经验分享：活细胞RNA成像技术及其在生物医学中应用研究进展( 四 )

2.2
前mRNA剪接是高等真核生物基因表达的重要过程，需要很高的准确性。转录后， mRNA分子通过RNA剪接过程进行加工。不编码蛋白质的mRNA部分被切掉，然后再将这些片段重新拼接在一起。在RNA剪接加工方面，研究者利用活细胞RNA成像技术取得了一系列新发现。 Martin等[62]利用RNA成像技术成像内含子序列，发现内含子寿命因剪接位点强度而异，强剪接位点内含子的寿命明显缩短。 β-珠蛋白内含子在20~30s内被转录和切除。转录是影响长内含子剪切速率的主要因素[62] 。 RNA成像分析表明剪接与转录同时或在转录结束后发生，转录后剪接比共转录剪接发生更为频繁[72] 。剪接内含子不是按预定顺序去除的。相反，剪接体对剪接位点的选择表现出极大的随机性。剪接体不是通过在每一端切割来切除完整的内含子，而是经常在内含子内部进行切割，通过多个步骤将其去除[63] 。 RNA剪接是高度动态且瞬时发生的，利用活细胞RNA成像技术能捕捉并揭示剪接动力学，有利于理解剪接的发生及调节等过程。前mRNA中剪接因子或调控元件的变异通常会导致人类许多疾病，如剪接因子的变异可导致癌症的产生，并影响了约50%的骨髓增生异常综合征患者[73] 。因此，利用活细胞RNA成像技术也可用于研究剪接障碍所致疾病的发病机制研究。
2.3
mRNA转运和正确定位十分重要。各种蛋白质的转录本以多种方式在细胞质中运输，包括沿着肌动蛋白丝、沿着微管或通过简单的扩散。研究表明，核编码的mRNA能定位在线粒体表面，但其生物学意义不清楚。通过MS2/MCP系统在活细胞内成像这类mRNA的定位，发现当酵母细胞耗尽葡萄糖时，能量的获取途径从发酵转变为氧化磷酸化，线粒体体积增大，会使更多的核编码mRNA在线粒体表面进行定位，并促进蛋白质生成来响应细胞能量需求的变化[61] 。 RNA转运研究是一个快速发展的领域，其结合了不同的实验方法，其中单分子成像技术占有重要地位。利用单分子成像技术显示了亚细胞mRNA分布和mRNA表达在细胞间的差异性，而这些结果是生化检测方法难以获得的。 mRNA定位及其转运障碍也能导致发育和神经系统疾病以及癌症[74-75] ，如met-BDNFmRNA在树突中的运输障碍导致人的情景记忆受损和抑郁症[76] 。利用活细胞RNA成像技术有助于理解疾病模型中mRNA定位错误、运输障碍所致疾病的发病机制研究。
2.4
翻译是在细胞核中DNA转录为RNA后，细胞质或内质网中核糖体合成蛋白质的过程。研究者将RNA成像技术与Suntag荧光扩增技术（标记新生肽链）相结合，巧妙地在单分子水平上对蛋白质翻译动态进行解析。在翻译过程中，核糖体延伸速度约为每秒5个氨基酸，起始速率为每1~4min一次[77] 。在初级神经元中， mRNA在远端树突里的翻译被抑制，但能在近端树突被翻译并表现出“爆发性”翻译[78] 。另一项研究表明，翻译中的mRNA并非静止，而是和新生蛋白质一起移动，且mRNA翻译效率具有空间异质性，这可能取决于其亚细胞定位[64] 。 mRNA在核质中的特定基因组位点合成，穿过细胞核和核孔，并在正确的时间和地点产生蛋白质。一些mRNA需要递送到特定的细胞质进行局部翻译，这在多种生物学过程中发挥着重要作用，如胚胎发生过程中的空间模式、细胞命运决定、不对称细胞分裂、细胞极性和运动、信号转导和神经元突触功能[79] ，利用活细胞RNA成像技术实时动态追踪转运的mRNA ，有助于理解和研究这些生物学过程的发生以及RNA的行为意义。 RNA成像技术是研究活细胞中单个mRNA时空翻译机制的重要工具。