科學家將神秘的細胞結構，轉(zhuǎn)變成細胞“時間膠囊”

細胞在不斷演變。在一項新發(fā)表于《科學》雜志的研究中，一個研究團隊為細胞設計出了一種“時間膠囊”，能夠收集并儲存細胞過去的“活動痕跡”。他們把這種可在活的哺乳動物細胞中記錄并存儲轉(zhuǎn)錄組信息，且可在未來讀取的遺傳編碼系統(tǒng)，命名為“時間穹窿體”（TimeVaults）。

時間穹窿體由一種名為“穹窿體”（vault）的神秘細胞結構構成；研究人員對其進行了改造，使其能夠收集并儲存基因轉(zhuǎn)錄的分子產(chǎn)物——信使RNA（mRNA）分子。這一成果或許可以幫助揭示癌癥藥物耐受性與干細胞生物學的奧秘，并更廣泛地解釋過去發(fā)生的事件如何塑造細胞的未來。

細胞記錄儀

目前，有兩種常用的方式來研究細胞變化的動態(tài)過程：一種方法是在顯微鏡下對活細胞進行實時觀察，在熒光標記的幫助下，可以連續(xù)數(shù)天追蹤有限種類的分子；另一種方法是在試管中、在某一個時間點測定mRNA分子，并將其與其他細胞中的mRNA作比較，以此重建過去發(fā)生過什么。

在過去十年里，科學家已經(jīng)開發(fā)出大量“細胞記錄儀”，以此來為暫現(xiàn)事件（如某條分子通路在一段時間內(nèi)的活性變化）建立一本不可磨滅的遺傳“賬本”。隨后，科學家就可以通過基因組測序來讀取這些“賬本”，以便在之后的時間點識別這些編輯痕跡，從而為這些細胞事件生成一條時間線。

不過，這類方法也有一個缺點：科學家必須事先決定要監(jiān)測哪些事件。

為了尋找一種不帶偏倚、能夠記錄細胞“生命歷程”的方法，新研究開發(fā)出了一種更簡單、更完整的方法，用于在數(shù)天的時間尺度上追蹤基因活動，其思路是捕獲mRNA，并將其儲存起來以便日后讀出。

神秘的穹窿體

在缺乏保護的情況下，mRNA通常會在幾分鐘或幾小時內(nèi)被分解。在新的研究中，為了在更長時間尺度上記錄基因活動，研究團隊試圖把一種名為多聚腺苷酸結合蛋白（PABP）的RNA結合蛋白，連接到更穩(wěn)定的分子上。他們起初嘗試把PABP與細菌蛋白連接起來，但效果并不好。

在一次偶然的機會中，這項研究的第一作者Yu-Kai Chao得知了一種在上世紀80年代發(fā)現(xiàn)的神秘細胞器——穹窿體（Vault）。在大多數(shù)哺乳動物細胞中，往往存在數(shù)量龐大的穹窿體。然而，科學家至今對它們的功能不得而知。

1986年發(fā)現(xiàn)的名為“穹窿體”的神秘細胞結構。（圖/N. KEDERSHA AND L. ROME, JOURNAL OF CELL BIOLOGY (1986) 10.1083）

盡管如此，研究人員仍仍敏銳地意識到，穹窿體的某些性質(zhì)可能正是他們所需要的。穹窿體由78個被稱為“主要穹窿蛋白”（MVP）的長分子構成的，這些MVP分子會形成一個堅固的外殼，其內(nèi)部大體上是空的，只包含一段功能未知的RNA，以及一些與穹窿體內(nèi)部結合的其他蛋白質(zhì)。

制造時間膠囊

在新研究中，研究團隊重新設計了一種穹窿體蛋白，使其能夠識別并結合mRNA分子的一個分子標志，從而將mRNA捕獲到穹窿體內(nèi)部。具體來說，他們將PABP的基因與一段DNA融合；而這段DNA編碼的是那些內(nèi)部蛋白之一的、能夠與MVP結合的亞基。

一種遺傳學的時間膠囊：一種追蹤基因活動的新方法，它將細胞“制造蛋白質(zhì)”的指令——mRNA鏈——捕獲并儲存在一種被稱為穹窿體的結構內(nèi)部。研究人員在PABP上添加了一個能夠與MVP結合的蛋白結構，PABP原本會天然附著在mRNA上。隨后，改造過的蛋白就能將被捕獲的mRNA固定在穹窿體內(nèi)部。（圖/A. FISHER/SCIENCE）

當把改造過后的PABP基因與額外拷貝的MVP基因一起導入細胞時，被捕獲的mRNA就會進入新生成的穹窿體內(nèi)部。接著，當需要讀取基因活動時，研究團隊可以用化學方法“撬開”穹窿體，并對其中的mRNA進行測序，以便識別它們源自哪些基因。

研究團隊發(fā)現(xiàn)，經(jīng)這些改造后的穹窿體“效果非常好”，他們將其比喻為時間膠囊，并稱之為“時間穹窿體”。時間穹窿體能在24小時的時間窗口內(nèi)捕獲人類細胞系所產(chǎn)生的全部mRNA分子中的一小部分，并將其至少儲存一周。

應用與前景

利用時間穹窿體，研究人員還對一類被稱為持久性細胞（persisters）的癌細胞進行了研究。這些細胞并沒有能夠躲避靶向抗癌藥物的基因突變，卻不知為何仍能在藥物治療中存活下來。

借助時間穹窿體，研究人員在持久性肺癌細胞接受藥物處理之前，鑒定出數(shù)百個處于過度活躍狀態(tài)的基因。他們發(fā)現(xiàn)，在抑制其中一些表達水平最高的基因的活性后，抗癌藥物就能以更高比例殺死肺癌細胞。

接下來，研究人員計劃進一步檢測，時間穹窿體是否能夠記錄單個細胞中所有處于活躍狀態(tài)的基因。

#參考來源：

https://www.nature.com/articles/d41586-026-00116-8

https://www.science.org/content/article/scientists-turn-cells-most-mysterious-structures-spies-genetic-activity

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adz9353

#圖片來源：

封面圖&首圖：N. KEDERSHA AND L. ROME, JOURNAL OF CELL BIOLOGY (1986) 10.1083