很多人都知道一個人的所有細胞都有相同的基因，但是各種細胞的形態和功能完全不同，這是因為它們會表達不同的基因。
這個過程分為兩步：第一，轉錄，也就是從脫氧核糖核酸（DNA）轉錄成核糖核酸（RNA）；第二，翻譯，也就是從核糖核酸翻譯成蛋白質。
美國約翰霍普金斯大學助理教授吳斌實驗室，通過開發相關方法來在活細胞里觀察單個分子的運動，藉此可以看到單個核酸分子的轉錄、運動、與翻譯。通過觀察這些分子的運動，可以更好地了解細胞對於基因的表達。
圖 | 吳斌（來源：吳斌）
在近期一項工作里，該團隊主要研究了核酸的翻譯，也就是將遺傳信息從核糖核酸翻譯成蛋白質。
在細胞里，翻譯的工作由一個叫核糖體的細胞器來完成。雖然人們已經在原子水平了解了核糖體的工作原理，但是在活細胞裡面單個核酸分子是如何被翻譯的，我們依舊不是非常清楚。
此前該課題組發明了一種方法，可以看到單個核酸分子在活細胞里的翻譯。但是由於實驗條件的限制，只能觀察很短的時間（幾秒到幾分鐘）。
為了觀察細胞如何調控翻譯，就必須觀察單個核酸分子幾個小時。本次研究中，當長時間觀察單個核酸分子之後，他們發了現一些非常有趣的現象。
比如，單個核酸分子並不是以穩定的、單個速度來翻譯。相反，翻譯的速度時常變化，有時候乾脆沒有翻譯。
所以他們認為翻譯不是一個連續的過程，而是至少分為活躍和失活兩個狀態。其還測量了這些翻譯的參數，希望搞清楚到底哪些因素會影響這些參數。
其發現，在核酸里沒有被翻譯的一段基因信息，可以控制這個核酸分子的翻譯現象。他們還研究了細胞狀態對於核酸分子翻譯的影響，揭示了單個核酸分子在活細胞里以小時為時間尺度的翻譯現象，這為更深入地研究單個核酸分子的翻譯機理奠定了基礎。
審稿人表示：「這篇論文所觀察到的不連續翻譯現象會產生深遠的影響，為單分子翻譯領域樹立新的標杆。」
以核酸疫苗為例，核酸可以直接作為藥物。當核酸進入細胞後，也需要被翻譯成蛋白質。在核酸疫苗領域，如何更有效地將核酸表達成蛋白，是非常有價值的問題。也就是說，此次實驗成果可以用來研究核酸疫苗的翻譯情況。
吳斌表示：「我們是一個新的實驗室，這篇論文的第一作者 Nathan Livingston 是我的第一個學生。從實驗室開始搭建儀器，到中間新冠疫情，有很多不容易的事情。」
很早之前，課題組就決定要定量化地研究單個核酸分子在活細胞里的翻譯，也在此前觀察到了不連續的翻譯現象。但是在分析數據和建立數學模型的時候，該團隊遇到很多困難。
隨著研究的進行，他們最初的模型被完全推翻。他們最初假設核酸未翻譯區域的複雜結構會影響它的時域信號，也就是什麼時候能夠翻譯、什麼時候不能翻譯。
但是，他們發現這個假設無法解釋實驗數據。於是，只好提出新的不同的模型，原因在於未翻譯區域的結構會影響核酸分子的翻譯。
「幸好我的隔壁同事劉建是理論生物專家。在他的幫助下，我們完成了數據分析和理解。另外，我的同事 Rachel Green 和 Taekjip Ha 也幫助很大。」吳斌表示。
最終，相關論文以《活細胞中單個信使核糖核酸的突變翻譯》（Bursting translation on single mRNAs in live cells）為題發在 Molecular Cell[1]，內森·利文斯頓（Nathan M. Livingston）是第一作者，美國約翰霍普金斯大學劉建教授和吳斌教授擔任共同作者。
圖 | 相關論文（來源：Molecular Cell）
目前，課題組已經擁有完好的理論框架。但其認為翻譯不是一個連續的過程，而是至少分為活躍和失活兩個狀態。後續，他們會繼續研究其他因素對核酸分子翻譯狀態的影響。
參考資料：
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.