Science丨CRISPR介导的rRNA转录激活可调控蛋白翻译和干细胞自我更新

撰文丨木兰之枻

不同类型细胞的蛋白合成速率存在显著差异，但该差异背后的调控机制及生物学意义仍未被完全阐明【1】。既往研究对调控蛋白翻译速率的生长信号通路（如mTOR）及mRNA调控因子进行了剖析，但对在蛋白合成过程中发挥直接作用的核糖体RNA（rRNA）关注甚少。rRNA是细胞内最主要的转录产物（占比高达70-80%），在真核生物中主要由拷贝数高度变异的rDNA基因（150-1000拷贝）编码。以哺乳动物为例，典型的rDNA阵列包含30-40个47S rDNA基因拷贝，这些阵列还占据多个基因组位点并在宏观上组装成核仁。细胞内rDNA由RNA聚合酶I转录，其活跃比例因细胞状态而异【2】。rRNA表达与蛋白翻译的平衡，是维持细胞分化、体积调控及增殖等基础生命活动的关键因素；其表达失调更是与癌症、神经系统疾病、核糖体病及衰老等多种人类病理过程密切相关【3-5】。然而，rRNA水平异常与上述疾病之间的关系目前仍缺乏定论。这一难题的根本原因在于技术上的瓶颈：rRNA在细胞内的高丰度和庞大的基因组拷贝数，使得传统的干预手段难以实现对其表达的精准调控。现有研究多采用间接策略，如使用RNA聚合酶I抑制剂、干预相关转录因子，或操控mTOR、c-Myc等广谱调节分子。但这些策略极易引发广泛的脱靶效应或非特异性的细胞应激反应，导致实验结果存在争议。因此，领域内亟需开发一种能够直接且特异性调控rRNA转录的新技术，以突破方法学限制，最终推动rRNA相关研究的进步。

近日，来自德国慕尼黑大学 (LMU) 医学院的Stefan H. Stricker团队在Science发表题为Manipulation of protein translation and stem cell self-renewal by CRISPR activation of rRNA transcription的论文。文章基于CRISPR激活系统CRISPRa（dCas9-VPR），开发出一种通过激活47S rDNA转录提升rRNA水平的新技术TAPIR。基于该技术，研究者在包括小鼠神经干细胞在内的多种细胞中实现了蛋白合成的显著增强，在体外和体内促进了干细胞的自我更新和增殖。TAPIR技术的出现为多种疾病建模和治疗提供了新的工具。

尽管传统CRISPRa技术已被广泛用于调控由RNA聚合酶II（Pol II）驱动的基因转录，但其在Pol I型启动子靶向激活中的潜力仍有待探索。为此，研究者以小鼠神经干细胞（NSCs）为体外模型，评估了以dCas9-VPR为代表的CRISPRa系统激活rRNA转录的有效性。首先，针对47S rDNA的特定重复增强子与上游调控元件，研究者设计了两条特异性gRNA，并借助多重表达策略进行联合靶向，以期实现协同激活。结果表明，这一新策略（TAPIR技术）能将rRNA的表达水平显著提升2至7倍。进一步的转录组学与GO富集分析显示，大量与rRNA转录、加工及修饰相关的基因发生了显著上调。这表明，TAPIR不仅能直接调控rRNA的转录，还能促进特定rRNA代谢相关基因的表达。研究者还证实，TAPIR技术在处于分化状态的干细胞、P19多能畸胎瘤细胞系及原代小鼠胚胎成纤维细胞（MEFs）中均能有效诱导rRNA的表达，证实了该技术的普适性。

在证实TAPIR技术激活rRNA转录的有效性之后，研究者进一步结合OPP掺入法、Click-iT反应及Ribo-seq分析，证实了TAPIR促进细胞内蛋白质合成的能力。随后，定量质谱分析进一步揭示，TAPIR不仅提升了蛋白质的总体翻译水平，还形成了特定的蛋白表达特征谱。具体而言，TAPIR不仅显著上调rRNA加工及蛋白翻译必需的复合体产生，还促进了大量保障翻译系统运转的关键蛋白表达，这些蛋白广泛参与了蛋白质折叠、翻译延伸、核仁定位、核糖体组装及其质量控制等核心生物学过程。

在明确了TAPIR技术靶向激活rRNA转录和蛋白翻译的有效性后，研究者进一步发现，该技术能显著增大细胞的核仁体积。此外，无论是在体外还是体内环境中，由TAPIR介导的rRNA水平及蛋白质翻译能力的提升，均能有效促进干细胞的自我更新与增殖。随后，为评估TAPIR技术在疾病建模与治疗干预中的可行性，研究者选取癌症与核糖体病的小鼠模型展开验证。在癌症模型中，TAPIR能够通过直接激活rRNA表达，替代致癌基因 KRAS 驱动细胞生长，充分展示了其在肿瘤建模方面的应用价值。此外，研究者选取代表性的核糖体病特雷彻·柯林斯综合征（Treacher Collins syndrome）开展研究，该病是由TCOF1基因（该基因产物与RNA聚合酶I协同驱动rDNA转录）突变导致。小鼠中Tcof1的单倍体剂量不足（Haploinsufficiency）会导致rRNA水平降低和蛋白质翻译功能受损。针对这一缺陷，研究者在模型鼠来源的MEFs中应用TAPIR进行处理，结果显示可成功挽救细胞形态异常与细胞数量下降的病理表型。这些结果表明，TAPIR不仅可作为潜在的疾病建模工具，也为核糖体相关疾病的治疗干预提供了新的思路。

总体而言，本研究基于CRISPR转录激活平台，开发出一种可精准高效激活哺乳动物rRNA表达的新技术TAPIR，实现了对rRNA表达和细胞内蛋白翻译的整体调控，为后续多种重要人类疾病的研究提供了新的思路和技术平台。

10.1126/science.aeh1348

制版人： 十一

参考文献

1. J. A. Saba, K. Liakath-Ali, R. Green, F. M. Watt, Translational control of stem cell function.Nat. Rev. Mol. Cell Biol.22, 671–690 (2021).

2. Y. Hori, C. Engel, T. Kobayashi, Regulation of ribosomal RNA gene copy number, transcription and nucleolus organization in eukaryotes.Nat. Rev. Mol. Cell Biol.24, 414–429 (2023).

3. M. J. Bywater, R. B. Pearson, G. A. McArthur, R. D. Hannan, Dysregulation of the basal RNA polymerase transcription apparatus in cancer.Nat. Rev. Cancer13, 299–314 (2013).

4.M. S. LeDoux, Polymerase I as a target for treating neurodegenerative disorders.Biomedicines12, 1092 (2024).

5. C. Ni, et al., A programmed decline in ribosome levels governs human early neurodevelopment.Nat. Cell Biol.27, 1240–1255 (2025).

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