细胞装上高清“显微镜”

在一个微小细胞里究竟有多少DNA正在“工作”？单细胞又是如何决定自己命运的？清华大学基础医学院沈晓骅课题组首次实现对单个细胞内基因转录活动的精准捕捉与实时观测，相关研究成果近日在线发表于国际期刊《细胞》。

在高等真核生物中，同一个基因组可“读出”数百种，甚至上千种不同的细胞类型。基因通过转录生成RNA（核糖核酸），不仅指导蛋白质合成，也参与调控染色质和细胞核结构。虽然编码蛋白质的mRNA只占基因组约2%，但超过98%的基因组区域并不编码蛋白质，却可能被转录生成非编码RNA。这类非编码RNA通常水平低、随机性强、半衰期短，大多停留在细胞核内，理解新生RNA的产生和调控，对揭示基因组如何驱动多样化的细胞命运具有重要意义。

“我们提出了一套‘抓活的基因产物’技术方法。”团队成员介绍，“它的核心创新在于像是为细胞装上高清‘显微镜’一样，通过给新生RNA打上特殊标记，直接在细胞核内进行捕获和测序。”他进一步解释，与传统方法相比，该技术具有三大优势：精准捕获RNA起始信息，不遗漏关键片段；有效保留未加工RNA，真实反映基因工作状态；几乎无DNA污染，结果更加可靠。

利用该技术，团队在胚胎干细胞、改造过的胚胎干细胞、脾脏细胞、胚胎成纤维细胞等四种细胞中进行实验发现，即使是最活跃的胚胎干细胞，同时工作的基因也不到基因组的3.1%。“相当于一本1000页的书细胞同一时间只翻了31页。”团队成员解释，“这表明单细胞转录极其稀疏、随机且异质，群体分析往往掩盖了此类细胞间差异。”

此外该研究还揭示了非编码RNA在细胞命运决定中的重要作用。研究发现，占基因组98%的非编码区域并非以往认为的“暗物质”，它们表现出高度活跃且随机的转录特征。基于此，团队提出“新生转录多样性”概念，用于识别瞬时、不稳定的细胞状态，这类细胞在稳态转录组中差异不明显，却在新生转录层面同时转录更多蛋白编码基因和非编码单元，反映出细胞在动态过渡阶段更强的命运可塑性。

该研究不仅在技术上实现了单细胞新生转录的精准测量，也在理论层面回应了核心问题：非编码“暗物质”的转录活动及生命调控的概率本质，通过定量揭示了新生转录的稀疏性和异质性，突破了稳态转录组的局限，为打破既有生物学范式，理解基因调控和细胞命运决定，提供了全新框架，为再生医学、癌症研究提供了新思路。