為，弄清楚大腸桿菌全基因組中相當一部分的mRNA 和蛋白表達水平以及差異性后，下一步可以做的就是研究噪音是如何隨著基因表達通道傳遞的，在這個傳遞過程中一個蛋白的數量可以影響到另一個蛋白的表達。另一個可能的研究方向是探索細胞是如何調節那些需要同步協作的蛋白質表達。科學家還可以通過研究其他相關生物體的全基因組表達，或者同一個生命體在不同條件下（例如在焦慮的時候或者衰老過程中）的表達譜，來確定噪音僅僅限制了基因表達，還是對進化選擇具有重要意義。

　　背景介紹

　　謝曉亮教授1984年本科畢業于北京大學化學系，1990年獲得加州大學圣地亞哥分校（UCSD）博士學位，1990至1992年在芝加哥大學從事博士后研究工作，1992至1999年擔任太平洋西北國家實驗室資深科學家，1999年轉至哈佛大學任教至今。謝曉亮教授是世界知名生物物理化學家，現任哈佛大學化學及化學生物學系教授（Mallinckrodt Professor of Chemistry），北大生命科學學院長江特聘講座教授和化學與分子工程學院客座教授。

　　謝曉亮教授是單分子生物物理化學和相干拉曼散射顯微成像的開拓者之一，他的工作對于深入理解酶反應動力學及活細胞中的基因調控奠定了基礎。謝曉亮教授2008年當選為美國科學與藝術院院士并獲得德國雷賓赫應用激光技術獎，2009年獲得美國能源部勞倫斯化學獎。謝曉亮教授還是美國物理學會Fellow，美國生物物理學會Fellow，美國科學促進會Fellow，中國科學院愛因斯坦講座教授。2010年，謝曉亮教授在北京大學創建生物動態光學成像中心并擔任中心主任。