哺乳動物細胞有多種方式調節mRNA水平。快速的合成和降解使得細胞能對信號迅速作出反應，而低速率降解有利於長時間範圍信號的累積。人們尚不清楚在複雜的生物過程，如細胞週期和器官發育的過程中，哺乳細胞是如何使用這些方式的。近年來單細胞RNA測序的發展揭示了細胞的異質性，但在研究這些動力學過程的時候遇到了困難。
近日，荷蘭科學家Alexander van Oudenaarden在Science發表文章Sequencing metabolically labeled transcripts in single cells reveals mRNA turnover strategies，將代謝標記和單細胞測序相結合，測定了異質細胞群體的mRNA合成與降解速率。
為了測定細胞中合成的轉錄本數量，研究者將細胞在5-乙炔尿酸（EU）中培養。這樣新合成的mRNA就會帶有被修飾的的尿苷酸。在培養一段時間後，他們將細胞固定和透化，並使EU生物素化。接著，在細胞分選後進行逆轉錄，並使得每個細胞帶上一段條形碼，條形碼上包含獨特的分子標記物和T7啟動子等等。最後利用鏈黴親和素磁珠將攜帶EU和不帶EU的轉錄本分離開並分別測序。他們將這種技術稱為scEU-seq。
測序後，EU處理細胞的轉錄本中含UMI的量顯著高於控制組，說明該方法的信噪比很高。為了使用scEU-seq來分析轉錄過程中合成和降解實時速率，作者進行了脈衝追蹤分析（pulse and chase）。他們先在EU中培養細胞中（pulse階段），再換成普通的尿苷（chase階段），並對這兩段採用不同的的時間。正如預期，在EU中培養的時間越長，測序得到的UMI數量越多；在尿苷中培養的時間越長，得到的UMI越少。短時間的EU培養依然能帶來足夠數量的UMI。
於是，作者開始利用scEU-seq對mRNA合成速率k和降解速率r進行估計。他們首先研究在細胞週期中的速率變化。他們的脈衝追蹤分析實驗得到了5422個細胞的數據。他們用標誌基因的表達量估計了每個細胞所處的細胞週期階段，在整合後得到了528個基因在細胞週期中k和r的變化趨勢。作者得到的mRNA累積表達量同前人的實驗結果相似。
作者發現，有很多基因在細胞週期中，k和r發生了顯著的變化，並呈現出不同的趨勢。趨勢大致可分為三類：協同型-降解與合成的速率反向變化，使得mRNA快速累積或降解，其中包括G2和S期特異表達的基因，有關微管紡錘體合成和有絲分裂調控基因，還有有關信號傳導、磷酸化和DNA修復的基因；中性型-降解速率的變化不大，其中包括與微觀活性、同源重組修復、細胞因子活性、G1/S期轉變和DNA複製起始相關基因；破壞型-降解速率與合成速率同時上升或下降。作者對處於G1，S和G2期的細胞分別進行了脈衝追蹤分析，並驗證了上述結果。
為了確定k和r動態變化產生的影響，作者將其與k或r為恆定常數的情況進行了對比。他們發現這會使得很多mRNA水平的變化範圍大大減小，因此改變基因合成和降解速率是細胞精確調控mRNA數量的重要手段。
接著，作者對腸道幹細胞的分化進行了研究。通過在EU中培養120分鐘和在普通尿苷中分別培養0/45/360分鐘，scEU-seq獲得了3831個細胞的數據。他們發現，在分化過程中也存在協同型和破壞型的基因。此外，在分化中，降解速率的改變對mRNA數量範圍的影響更為明顯。
總的來說，scEU-seq技術測定了細胞中mRNA合成和降解的實時速率，並揭示了mRNA降解在維持哺乳動物細胞穩態中的作用。
原文鏈接：
https://science.sciencemag.org/content/367/6482/1151
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