Science：神經元突起中，單核糖體偏好性地翻譯突觸mRNA

　　RNA測序和原位雜交揭示了神經元樹突和軸突中存在意想不到的大量RNA種類，而且許多研究已經記錄了蛋白在這些區室中的局部翻譯。在信使RNA（mRNA）的翻譯過程中，多個核糖體可以同時占據單個mRNA（一種稱為多核糖體的復合物），從而導致編碼蛋白的多個拷貝產生。多核糖體通常在電子顯微鏡圖片中被識別為由三個或三個以上的核糖體組成的核糖體簇。多核糖體已在神經元樹突中檢測到，但是令人吃驚的是，鑒于存在于樹突和軸突中的mRNA多樣性，多核糖體并不常見。在神經元突起（neuronal processes，分為樹突和軸突）中，翻譯的特征和機制尚未詳細探討，這部分上是因為樹突和軸突相對難以接近。

　　在一項新的研究中，來自德國馬克斯普朗克腦研究所的研究人員研究了一組多樣化的神經元蛋白如何可能由在體積較小的突觸中存在的有限數量的多核糖體合成。相關研究結果發表在2020年1月31日的Science期刊上，論文標題為“Monosomes actively translate synaptic mRNAs in neuronal processes”。

單核糖體翻譯神經纖維網中的突觸mRNA，圖片來自Science, 2020, doi:10.1126/science.aay4991。

　　為了適應神經元的復雜形態，它們將mRNA和核糖體定位在突觸附近，以便在局部產生蛋白。然而，在神經元突起的電子顯微鏡圖片中檢測到的多核糖體（蛋白翻譯的活性位點）的相對稀缺表明局部蛋白合成的能力相當有限。為了可視化觀察體內局部蛋白產生的能力，這些研究人員在嚙齒動物海馬體神經元突起中分析了積極翻譯的mRNA。

　　為了分析神經元區室，這些研究人員對來自海馬體切片CA1區的神經纖維網（neuropil，由神經元突起構成的網狀結構）和胞體（somata）層進行了顯微切割，從而獲得富含樹突和或軸突而不富含胞體的樣本。針對顯微切割區域的多核糖體圖譜（polysome profiling）可用來確定軸突和/或樹突和胞體mRNA轉錄本與單核糖體（monosome）和多核糖體之間的關聯性。核糖體印記（ribosome footprinting）隨后用于評估單核糖體和多核糖體的翻譯活性。生物信息學分析用于確定單核糖體偏好的mRNA轉錄本的特征，以及單核糖體偏好的mRNA轉錄本編碼的蛋白家族。

　　這些研究人員還比較了胞體和神經纖維網中的mRNA轉錄本的單核糖體/多核糖體（monosome-to-polysome, M/P）偏好性。為了估計由單核糖體偏好性mRNA轉錄本和多核糖體偏好性mRNA轉錄本編碼的蛋白的豐度，他們使用基于質譜的蛋白質組學方法測量了神經纖維網中的蛋白水平。

　　在成年嚙齒動物的大腦中，這些研究人員在體內檢測到突觸神經纖維網（一個富含神經元軸突和樹突的區域）中正在進行的大量蛋白合成，并且提供直接證據表明單核糖體偏好地翻譯大量的突觸前轉錄本和突觸后轉錄本。單核糖體參與樹突和軸突中活性多肽的延伸。大多數轉錄本在胞體和神經纖維網中均表現出類似的M/P偏好性，這表明核糖體占用通常是轉錄本的內在特征。幾種mRNA轉錄本表現出對單核糖體或多核糖體的偏好性，這種偏好性的變化取決于轉錄本所在的神經元區室；這些mRNA編碼一些與突觸可塑性相關的蛋白。總體而言，神經纖維網表現出對單核糖體翻譯的偏好性。單核糖體偏好性轉錄本在神經纖維網中編碼了一系列從低豐度到高豐度的蛋白。

　　在這項新的研究中，這些研究人員研究了神經元突起中的翻譯全貌（translational landscape），并確定了80S單核糖體的局部翻譯是突觸蛋白的重要來源。定位于神經纖維網中的轉錄本（即神經纖維網轉錄本）表現出比胞體轉錄本更高的單核糖體偏好性，從而潛在地允許利用突觸中有限的可用核糖體數量產生一組多樣化的蛋白。因此，這一發現彌合了神經元突起中可視化觀察到的翻譯復合物的相對匱乏與局部翻譯的實際測量值之間的差距。考慮到樹突棘（dendritic spine，樹突分枝上的棘狀突起，也是神經元間形成突觸的主要部位）和突觸扣結（axonal bouton）的空間限制，突觸活性還可以調節單核糖體翻譯，從而使局部蛋白質組在時間和空間上具有多樣性。