很多人都知道一个人的所有细胞都有相同的基因，但是各种细胞的形态和功能完全不同，这是因为它们会表达不同的基因。

这个过程分为两步：第一，转录，也就是从脱氧核糖核酸（DNA）转录成核糖核酸（RNA）；第二，翻译，也就是从核糖核酸翻译成蛋白质。

美国约翰霍普金斯大学助理教授吴斌实验室，通过开发相关方法来在活细胞里观察单个分子的运动，借此可以看到单个核酸分子的转录、运动、与翻译。通过观察这些分子的运动，可以更好地了解细胞对于基因的表达。

图 | 吴斌（来源：吴斌）

在近期一项工作里，该团队主要研究了核酸的翻译，也就是将遗传信息从核糖核酸翻译成蛋白质。

在细胞里，翻译的工作由一个叫核糖体的细胞器来完成。虽然人们已经在原子水平了解了核糖体的工作原理，但是在活细胞里面单个核酸分子是如何被翻译的，我们依旧不是非常清楚。

此前该课题组发明了一种方法，可以看到单个核酸分子在活细胞里的翻译。但是由于实验条件的限制，只能观察很短的时间（几秒到几分钟）。

为了观察细胞如何调控翻译，就必须观察单个核酸分子几个小时。本次研究中，当长时间观察单个核酸分子之后，他们发了现一些非常有趣的现象。

比如，单个核酸分子并不是以稳定的、单个速度来翻译。相反，翻译的速度时常变化，有时候干脆没有翻译。

所以他们认为翻译不是一个连续的过程，而是至少分为活跃和失活两个状态。其还测量了这些翻译的参数，希望搞清楚到底哪些因素会影响这些参数。

其发现，在核酸里没有被翻译的一段基因信息，可以控制这个核酸分子的翻译现象。他们还研究了细胞状态对于核酸分子翻译的影响，揭示了单个核酸分子在活细胞里以小时为时间尺度的翻译现象，这为更深入地研究单个核酸分子的翻译机理奠定了基础。

审稿人表示：“这篇论文所观察到的不连续翻译现象会产生深远的影响，为单分子翻译领域树立新的标杆。”

以核酸疫苗为例，核酸可以直接作为药物。当核酸进入细胞后，也需要被翻译成蛋白质。在核酸疫苗领域，如何更有效地将核酸表达成蛋白，是非常有价值的问题。也就是说，此次实验成果可以用来研究核酸疫苗的翻译情况。

吴斌表示：“我们是一个新的实验室，这篇论文的第一作者 Nathan Livingston 是我的第一个学生。从实验室开始搭建仪器，到中间新冠疫情，有很多不容易的事情。”

很早之前，课题组就决定要定量化地研究单个核酸分子在活细胞里的翻译，也在此前观察到了不连续的翻译现象。但是在分析数据和建立数学模型的时候，该团队遇到很多困难。

随着研究的进行，他们最初的模型被完全推翻。他们最初假设核酸未翻译区域的复杂结构会影响它的时域信号，也就是什么时候能够翻译、什么时候不能翻译。

但是，他们发现这个假设无法解释实验数据。于是，只好提出新的不同的模型，原因在于未翻译区域的结构会影响核酸分子的翻译。

“幸好我的隔壁同事刘建是理论生物专家。在他的帮助下，我们完成了数据分析和理解。另外，我的同事 Rachel Green 和 Taekjip Ha 也帮助很大。”吴斌表示。

最终，相关论文以《活细胞中单个信使核糖核酸的突变翻译》（Bursting translation on single mRNAs in live cells）为题发在 Molecular Cell[1]，内森·利文斯顿（Nathan M. Livingston）是第一作者，美国约翰霍普金斯大学刘建教授和吴斌教授担任共同作者。

图 | 相关论文（来源：Molecular Cell）

目前，课题组已经拥有完好的理论框架。但其认为翻译不是一个连续的过程，而是至少分为活跃和失活两个状态。后续，他们会继续研究其他因素对核酸分子翻译状态的影响。

参考资料：

1.Livingston, N. M., Kwon, J., Valera, O., Saba, J. A., Sinha, N. K., Reddy, P., ... & Wu, B. (2023). Bursting translation on single mRNAs in live cells.Molecular Cell.