著名华裔科学家Science文章获技术突破

【字体: 时间:2010年08月03日 来源:生物通

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  生命科学发展至今,正朝着两个方向分化发展:宏观和微观。微观方面,在单分子水平上,不仅提出了第三代测序技术这样近期倍受瞩目的新技术,而且从单个细胞,单个蛋白水平上分析生理过程,也正成为一个研究热点。

  

生物通报道:生命科学发展至今,正朝着两个方向分化发展:宏观和微观。微观方面,在单分子水平上,不仅提出了第三代测序技术这样近期倍受瞩目的新技术,而且从单个细胞,单个蛋白水平上分析生理过程,也正成为一个研究热点。

来自哈佛大学医学院化学生物学系的研究人员为了解开单细胞水平上,基因表达和调控的分子机制,进行了系列实验研究,近期不仅获得了许多研究成果,而且也解决了一些实验技巧问题,在Science杂志上发布文章,首次实现了对物种在整个表达谱范围内的蛋白表达噪声测量。

领导这一研究组的是华人科学家谢晓亮博士,其出身于化学世家,其父为北大化学与分子工程学院著名教授谢有畅。谢晓亮博士毕业于北大化学系,1985年赴加州大学圣地亚哥分校攻读博士,1999年被聘为哈佛大学化学与生物系终身教授,是该校仅有的两位中国大陆的终身教授之一。目前其研究重点是单分子光谱检测及其在生命科学中的应用。谢教授曾获美国物理学会的青年光谱学家奖、以色列总统奖等多项殊荣,现被聘为北大化学与分子工程学院客座教授。

在基因表达研究领域,传统的研究方法是在同等条件下磨碎大量细胞,然后测量基因产物的数量,例如mRNA和蛋白。然而最近的研究却发现,看起来完全相同的单个细胞实际上表达水平完全是随机的,存在着巨大的个体差异,科学家称之为“噪音”。科学家们在研究单细胞生物体的“噪音”时发现,即使是基因完全相同的细胞其行为也是完全不同的。测量不同生物体内的蛋白表达噪音可以帮助科学家们了解生命的演化和功能。

在最新的文章中,研究人员报道了大肠杆菌的1018个基因在单个细胞内的绝对表达数以及各个细胞间的差异,这些基因占了大肠杆菌全基因组的四分之一左右。他们还同时测量了其中137个大量表达的基因的mRNA分子数量。

尽管在同基因组细菌群的细胞中,蛋白和mRNA拷贝数差异巨大,不过通常数量较小,难以在单分子水平上检测。谢晓亮小组的研究人员利用自己搭建的一套全新的大肠杆菌黄色荧光蛋白融合库,成功地实现了单个细胞内在单分子水平对整个表达谱范围内的蛋白和mRNA的定量分析。

如上图所示,这就是一张黄色荧光蛋白融合库的定量成像图,从图A中可以看到研究人员在每个文库菌种中将YFP(黄色荧光蛋白)融合在一种蛋白的C端,之后利用一种芯片进行分析成像。C、D、E图是获得的荧光成像图。研究人员通过进一步计算分析发现,几乎所有的蛋白分布均可用两个参数的伽玛分布来描述,也就是mRNA的转录速率和每个mRNA分子表达为蛋白质的数量。而当表达水平较高的时候,分布图被其他的外部噪音所充斥。 

除此之外,研究人员还发现单细胞中某基因在某一时刻的mRNA表达拷贝数与其蛋白表达拷贝数无关,这将促进科学家对基因随机表达和调控的理解。

谢晓亮研究组曾利用了不同的方法观测到活体细胞中单个蛋白分子翻译合成的过程。比如利用了延时动态影像技术(time-lapse movies)通过60个融合蛋白翻译的过程发现lac抑制因子每脱离DNA片段一次,只有一条mRNA转录出来,随着一阵短时间蛋白合成脉冲,得到了每次不同数目的蛋白分子。这个蛋白数目的变化是符合指数递减规律的——上个世纪80年代得出的一个理论,但至今并未得到实验证据。或者利用了微流控(microfluidic chambers)捕捉E.coli细胞阻止荧光分子完全释放出去,通过将这种微流室固定在一个显微镜下,观测到了单个β-半乳糖苷酶的翻译过程。

他们将一个荧光报告基因(黄色的荧光蛋白Venus)融合到一个膜蛋白(狂犬病膜蛋白Tsr)上,这样这个荧光信号就能固定在一处,并且保持发光度一段时间。然后研究人员在这个融合蛋白前加入E.coli的Lac启动子,通常会有一个抑制因子阻止其表达,但是偶然这个抑制因子会随机的从这段DNA上脱离下来,从而就能转录出mRNA,翻译成荧光融合蛋白。每一次产生一个融合蛋白分子,研究人员就能观测到这个蛋白在细胞内闪闪发光,为了能实时监控这个过程,研究人员利用了延时动态影像技术(time-lapse movies)。这样通过60个融合蛋白翻译的过程,谢等人发现lac抑制因子每脱离DNA片段一次,只有一条mRNA转录出来,随着一阵短时间蛋白合成脉冲,得到了每次不同数目的蛋白分子。

谢晓亮教授在生物技术发展方面也有很多自己的看法,他曾提到了生物物理的发展趋势。 20世纪上半叶,物理有很多突破,像原子模型、量子力学、核电站等等,但是没有物理那么突出,50年代初DNA的结构问题及生物突飞猛进的发展,造就了生物技术一个接一个的里程碑,像基因工程、试管婴儿,还有遗传基因、干细胞以及人类基因库等。各国政府也加大了生物学的投入,说明生物学有很多重大的发展机会。美国的物理学家在80年代初的时候,说服了美国国会造SSC超级碰撞机,这是用来研究基本离子的相互作用的重大课题,但是花钱很多,最后预计是一百亿美元,花到二十亿美元的时候,1993年美国国会停止了这个项目,这说明国家科学决策的重要性。在研制SSC的同时,美国开始了另外一个国家计划,即人类基因库计划,只花了三分之一的钱,用了十年的时间就研究出来了。人类基因库对生物学、医学发展有重大的影响,意义是 SSC没法比的。

(生物通:万纹)

原文摘要:

Quantifying E. coli Proteome and Transcriptome with Single-Molecule Sensitivity in Single Cells

Protein and messenger RNA (mRNA) copy numbers vary from cell to cell in isogenic bacterial populations. However, these molecules often exist in low copy numbers and are difficult to detect in single cells. We carried out quantitative system-wide analyses of protein and mRNA expression in individual cells with single-molecule sensitivity using a newly constructed yellow fluorescent protein fusion library for Escherichia coli. We found that almost all protein number distributions can be described by the gamma distribution with two fitting parameters which, at low expression levels, have clear physical interpretations as the transcription rate and protein burst size. At high expression levels, the distributions are dominated by extrinsic noise. We found that a single cell’s protein and mRNA copy numbers for any given gene are uncorrelated.

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