充满差异的单细胞蛋白表达

哈佛大学谢晓亮小组的最新研究结构显示，蛋白的数量（绿色）与mRNA的数量（红色）在各个细胞中有很大差异。

　　科学家们近日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。该项成果是单分子技术与系统生物学交互融合的典范，预示了单细胞基因表达分析时代的来临。

　　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。

　　哈佛大学化学与生物化学系谢晓亮小组最新的研究成果将该领域带入了一个新的高度。 7月30日最新一期美国《科学》发表了题为《大肠杆菌蛋白组及转录物单分子水平测量》的论文，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。

　　该项研究有两个惊人的发现。首先，20%的蛋白质表达水平很低，小于每个细胞一个分子。研究人员发现当表达水平较低的时候，几乎所有的蛋白分布均可用两个参数的伽玛分布来描述，也就是mRNA的转录速率和每个mRNA分子表达为蛋白质的数量。而当表达水平较高的时候，分布图被其他的外部噪音所充斥。

　　作者的另一重要发现是，单细胞中某基因在某一时刻的mRNA表达拷贝数与其蛋白表达拷贝数无关，由此可见，单个细胞中的蛋白组分析与转录物分析是没有关联的。由于细胞中某些功能基因的蛋白质和绝大多数mRNA 的拷贝数都相当低，这项研究成果提供的方法将大大促进科学家对基因随机表达和调控的理解。

　　这种关联性缺失的一个原因是mRNA分子和蛋白质分子在细胞内的寿命长短不同。mRNA 只存在几分钟，而蛋白质分子可以存在数个小时，大大超过细胞周期。此外，对很多细胞而言，一些蛋白的唯一来源来自于母细胞，而mRNA只是偶尔产生。这就导致了在细胞分裂过程中某些蛋白质分子分配不均衡，这种现象在哺乳动物细胞中同样存在。

　　同一期《科学》杂志还发表了美国新泽西医学与口腔学大学公共卫生研究所Sanjay Tyagi的评论文章，文章标题是“Genomics: E. coli, What a Noisy Bug”。评论认为，弄清楚大肠杆菌全基因组中相当一部分的mRNA 和蛋白表达水平以及差异性后，下一步可以做的就是研究噪音是如何随着基因表达通道传递的，在这个传递过程中一个蛋白的数量可以影响到另一个蛋白的表达。另一个可能的研究方向是探索细胞是如何调节那些需要同步协作的蛋白质表达。科学家还可以通过研究其他相关生物体的全基因组表达，或者同一个生命体在不同条件下（例如在焦虑的时候或者衰老过程中）的表达谱，来确定噪音仅仅限制了基因表达，还是对进化选择具有重要意义。

　　背景介绍

　　谢晓亮教授1984年本科毕业于北京大学化学系，1990年获得加州大学圣地亚哥分校（UCSD）博士学位，1990至1992年在芝加哥大学从事博士后研究工作，1992至1999年担任太平洋西北国家实验室资深科学家，1999年转至哈佛大学任教至今。谢晓亮教授是世界知名生物物理化学家，现任哈佛大学化学及化学生物学系教授（Mallinckrodt Professor of Chemistry），北大生命科学学院长江特聘讲座教授和化学与分子工程学院客座教授。

　　谢晓亮教授是单分子生物物理化学和相干拉曼散射显微成像的开拓者之一，他的工作对于深入理解酶反应动力学及活细胞中的基因调控奠定了基础。谢晓亮教授2008年当选为美国科学与艺术院院士并获得德国雷宾赫应用激光技术奖，2009年获得美国能源部劳伦斯化学奖。谢晓亮教授还是美国物理学会Fellow，美国生物物理学会Fellow，美国科学促进会Fellow，中国科学院爱因斯坦讲座教授。2010年，谢晓亮教授在北京大学创建生物动态光学成像中心并担任中心主任。