Nature：mRNA从细胞核进入细胞质的有趣过程

　　

    生物通报道  耶什华大学阿尔伯特爱因斯坦医学院的研究人员利用显微镜观察活细胞发现了信使核糖核酸（mRNA）从细胞核进入细胞质的过程中重要的分子作用机制。研究论文在线发表在《自然》（Nature）杂志上，标志着显微镜在科学研究应用方面的巨大进步。这一发现将有可能推动对肌强直性营养不良等由于信使RNA在细胞核内沉积所致的病症的治疗。

    文章的第一作者Robert Singer博士是解剖学和结构生物学系教授及联合主席、细胞生物学和神经科学教授、爱因斯坦格鲁斯理柏生物光子学中心（Gruss-Lipper Biophotonics Center）的联合负责人。另一位共同作者David Grünwald是荷兰代尔夫特理工大学Kavli 纳米科学研究所工作人员。

    在此研究之前，显微镜的分辨率仅为200纳米这意味着接近此大小的活细胞分子无法被分辨。在新研究中研究人员将显微镜的分辨率提高了10倍，成功地区分了大小仅为20纳米的分子。

    蛋白质合成是最重要的细胞生理过程。基因脱氧核糖核酸（DNA）携带着遗传信息。在蛋白合成过程中，通过DNA转录将遗传信息传递给信使RNA，信使RNA分子离开细胞核进入细胞质，在细胞质的核糖体中翻译合成特异的蛋白质。

    分子通过核孔在细胞核与细胞质之间进行穿梭运动。研究人员用黄色荧光蛋白标记信使RNA分子，用红色荧光蛋白标记核孔，通过高速摄像机将信使RNA分子通过核孔的过程拍摄下来，从而揭示了信使RNA分子通过核孔从细胞核进入细胞质的动态机制。这是研究人员第一次在活细胞中实时观察分子的膜孔转运。
 
    “直到现在我们才真正地了解信使RNA通过核孔的过程，”Singer博士说道：“研究人员曾以为这些分子通过狭窄的核孔应该是一个缓慢的易位过程。让我们惊讶的是，信使RNA分子迅速地通过了核孔，缓慢地停泊在细胞核的边缘等待释放进入细胞质。

    Singer博士发现单个的信使RNA分子在到达核孔后会等待80毫秒，然后在5毫秒的时间内快速通过核孔，最后分子在核孔的另一边又等待80毫秒然后才被释放到细胞质。

    研究还发现有10%的信使RNA分子在核孔停留数秒而最终无法获得通过这表明信使RNA可能在这个位点被筛查。

    “研究人员推测某些突变基因的信使RNA分子也许在进入细胞质之前或一段短时间之后就被筛查出来并被破坏，问题是在哪里发生了监督作用？”Singer博士说：“因此我们想知道是否因为存在质量控制机制使得这些信使RNA分子无法正常通过核孔。

    肌强直性营养不良是一种以肌肉废用为特征的严重的遗传疾患，是由于三个核苷酸DNA重复序列发生突变引起。Singer博士在对肌强直性营养不良的研究中发现肌强直性营养不良患者的细胞mRNA沉积在细胞核里，而无法进入细胞质。“通过了解mRNA在细胞核中沉积的机制，我们也许能够找到由于信使RNA在细胞核内沉积所致的病症的治疗方法。”

（生物通：何嫱）

原文推荐
Nature advance online publication 15 September 2010 | doi:10.1038/nature09438; Received 3 November 2009; Accepted 23 August 2010; Published online 15 September 2010

In vivo imaging of labelled endogenous β-actin mRNA during nucleocytoplasmic transport

David Grünwald & Robert H. Singer

Export of messenger RNA occurs via nuclear pores, which are large nanomachines with diameters of roughly 120 nm that are the only link between the nucleus and cytoplasm1. Hence, mRNA export occurs over distances smaller than the optical resolution of conventional light microscopes. There is extensive knowledge on the physical structure and composition of the nuclear pore complex2, 3, 4, 5, 6, 7, but transport selectivity and the dynamics of mRNA export at nuclear pores remain unknown8. Here we developed a super-registration approach using fluorescence microscopy that can overcome the current limitations of co-localization by means of measuring intermolecular distances of chromatically different fluorescent molecules with nanometre precision. With this method we achieve 20-ms time-precision and at least 26-nm spatial precision, enabling the capture of highly transient interactions in living cells. Using this approach we were able to spatially resolve the kinetics of mRNA transport in mammalian cells and present a three-step model consisting of docking (80 ms), transport (5–20 ms) and release (80 ms), totalling 180 ± 10 ms. Notably, the translocation through the channel was not the rate-limiting step, mRNAs can move bi-directionally in the pore complex and not all pores are equally active.