母体信使RNA(mRNA)位于未成熟卵子的细胞质中，对启动发育至关重要。受精后，这些mRNA被传递到受精卵，即第一个新形成的细胞。
它们是从母体DNA遗传密码中读取的，是早期发育所必需的蛋白质生产的唯一模板，直到受精卵自身的基因变得活跃并接管。
许多母体mRNA储存在核糖核蛋白(RNP)颗粒中，这是一种无膜区室或凝聚物，位于卵子和发育中的胚胎内。
人们认为这些颗粒会将mRNA保持在“暂停”状态，直到卵细胞受精后需要编码的蛋白质进行特定的发育过程。然后，某些发育信号开始发出指令，指示RNP颗粒释放储存的mRNA，这样指令就可以转化为功能性蛋白质。
一种称为生殖颗粒的RNP颗粒存在于胚胎生殖质中，生殖质是产生生殖细胞的细胞质区域，生殖细胞会变成成年果蝇的卵子或精子。怀特黑德研究所所长RuthLehmann研究生殖细胞如何形成并将其遗传信息传递到后代。她的实验室特别感兴趣的是了解胚胎中的生殖颗粒如何定位和调节母体mRNA。
现在，Lehmann与研究生RuoyuChen及其同事发现，果蝇(Drosophilamelanogaster)生殖颗粒的作用不仅限于保护母体mRNA。
他们的研究成果于7月4日发表在《自然细胞生物学》杂志上，证明生殖颗粒在翻译或将一种特定的母体mRNA(称为nanos)制成蛋白质方面也发挥着积极作用，这种mRNA对于指定生殖细胞和生物体的腹部至关重要。
陈教授说：“传统上，科学家认为RNP颗粒是翻译的死区。但通过高分辨率成像，我们挑战了这一观点，并表明这些颗粒的表面实际上是纳米mRNA翻译的平台。”
RNP颗粒充当保险库
在发育中的胚胎中，各种决定命运的蛋白质决定了细胞在完全成型的身体中是否会发育成肌肉、神经或皮肤细胞。Nanos是一种在果蝇和人类中具有保守功能的基因，它指导Nanos蛋白质的产生，而Nanos蛋白质则指导细胞发育成生殖细胞。Nanos基因突变会导致动物不育。
在早期胚胎发育过程中，Nanos蛋白还有助于确定果蝇胚胎的身体结构——它指定后端或腹部区域，并引导组织沿着身体长度从头到尾有序发育。在Nanos功能受损的胚胎中，后果是致命的。
“当Nanos蛋白无法正常发挥作用时，果蝇胚胎会非常短，”陈说。“这是因为胚胎没有腹部，而腹部基本上只占身体的一半。Nanos还有第二种功能，从果蝇到人类都保留了下来。这种功能非常局部，可以指示含有大量Nanos的细胞成为生殖细胞。”
鉴于Nanos的重要作用，胚胎必须保护其产生的指令，直到胚胎达到特定的发育阶段，即确定后部区域的时候。先前的研究表明，生殖质和生殖细胞中的生殖颗粒可以起到穹顶的作用，保护nanosmRNA免于降解或过早翻译。
然而，尽管构建蛋白质的mRNA指令遍布整个胚胎，但Nanos蛋白质仅存在于胚芽颗粒所在的区域。由于一种名为Smaug的调节蛋白的存在，mRNA无法在胚胎的其他地方进行翻译。Smaug以JRRTolkien1937年的小说《霍比特人》中描述的金龙命名。
斯毛戈与mRNA的非蛋白质编码片段(称为3'非翻译区(3'UTR))结合，延伸到蛋白质编码序列之外，从而有效抑制翻译过程。
对于Lehmann、Chen和他们的同事来说，这暗示了nanosmRNA和生殖颗粒之间的一种有趣的关系。这些颗粒对于将nanosmRNA翻译成功能性蛋白质是否必不可少?如果是，它们的作用主要是作为逃避Smaug抑制的安全场所，还是它们也积极促进nanosmRNA的翻译?
Oskar介导Smaug定位和nanosmRNA的翻译解除抑制。在野生型Oskar中，Smaug定位于生殖颗粒，但其翻译抑制辅助因子(Cup/CCR4-NOT除外)。局部Smaug的翻译抑制功能失调，允许nanosmRNA翻译。在Oskar-NQmut种质中，Smaug失去了在生殖颗粒中的定位，但在生殖颗粒内获得了功能，从而抑制了nanosmRNA的翻译。图片来源：NatureCellBiology(2024)。DOI：10.1038/s41556-024-01452-5
为了回答这些问题，研究人员将高分辨率成像与一种名为SunTag系统的技术相结合，在单分子水平上直接观察果蝇生殖颗粒内纳米mRNA的翻译。
与使用单个荧光分子的绿色荧光蛋白标记不同，SunTag系统允许科学家招募多个GFP拷贝以放大信号。首先，将称为SunTag的小蛋白质标签与nanosmRNA的蛋白质生产区域融合。
当mRNA指令进行翻译时，GFP分子会粘附在新合成的SunTag-Nanos蛋白上，从而产生明亮的荧光信号。将专门标记mRNA的荧光探针覆盖在此翻译信号上，研究人员便可以精确地观察和追踪翻译过程发生的时间和地点。
“利用这个系统，我们发现当纳米mRNA被翻译时，它会稍微从颗粒表面突出，就像蛇从盒子里探出头来一样，”陈说。“但它们不能完全露出来;它们序列的一部分，特别是它们的‘后端’，3'UTR，仍然藏在颗粒内。当RNA没有被翻译时，比如在卵子发生过程中，尖端会卷回并隐藏在颗粒内。”
Lehmann、Chen和他们的同事利用高分辨率SunTag成像技术，直接补充了其他具有类似观察结果的研究人员的工作：翻译过程中的mRNA处于延伸配置，而当mRNA受到抑制时，5'UTR会卷曲回3'UTR。
翻转纳米翻译
随后，研究人员继续仔细观察这些颗粒如何帮助启动翻译，而Smaug却能够抑制相同的纳米mRNA分子在胚胎的其他区域进行翻译。
他们推测，隐藏在颗粒内的nanosmRNA的非翻译区(UTR)可能通过将mRNA指令定位在生殖细胞颗粒内，在翻译过程中发挥着关键作用。他们推测，这种定位可以保护mRNA免受Smaug的抑制作用，并促进Nanos蛋白质的产生，从而使后部区域能够正常发育。
然而，与简单的保护模型相反的是，他们发现Smaug不仅没有被耗尽，反而在胚芽颗粒中富集，这表明RNP颗粒中的其他机制必须抵消Smaug的抑制作用。为了探索这一点，研究人员转向了另一种名为Oskar的调节蛋白，已知该蛋白与Smaug相互作用。
1986年，莱曼在一项研究中发现了果蝇的Oskar基因，该基因以德国小说《铁皮鼓》中的人物命名，已知该基因有助于后部区域的发育。后来的研究表明，在卵母细胞发育过程中，Oskar充当支架蛋白，启动生殖细胞中生殖颗粒的形成，并引导包括纳米在内的mRNA分子朝向颗粒。
为了更深入地了解Oskar在生殖颗粒中翻译调控的全部作用及其与Smaug的相互作用，研究人员设计了一种改良版的Oskar蛋白。这种改良版的Oskar蛋白保留了启动生殖颗粒形成和定位纳米mRNA的能力。然而，Smaug不再定位到这种改良版Oskar组装的生殖颗粒上。
研究人员随后研究了突变蛋白是否对nanosmRNA翻译有任何影响。在含有这种Oskar突变版本的生殖细胞中，研究人员发现nanosmRNA翻译显著减少。
综合这些发现，可以推测Oskar通过将Smaug招募到颗粒中，然后抵消其对翻译的抑制，来调节果蝇胚胎中的nanos翻译。
“由RNA和蛋白质组成的凝聚物存在于几乎每个细胞的细胞质中，被认为可以介导mRNA的储存或运输，”莱曼说，他也是麻省理工学院的生物学教授。
“但我们的研究结果为凝聚物生物学提供了新的见解，表明凝聚物也可用于专门翻译储存的mRNA。”
事实上，在卵母细胞中，生殖颗粒是沉默的，只有当卵子受精时才会被激活。
“这表明在早期发育过程中，凝聚体中可能还存在其他控制翻译的‘开关’，”莱曼补充道。“如何实现这一点，以及我们是否可以设计出让这些颗粒和其他颗粒随意发生这种情况，都是未来的问题。”
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