[发明专利]基于可控相分离液滴控制细胞内mRNA定位和翻译过程的方法

说明书

本发明公开了基于可控相分离液滴控制细胞内mRNA定位和翻译过程的方法。通过蛋白质相分离技术在细胞内构建蛋白质液滴，利用RNA适配子连接mRNA，可以将任意特定mRNA招募到蛋白质液滴中，通过光遗传学技术控制液滴聚集与解聚，实现对mRNA的招募与释放。当mRNA被包裹在液滴内，其翻译被抑制，而通过光照特定区域使液滴解聚，释放出mRNA，完成翻译过程，从而实现了在活细胞内对mRNA的翻译过程进行精确的时间和空间控制。本发明技术在研究基因表达的空间调控对组织发育中细胞迁移以及疾病的影响方面将有广泛应用。

技术领域

本发明涉及一种对活细胞内mRNA翻译过程的精准时间和空间控制方法，属于分子生物学和细胞生物学领域。

背景技术

细胞内mRNA的非均匀性分布可以保证细胞内生命活动在不同的亚细胞区域内进行。控制细胞内mRNA定位和翻译过程是细胞广泛采用的一种在时间和空间上控制基因表达的机制。这种机制在高度极化的非对称细胞内尤其显著。控制细胞内mRNA的非对称定位，可以使mRNA的翻译产物——蛋白质分布于特殊的亚细胞区室内发挥局部功能。细胞内mRNA的非极性分布在细胞命运决定、细胞迁移、胚胎发育等过程中具有重要作用。例如，在出芽酵母中，转录抑制因子ASH1控制着酵母交配方式的类型转换。ASH1 mRNA可以被运送到分裂细胞的芽端。因此，它只被传递到子细胞的细胞核，确保母细胞和子细胞有不同的交配方式类型。又如，在果蝇中，bicoid、oskar和nanos等mRNA定位于卵母细胞的前、后极，有助于胚胎发育过程中极性的建立；在蛙类的卵母细胞中编码T-box转录因子VegT的mRNA定位于植物极，诱导内胚层和中胚层细胞在胚胎中的命运决定；在成纤维细胞中，β-actin mRNA非极性分布能够调控细胞的运动方向；在胶质细胞中，编码髓磷脂基本蛋白的信使mRNA(MBP)被输送到髓鞘形成的远端，并在远端进行翻译。

然而，目前在活细胞中对mRNA的亚细胞分布及其局部翻译过程的实时动态追踪以及精准的时间和空间控制还难以实现，而mRNA翻译过程的精确时空动态在决定细胞行为方面往往是至关重要的，在整个生命进程中具有重要意义。基于此，目前亟需开发一种能实现对活细胞内mRNA翻译过程的精准时间和空间控制的方法。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种控制细胞内的mRNA的定位和翻译过程的重要工具，以克服现在对于细胞内mRNA定位难以操纵的问题。本发明综合利用光遗传学和细胞内生物学相变的方法，可以在活细胞中控制任意mRNA的定位和翻译过程，进而研究该mRNA的不均匀分布对细胞生命活动的影响。

近年来，相分离(Phase separation)过程由于被发现在细胞生物行为中广泛存在而引起人们的关注。液-液相分离(liquid-liquid phase separation)描述的是单一相中不同成分间相互碰撞、融合形成液滴，从而使一些成分被包裹在液滴内，一些成分被阻隔在液滴外，最终平衡的过程，类似于水油相混不能互溶。相分离是产生凝聚体的一种途径，凝聚体具有隔间、过滤器、反应容器、反应工厂、力发生器、细胞信号调节器等功能，细胞内通过形成这种液-液相分离，可以形成独立的一个小环境。由于这个凝聚体是无膜的，它可以直接的与细胞质进行接触并快速高效的和周围进行物质交换，另一方面，由于这个凝聚体是相对独立的，在其中可以独立进行生物学反应。凝聚体可以将包裹在凝聚体内的生物分子隔离开来，避免环境干扰，并且在一个相对独立的空间内提高凝聚体内部生物分子相互作用的反应速率。因此，利用相分离形成凝聚体对目标分子进行包裹可以实现对生物分子在一个相对独立的空间的精准时间和空间的人工控制。因此本发明使用细胞内相分离形成液滴将mRNA分子包裹入其中，抑制其翻译过程。并结合光遗传学技术，在需要翻译的细胞亚结构中将该mRNA分子释放出来，进行局部翻译，使生成的蛋白只在局部发挥功能。