动态监控果蝇翻译过程，揭示空间异质性

　　mRNA翻译成蛋白质的过程涉及到的因子已经有大量的研究，但是在活的多细胞生物体中多步骤的翻译过程是如何进行的还未可知。为了回答该问题，法国蒙彼利埃大学Mounia Lagha研究组与Jeremy Dufourt（第一作者）合作在Science发文，题为Imaging translation dynamics in live embryos reveals spatial heterogeneities，通过对果蝇卵中翻译过程的动态监控揭示出翻译的空间异质性。

　　60多年前，大家开始了解mRNA翻译成蛋白质的过程。然而，研究表明，一个给定的mRNA的水平和它编码的蛋白质的数量并不直接相关。这种共线性的缺失可能是由于mRNA靶向亚细胞隔室中的翻译差异造成的。为了对mRNA与初生蛋白质之间相关性进行定量和比较，对于此过程的可视化实验方法的需求呼之欲出。mRNA的活体成像最早差不多可以追溯到1998年，但那时只能够在培养的细胞中进行检测，还没能很好的完整发育的生物体中进行使用。黑腹果蝇胚胎发育迅速，在合胞囊胚期细胞核排列简单，是基因表达成像的模式生物。

　　为了对翻译过程进行检测，作者们建立了一个报告转基因品系，在该体系中作者们引入了SunTag系统。该系统将重复的表位Suntag添加到感兴趣的蛋白质中，并用遗传编码单链抗体scFv与荧光蛋白融合通过Suntag与scFv之间的相互作用对翻译进行可视化检测（图1）。为了将SunTag系统应用到果蝇之中，作者们集中在twist这个基因上。该基因编码了后生动物中进化上保守的胚层程序转录激活因子。作者们通过32个Suntag重复对Twist蛋白进行标记，同时表达scFv-GFP检测因子蛋白，可以直接在活的果蝇卵中胚层中看到一个显著地点状信号（图1）。

　　图1 果蝇卵中对mRNA翻译过程进行活体成像

　　进一步地，为了证明报告转基因中看到的是Twist蛋白翻译过程的真实性与准确性，作者们通过CRISPR-Cas9技术构建了一个内源敲入品系twi_suntag_CRISPR。另外，通过单分子的smFISH实验，作者们确认了点状聚集信号的确是Twist蛋白翻译的位置，而且出现的时期是在特定的中胚层发育的时期。通过翻译抑制剂药物的处理，作者们确认了scFv-GFP点状信号的确是初生蛋白翻译的位置。

　　为了果蝇卵中对单个mRNA分子的初生翻译过程进行检测，作者们又在果蝇中引入了MS2-MCP系统。作者们构建了twi_suntag_MS2_CRISPR并且与scFv-mScarlet以及MCP-eGFP转基因果蝇组合。单个mRNA分子用MS2阵列标记，使用噬菌体MS2的外壳蛋白MCP与eGFP融合进行可视化。通过该双色活体成像，作者们发现mRNA与初生蛋白一起移动，说明在翻译过程中mRNA并不是静止不动的。另外，作者们发现twist mRNA翻译开始的时间与细胞核中Twist蛋白出现的时间相一致。为了对twist mRNA翻译过程进行更加定量化的理解，作者们将活体成像与核糖体分析实验联用，作者们发现翻译的速率大约是每个mRNA七个核糖体。

　　在果蝇卵的横截面上，作者们发现在中胚层特化发育的过程中有一个非常有趣的特征，即在基底细胞核周围区域，翻译的点状聚集信号相较于顶端细胞核周围区域更加显著（图2）。作者们发现基底细胞核周围区域，单分子mRNA在scFv-GFP通道中比位于顶端的单分子mRNA的强度平均高50%，说明基底区域翻译的效率提高。该结果说明特定mRNA分子的翻译效率与它们的亚细胞定位相关，这种空间异质性可能由于线粒体在基底区域可用性更强。

　　图2 翻译过程的空间异质性

　　作者们发现twist mRNA的主要点状聚集信号可能在一定程度上取决于其转录位点的定位。mRNA向基底细胞质区域的优先输出有利于基底twist mRNA的聚集，并可在翻译工厂中快速共翻译，而且主要定位在细胞核周围区域可以在初生蛋白形成之后快速地进行入核转运。

　　总的来说，该工作通过聚焦于twist mRNA作为转录因子编码转录本的范例，揭开了活的多细胞生物体中翻译过程的基础特征，并且通过twist mRNA以及初生蛋白的活体成像发现了翻译过程的空间异质性以及翻译工厂的存在，以“眼见为实”的方式对mRNA翻译的定位和动态变化过程进行观察，并对基因调控的发展进行探究。