細胞裝上高清“顯微鏡”

本報北京9月29日電（記者鄧暉） 在一個微小細胞裏究竟有多少DNA正在“工作”？單細胞又是如何決定自己命運的？清華大學基礎醫學院沈曉驊課題組首次實現對單個細胞內基因轉錄活動的精準捕捉與即時觀測，相關研究成果近日在線發表於國際期刊《細胞》。

在高等真核生物中，同一個基因組可“讀出”數百種，甚至上千種不同的細胞類型。基因通過轉錄生成RNA（核糖核酸），不僅指導蛋白質合成，也參與調控染色質和細胞核結構。雖然編碼蛋白質的mRNA只佔基因組約2%，但超過98%的基因組區域並不編碼蛋白質，卻可能被轉錄生成非編碼RNA。這類非編碼RNA通常水平低、隨機性強、半衰期短，大多停留在細胞核內，理解新生RNA的產生和調控，對揭示基因組如何驅動多樣化的細胞命運具有重要意義。

“我們提出了一套‘抓活的基因產物’技術方法。”團隊成員介紹，“它的核心創新在於像是為細胞裝上高清‘顯微鏡’一樣，通過給新生RNA打上特殊標記，直接在細胞核內進行捕獲和測序。”他進一步解釋，與傳統方法相比，該技術具有三大優勢：精準捕獲RNA起始信息，不遺漏關鍵片段；有效保留未加工RNA，真實反映基因工作狀態；幾乎無DNA污染，結果更加可靠。

利用該技術，團隊在胚胎幹細胞、改造過的胚胎幹細胞、脾臟細胞、胚胎成纖維細胞等四種細胞中進行實驗發現，即使是最活躍的胚胎幹細胞，同時工作的基因也不到基因組的3.1%。“相當於一本1000頁的書細胞同一時間只翻了31頁。”團隊成員解釋，“這表明單細胞轉錄極其稀疏、隨機且異質，羣體分析往往掩蓋了此類細胞間差異。”

此外該研究還揭示了非編碼RNA在細胞命運決定中的重要作用。研究發現，佔基因組98%的非編碼區域並非以往認為的“暗物質”，它們表現出高度活躍且隨機的轉錄特徵。基於此，團隊提出“新生轉錄多樣性”概念，用於識別瞬時、不穩定的細胞狀態，這類細胞在穩態轉錄組中差異不明顯，卻在新生轉錄層面同時轉錄更多蛋白編碼基因和非編碼單元，反映出細胞在動態過渡階段更強的命運可塑性。

該研究不僅在技術上實現了單細胞新生轉錄的精準測量，也在理論層面回應了核心問題：非編碼“暗物質”的轉錄活動及生命調控的概率本質，通過定量揭示了新生轉錄的稀疏性和異質性，突破了穩態轉錄組的侷限，為打破既有生物學範式，理解基因調控和細胞命運決定，提供了全新框架，為再生醫學、癌症研究提供了新思路。