大腦的細(xì)胞多樣性和功能受RNA結(jié)合蛋白（RBP）和microRNA（miRNA）等轉(zhuǎn)錄后機(jī)制調(diào)控。其中，可變剪接是產(chǎn)生轉(zhuǎn)錄組多樣性的主要來源，這種異構(gòu)體多樣性是神經(jīng)元細(xì)胞類型特異性的基礎(chǔ)，且與神經(jīng)系統(tǒng)疾病密切相關(guān)。

以下為大家介紹的是最近一項(xiàng)發(fā)表在Nature上的研究，研究團(tuán)隊(duì)使用Ribo-STAMP技術(shù)結(jié)合長讀長單細(xì)胞RNA測序，首次繪制出小鼠海馬體單細(xì)胞isoform水平的翻譯組圖譜，不僅解析了單細(xì)胞中轉(zhuǎn)錄本異構(gòu)體的翻譯調(diào)控特征，還揭示了CA1和CA3神經(jīng)元間的翻譯效率差異及分子機(jī)制，為理解腦生理與疾病的翻譯調(diào)控基礎(chǔ)提供了全新視角和重要工具。

1 

Ribo-STAMP檢測神經(jīng)元中的翻譯動(dòng)態(tài)

在這項(xiàng)研究中，研究者使用一種能進(jìn)行單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄后翻譯調(diào)控檢測的Ribo-STAMP技術(shù)，構(gòu)建了神經(jīng)元特異的AAV病毒載體，將RNA編輯酶APOBEC1與核糖體蛋白RPS2、RPL10A或RPL22融合，通過將翻譯事件“編碼”為RNA上的可測序標(biāo)記（C-to-U編輯），結(jié)合RNA測序，同時(shí)讀取“轉(zhuǎn)錄本豐度”和“編輯標(biāo)記密度”，以編輯reads百分比（EPR）作為量化指標(biāo)，反映了特定mRNA在細(xì)胞內(nèi)的翻譯活躍程度。

圖1 Ribo-STAMP檢測原代神經(jīng)元中的mRNA翻譯

通過在原代神經(jīng)元中的表達(dá)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)RPS2-STAMP變體表現(xiàn)出最高的編輯效率，確立了RPS2-STAMP作為后續(xù)神經(jīng)元單細(xì)胞翻譯調(diào)控檢測的最優(yōu)工具。接下來，研究人員利用腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（BDNF）刺激原代神經(jīng)元以評估Ribo-STAMP的翻譯檢測能力。結(jié)果顯示，Ribo-STAMP成功捕獲了BDNF誘導(dǎo)的翻譯變化，發(fā)現(xiàn)了數(shù)百個(gè)翻譯水平顯著改變的基因，并通過鄰近連接技術(shù)（PLA）驗(yàn)證了其中多個(gè)基因（如GRIP1、SNAP25和PMM2）的翻譯變化，并發(fā)現(xiàn)翻譯上調(diào)的基因富集于突觸功能相關(guān)通路。這證明了Ribo-STAMP能夠靈敏地檢測神經(jīng)元在刺激下的翻譯動(dòng)態(tài)。

圖2 Ribo-STAMP檢測BDNF誘導(dǎo)的翻譯動(dòng)態(tài)

2

腦單細(xì)胞翻譯譜與翻譯細(xì)胞狀態(tài)檢測

研究者將RPS2-STAMP通過AAV病毒表達(dá)于小鼠海馬，結(jié)合10x Genomics Chromium 3′ 單細(xì)胞短讀長RNA測序和自主研發(fā)的MARINE編輯檢測流程，成功獲得了19,610個(gè)細(xì)胞的翻譯譜。通過分析細(xì)胞marker基因的編輯情況（如Gad1注釋的抑制性神經(jīng)元、Slc17a7注釋的興奮性神經(jīng)元等），驗(yàn)證了編輯事件的細(xì)胞類型特異性。通過對轉(zhuǎn)錄與翻譯的相關(guān)性評估發(fā)現(xiàn)，不同細(xì)胞類型中二者關(guān)系差異較大，尤其在少突膠質(zhì)細(xì)胞中呈現(xiàn)低相關(guān)性。其次，在CA3神經(jīng)元亞群中，根據(jù)編輯率（EPR）分布發(fā)現(xiàn)其存在高翻譯和低翻譯兩種細(xì)胞狀態(tài)，高翻譯狀態(tài)富集突觸功能相關(guān)基因；在CA1亞群中也觀察到類似的高、低翻譯狀態(tài)，高翻譯狀態(tài)富集線粒體功能相關(guān)基因。這些結(jié)果表明，同一細(xì)胞類型內(nèi)存在翻譯活性的異質(zhì)性狀態(tài)，CA3和CA1高翻譯神經(jīng)元可能正在經(jīng)歷活性增加，包括潛在的突發(fā)放電模式。

圖3 小鼠海馬體單細(xì)胞翻譯檢測

3

單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄本異構(gòu)體特異性翻譯與CA1和CA3差異翻譯解析

為了解析單細(xì)胞中轉(zhuǎn)錄本異構(gòu)體水平的翻譯情況，研究者將Ribo-STAMP與單細(xì)胞長讀長測序結(jié)合，通過10x Genomics 3′ kit進(jìn)行單細(xì)胞cDNA生成并使用PacBio MAS-ISO-seq串聯(lián)方法進(jìn)行文庫構(gòu)建，最終在Revio平臺上進(jìn)行測序，實(shí)現(xiàn)了單細(xì)胞中異構(gòu)體水平的翻譯檢測。通過EditsC（編輯胞嘧啶比例）計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，在不同細(xì)胞類型中，同一基因的不同異構(gòu)體存在顯著差異翻譯。例如，突觸形成的重要細(xì)胞粘附分子Cadm3-202異構(gòu)體因具有更長的3′ UTR和獨(dú)特的nELAVL結(jié)合位點(diǎn)，翻譯水平高于其短異構(gòu)體Cadm3-201。比較少突膠質(zhì)細(xì)胞與星形膠質(zhì)細(xì)胞翻譯效率發(fā)現(xiàn)，星形膠質(zhì)細(xì)胞中蛋白編碼異構(gòu)體翻譯效率更高，且富集了Pabpc1等RNA結(jié)合蛋白的調(diào)控基序，而少突膠質(zhì)細(xì)胞中發(fā)生內(nèi)含子保留的剪接異構(gòu)體翻譯效率更高，如Rasal2的兩個(gè)亞型在兩種細(xì)胞中呈現(xiàn)翻譯的反向差異，表明少突膠質(zhì)細(xì)胞可能選擇性地使用內(nèi)含子保留作為細(xì)胞類型特異性的翻譯調(diào)節(jié)機(jī)制。

圖4 Ribo-STAMP檢測單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄本異構(gòu)體特異性翻譯

研究人員通過EPR分析發(fā)現(xiàn)CA3神經(jīng)元的整體翻譯水平顯著高于CA1，并通過FUNCAT新生蛋白標(biāo)記和p-eIF2α（翻譯抑制因子）磷酸化水平降低等實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。差異翻譯基因在CA3中富集于核糖體蛋白和翻譯因子，且CA3中EPR較高的基因部分含有5′ TOP基序，這些基序常見于翻譯機(jī)器基因中。相比之下，CA1雖有更多差異表達(dá)的基因和轉(zhuǎn)錄本，但基礎(chǔ)翻譯率較低，揭示了海馬不同亞區(qū)在翻譯層面的差異可能與神經(jīng)元活動(dòng)水平相關(guān)。

圖5 CA1和CA3神經(jīng)元之間的差異翻譯檢測

這項(xiàng)研究的重要突破離不開 PacBio長讀長測序與10x Genomics單細(xì)胞測序技術(shù)的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，憑借長讀長優(yōu)勢，精準(zhǔn)捕獲單細(xì)胞分辨率的轉(zhuǎn)錄本全長信息，清晰刻畫了不同細(xì)胞類型、神經(jīng)元亞群的特征差異，實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)體水平的調(diào)控解析，攻克了傳統(tǒng)短讀長難以區(qū)分的轉(zhuǎn)錄本異構(gòu)體的難題，結(jié)合Ribo-STAMP技術(shù)，為單細(xì)胞isoform特異性的翻譯組研究提供了高效技術(shù)范式，也為后續(xù)腦科學(xué)及各類復(fù)雜組織的翻譯調(diào)控研究，打開了更精準(zhǔn)、更深入的探索之門。

Contact

北京怡美通德科技發(fā)展有限公司
是10x Genomics和PacBio的官方授權(quán)代理商
進(jìn)一步了解產(chǎn)品詳情
歡迎通過如下方式聯(lián)系我們
電話：010-84409661
官網(wǎng)：www.emtd.com.cn
Email: marketing@emtd.com.cn
微信公眾號/ 微信視頻號：怡美通德EMTD

參考文獻(xiàn)
1.Sison, S.L., Zampa, F., Kofman, E.R. et al. Single-cell and isoform-specific translational profiling of the mouse brain. Nature (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10118-1.