小鼠大脑单细胞及不同蛋白质变体的翻译活动图谱

大脑的细胞多样性和功能由RNA结合蛋白（RBPs）和微RNAs（miRNAs）介导的转录后调控机制控制。大脑在可变剪接、3'非翻译区（UTR）长度和RNA修饰方面表现出更大差异，这些都在mRNA到蛋白质的翻译控制中发挥作用。其中，可变剪接是转录组多样性的有效且普遍来源，在神经系统中，亚型多样性因性别、发育阶段和脑区而异，剪接异常与神经精神疾病密切相关。然而，大脑细胞间亚型差异翻译的程度尚不清楚。

RNA和蛋白质丰度在大脑中的低相关性已得到充分证实。核糖体图谱（Ribo-seq）等全基因组技术揭示了mRNA翻译模式，但不适用于低输入样本；单细胞RNA测序（scRNA-seq）能表征基因表达，却无法同时在单细胞分辨率下表征翻译。尽管近期技术突破实现了单细胞翻译谱分析，但在亚型特异性检测方面仍有局限。

为解决这一问题，研究团队应用核糖体印记技术（Ribo-STAMP），并结合短读和长读RNA测序，在单细胞和亚型分辨率下测量翻译。Ribo-STAMP通过将RNA编辑酶APOBEC1与核糖体蛋白S2（RPS2）融合，在翻译的转录本上沉积C-to-U编辑，可与Ribo-seq和多聚核糖体图谱相关，并能检测翻译抑制和差异翻译。

研究首先优化Ribo-STAMP在脑细胞中的表达，生成腺相关病毒（AAV）载体，发现RPS2-STAMP变体编辑效率最高且重现性好，能准确报告神经元中的核糖体占据情况。接着，通过脑源性神经营养因子（BDNF）处理神经元，验证Ribo-STAMP可检测快速翻译变化，发现BDNF诱导的翻译增加主要涉及突触相关基因，且突触前基因基础翻译水平更高。

在体单细胞翻译谱分析中，团队对小鼠海马体进行10x Genomics scRNA-seq结合Ribo-STAMP，注释了已知海马细胞类型，开发MARINE软件识别单细胞C-to-U编辑，计算编辑率（EPR）。结果显示，EPR与RNA表达相关性因细胞类型而异，少突胶质细胞相关性最低，揭示独特的转录和翻译程序。

研究还发现细胞翻译状态：CA3神经元存在高、低翻译状态，高翻译状态神经元富集突触功能相关基因；CA1神经元亚群也有类似状态，高翻译群富集线粒体功能基因。结合长读单细胞RNA测序，首次实现单细胞水平转录本和亚型特异性翻译分析，发现同一基因的不同亚型在细胞内和细胞间存在差异翻译，神经元高翻译亚型3'UTR更长且含更多nELAVL结合位点，少突胶质细胞与星形胶质细胞间存在亚型翻译差异。

此外，CA3神经元基础翻译水平高于CA1，通过新合成蛋白代谢标记和翻译机器成分免疫组化证实，且CA3翻译机器相关基因EPR更高，p-eIF2α水平更低，提示神经元活性可能影响翻译差异。该研究为理解细胞和亚型特异性翻译如何驱动脑生理与疾病提供了新平台。