在一個(gè)微小細(xì)胞里究竟有多少DNA正在“工作”？單細(xì)胞又是如何決定自己命運(yùn)的？清華大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院沈曉驊課題組首次實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)細(xì)胞內(nèi)基因轉(zhuǎn)錄活動(dòng)的精準(zhǔn)捕捉與實(shí)時(shí)觀測(cè)，相關(guān)研究成果近日在線發(fā)表于國(guó)際期刊《細(xì)胞》。

在高等真核生物中，同一個(gè)基因組可“讀出”數(shù)百種，甚至上千種不同的細(xì)胞類(lèi)型?；蛲ㄟ^(guò)轉(zhuǎn)錄生成RNA（核糖核酸），不僅指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成，也參與調(diào)控染色質(zhì)和細(xì)胞核結(jié)構(gòu)。雖然編碼蛋白質(zhì)的mRNA只占基因組約2%，但超過(guò)98%的基因組區(qū)域并不編碼蛋白質(zhì)，卻可能被轉(zhuǎn)錄生成非編碼RNA。這類(lèi)非編碼RNA通常水平低、隨機(jī)性強(qiáng)、半衰期短，大多停留在細(xì)胞核內(nèi)，理解新生RNA的產(chǎn)生和調(diào)控，對(duì)揭示基因組如何驅(qū)動(dòng)多樣化的細(xì)胞命運(yùn)具有重要意義。

“我們提出了一套‘抓活的基因產(chǎn)物’技術(shù)方法?！眻F(tuán)隊(duì)成員介紹，“它的核心創(chuàng)新在于像是為細(xì)胞裝上高清‘顯微鏡’一樣，通過(guò)給新生RNA打上特殊標(biāo)記，直接在細(xì)胞核內(nèi)進(jìn)行捕獲和測(cè)序?！彼M(jìn)一步解釋?zhuān)c傳統(tǒng)方法相比，該技術(shù)具有三大優(yōu)勢(shì)：精準(zhǔn)捕獲RNA起始信息，不遺漏關(guān)鍵片段；有效保留未加工RNA，真實(shí)反映基因工作狀態(tài)；幾乎無(wú)DNA污染，結(jié)果更加可靠。

利用該技術(shù)，團(tuán)隊(duì)在胚胎干細(xì)胞、改造過(guò)的胚胎干細(xì)胞、脾臟細(xì)胞、胚胎成纖維細(xì)胞等四種細(xì)胞中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，即使是最活躍的胚胎干細(xì)胞，同時(shí)工作的基因也不到基因組的3.1%?！跋喈?dāng)于一本1000頁(yè)的書(shū)細(xì)胞同一時(shí)間只翻了31頁(yè)?！眻F(tuán)隊(duì)成員解釋?zhuān)斑@表明單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄極其稀疏、隨機(jī)且異質(zhì)，群體分析往往掩蓋了此類(lèi)細(xì)胞間差異。”

此外該研究還揭示了非編碼RNA在細(xì)胞命運(yùn)決定中的重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，占基因組98%的非編碼區(qū)域并非以往認(rèn)為的“暗物質(zhì)”，它們表現(xiàn)出高度活躍且隨機(jī)的轉(zhuǎn)錄特征。基于此，團(tuán)隊(duì)提出“新生轉(zhuǎn)錄多樣性”概念，用于識(shí)別瞬時(shí)、不穩(wěn)定的細(xì)胞狀態(tài)，這類(lèi)細(xì)胞在穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)錄組中差異不明顯，卻在新生轉(zhuǎn)錄層面同時(shí)轉(zhuǎn)錄更多蛋白編碼基因和非編碼單元，反映出細(xì)胞在動(dòng)態(tài)過(guò)渡階段更強(qiáng)的命運(yùn)可塑性。

該研究不僅在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了單細(xì)胞新生轉(zhuǎn)錄的精準(zhǔn)測(cè)量，也在理論層面回應(yīng)了核心問(wèn)題：非編碼“暗物質(zhì)”的轉(zhuǎn)錄活動(dòng)及生命調(diào)控的概率本質(zhì)，通過(guò)定量揭示了新生轉(zhuǎn)錄的稀疏性和異質(zhì)性，突破了穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)錄組的局限，為打破既有生物學(xué)范式，理解基因調(diào)控和細(xì)胞命運(yùn)決定，提供了全新框架，為再生醫(yī)學(xué)、癌癥研究提供了新思路。（記者鄧暉）

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