[發明專利]基于可控相分離液滴控制細胞內mRNA定位和翻譯過程的方法

在審

• 申請號: 202010327372.0
• 申請日: 2020-04-23
• 公開（公告）號: CN111471713A
• 公開（公告）日: 2020-07-31
• 發明（設計）人: 孫育杰;張宏晨;邵世鵬
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: C12N15/85
• 分類號: C12N15/85;C12N15/62
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理有限公司 11360
• 代理人: 李稚婷

本發明公開了基于可控相分離液滴控制細胞內mRNA定位和翻譯過程的方法。通過蛋白質相分離技術在細胞內構建蛋白質液滴，利用RNA適配子連接mRNA，可以將任意特定mRNA招募到蛋白質液滴中，通過光遺傳學技術控制液滴聚集與解聚，實現對mRNA的招募與釋放。當mRNA被包裹在液滴內，其翻譯被抑制，而通過光照特定區域使液滴解聚，釋放出mRNA，完成翻譯過程，從而實現了在活細胞內對mRNA的翻譯過程進行精確的時間和空間控制。本發明技術在研究基因表達的空間調控對組織發育中細胞遷移以及疾病的影響方面將有廣泛應用。

技術領域

本發明涉及一種對活細胞內mRNA翻譯過程的精準時間和空間控制方法，屬于分子生物學和細胞生物學領域。

背景技術

細胞內mRNA的非均勻性分布可以保證細胞內生命活動在不同的亞細胞區域內進行。控制細胞內mRNA定位和翻譯過程是細胞廣泛采用的一種在時間和空間上控制基因表達的機制。這種機制在高度極化的非對稱細胞內尤其顯著。控制細胞內mRNA的非對稱定位，可以使mRNA的翻譯產物——蛋白質分布于特殊的亞細胞區室內發揮局部功能。細胞內mRNA的非極性分布在細胞命運決定、細胞遷移、胚胎發育等過程中具有重要作用。例如，在出芽酵母中，轉錄抑制因子ASH1控制著酵母交配方式的類型轉換。ASH1 mRNA可以被運送到分裂細胞的芽端。因此，它只被傳遞到子細胞的細胞核，確保母細胞和子細胞有不同的交配方式類型。又如，在果蠅中，bicoid、oskar和nanos等mRNA定位于卵母細胞的前、后極，有助于胚胎發育過程中極性的建立；在蛙類的卵母細胞中編碼T-box轉錄因子VegT的mRNA定位于植物極，誘導內胚層和中胚層細胞在胚胎中的命運決定；在成纖維細胞中，β-actin mRNA非極性分布能夠調控細胞的運動方向；在膠質細胞中，編碼髓磷脂基本蛋白的信使mRNA(MBP)被輸送到髓鞘形成的遠端，并在遠端進行翻譯。

然而，目前在活細胞中對mRNA的亞細胞分布及其局部翻譯過程的實時動態追蹤以及精準的時間和空間控制還難以實現，而mRNA翻譯過程的精確時空動態在決定細胞行為方面往往是至關重要的，在整個生命進程中具有重要意義。基于此，目前亟需開發一種能實現對活細胞內mRNA翻譯過程的精準時間和空間控制的方法。

發明內容

針對上述問題，本發明提供了一種控制細胞內的mRNA的定位和翻譯過程的重要工具，以克服現在對于細胞內mRNA定位難以操縱的問題。本發明綜合利用光遺傳學和細胞內生物學相變的方法，可以在活細胞中控制任意mRNA的定位和翻譯過程，進而研究該mRNA的不均勻分布對細胞生命活動的影響。

近年來，相分離(Phase separation)過程由于被發現在細胞生物行為中廣泛存在而引起人們的關注。液-液相分離(liquid-liquid phase separation)描述的是單一相中不同成分間相互碰撞、融合形成液滴，從而使一些成分被包裹在液滴內，一些成分被阻隔在液滴外，最終平衡的過程，類似于水油相混不能互溶。相分離是產生凝聚體的一種途徑，凝聚體具有隔間、過濾器、反應容器、反應工廠、力發生器、細胞信號調節器等功能，細胞內通過形成這種液-液相分離，可以形成獨立的一個小環境。由于這個凝聚體是無膜的，它可以直接的與細胞質進行接觸并快速高效的和周圍進行物質交換，另一方面，由于這個凝聚體是相對獨立的，在其中可以獨立進行生物學反應。凝聚體可以將包裹在凝聚體內的生物分子隔離開來，避免環境干擾，并且在一個相對獨立的空間內提高凝聚體內部生物分子相互作用的反應速率。因此，利用相分離形成凝聚體對目標分子進行包裹可以實現對生物分子在一個相對獨立的空間的精準時間和空間的人工控制。因此本發明使用細胞內相分離形成液滴將mRNA分子包裹入其中，抑制其翻譯過程。并結合光遺傳學技術，在需要翻譯的細胞亞結構中將該mRNA分子釋放出來，進行局部翻譯，使生成的蛋白只在局部發揮功能。