Science | 张紫剑等绘制细胞翻译调控的单分子图谱

核糖体作为蛋白质合成的核心分子机器，自七十年前被发现以来，长期被视为结构均一、功能单一的细胞器。然而，近年研究逐渐揭示核糖体可能存在异质性，其核糖体蛋白（RPs）和核糖体关联蛋白（RAPs）的组合差异可能赋予不同核糖体亚群特定的翻译调控功能。尽管这一假说备受关注，但由于技术限制，科学家始终难以直接观测单个核糖体的分子组成及其在细胞内的空间分布，从而无法直接对核糖体异质性的功能进行深入研究。

2025年3月7日，斯坦福大学Maria Barna团队（本文一作为斯坦福大学已毕业博士张紫剑和Adele Xu）在Science上发表了文章A subcellular map of translational machinery composition and regulation at the single-molecule level，开发了两种互补技术—核糖体膨胀显微成像技术（Ribosome Expansion Microscopy，RiboExM）和光控调节下的生物素标记技术（AviTag-specific Location-restricted Illumination-Enhanced Biotinylation，ALIBi），首次在单分子分辨率下绘制了哺乳动物细胞翻译机器的亚细胞图谱，从而揭示了核糖体异质性在翻译调控中的关键作用。

为了突破传统光学显微镜的衍射极限，作者通过RiboExM将细胞物理膨胀接近10倍之后再进行显微成像，从而实现了约25纳米的有效分辨率（小于单个核糖体直径）。在核糖体被Spaghetti-Monster荧光蛋白特异性标记的哺乳动物细胞系中，作者利用RiboExM成功实现了对于40S、60S核糖体亚基、单核糖体（80S）及多聚核糖体（polysomes）的区分，从而构建了一幅核糖体在细胞内部的空间分布全景图。结果显示，40S小亚基均匀分布于细胞质，而60S大亚基倾向于聚集在内质网上的多聚核糖体附近。研究者进一步通过ALIBi技术证实内质网区域富集的60S大亚基与核糖体组成调控蛋白Lsg1密切相关。敲低Lsg1不仅显著影响60S大亚基在内质网的富集，还会选择性影响不同拓扑结构的跨膜蛋白的翻译效率，从而揭示了一种通过调控核糖体亚细胞定位以实现翻译特异性的新机制。

除了内质网，研究团队进一步研究核糖体在线粒体外膜（OMM）上的翻译调控。通过ALIBi技术，研究团队发现线粒体外膜附近的核糖体中RPS25和RPL29等核糖体蛋白显著缺失。作者通过RiboExM直接对这类特化核糖体（Specialized ribosomes）进行成像，并发现它们与线粒体代谢相关mRNA（如维生素B12代谢通路中的Mut和Pcc基因mRNA）优先结合。这一发现首次在细胞内证实了特化核糖体可通过选择性结合特定mRNA以调控蛋白合成，为特化核糖体的存在与功能提供了直接证据。

在本文最后的神经元研究中，作者通过RiboExM揭示了远端神经突中核糖体翻译调控的独特模式：静息状态下，远端神经突中单核糖体占主导，而外界化学刺激（如神经营养因子BDNF）可诱导多聚核糖体快速形成。此外，RPS25缺失的特化核糖体也在神经元轴突中被发现，表明其可能在神经元高度特化的蛋白质合成调控中发挥特定作用，从而为神经科学研究中翻译调控的时空特异性提供了新视角。

综上，RiboExM与ALIBi两项新技术的结合不仅突破了传统技术的局限，首次实现了哺乳动物细胞中翻译机器的单分子可视化与分子组成解析，还系统揭示了核糖体亚细胞定位与异质性的生物学意义。该技术的应用将推动病理状态（如癌症、神经退行性疾病）中翻译调控异常的机制研究，并为相关疾病的治疗提供新的思路。

https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.adn2623

制版人： 十一

学术合作组织

（*排名不分先后）

战略合作伙伴

（*排名不分先后）

（*排名不分先后）

转载须知

【非原创文章】本文著作权归文章作者所有，欢迎个人转发分享，未经作者的允许禁止转载，作者拥有所有法定权利，违者必究。

BioArt

Med

Plants

人才招聘

会议资讯

近期直播推荐