RNA測(cè)序和原位雜交揭示了神經(jīng)元樹突和軸突中存在意想不到的大量RNA種類，而且許多研究已經(jīng)記錄了蛋白在這些區(qū)室中的局部翻譯。在信使RNA（mRNA）的翻譯過程中，多個(gè)核糖體可以同時(shí)占據(jù)單個(gè)mRNA（一種稱為多核糖體的復(fù)合物），從而導(dǎo)致編碼蛋白的多個(gè)拷貝產(chǎn)生。多核糖體通常在電子顯微鏡圖片中被識(shí)別為由三個(gè)或三個(gè)以上的核糖體組成的核糖體簇。多核糖體已在神經(jīng)元樹突中檢測(cè)到，但是令人吃驚的是，鑒于存在于樹突和軸突中的mRNA多樣性，多核糖體并不常見。在神經(jīng)元突起（neuronal processes，分為樹突和軸突）中，翻譯的特征和機(jī)制尚未詳細(xì)探討，這部分上是因?yàn)闃渫缓洼S突相對(duì)難以接近。

在一項(xiàng)新的研究中，來自德國(guó)馬克斯普朗克腦研究所的研究人員研究了一組多樣化的神經(jīng)元蛋白如何可能由在體積較小的突觸中存在的有限數(shù)量的多核糖體合成。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2020年1月31日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Monosomes actively translate synaptic mRNAs in neuronal processes”。

單核糖體翻譯神經(jīng)纖維網(wǎng)中的突觸mRNA
圖片來自Science, 2020, doi:10.1126/science.aay4991

為了適應(yīng)神經(jīng)元的復(fù)雜形態(tài)，它們將mRNA和核糖體定位在突觸附近，以便在局部產(chǎn)生蛋白。然而，在神經(jīng)元突起的電子顯微鏡圖片中檢測(cè)到的多核糖體（蛋白翻譯的活性位點(diǎn)）的相對(duì)稀缺表明局部蛋白合成的能力相當(dāng)有限。為了可視化觀察體內(nèi)局部蛋白產(chǎn)生的能力，這些研究人員在嚙齒動(dòng)物海馬體神經(jīng)元突起中分析了積極翻譯的mRNA。

為了分析神經(jīng)元區(qū)室，這些研究人員對(duì)來自海馬體切片CA1區(qū)的神經(jīng)纖維網(wǎng)（neuropil，由神經(jīng)元突起構(gòu)成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)）和胞體（somata）層進(jìn)行了顯微切割，從而獲得富含樹突和或軸突而不富含胞體的樣本。針對(duì)顯微切割區(qū)域的多核糖體圖譜（polysome profiling）可用來確定軸突和/或樹突和胞體mRNA轉(zhuǎn)錄本與單核糖體（monosome）和多核糖體之間的關(guān)聯(lián)性。核糖體印記（ribosome footprinting）隨后用于評(píng)估單核糖體和多核糖體的翻譯活性。生物信息學(xué)分析用于確定單核糖體偏好的mRNA轉(zhuǎn)錄本的特征，以及單核糖體偏好的mRNA轉(zhuǎn)錄本編碼的蛋白家族。

這些研究人員還比較了胞體和神經(jīng)纖維網(wǎng)中的mRNA轉(zhuǎn)錄本的單核糖體/多核糖體（monosome-to-polysome, M/P）偏好性。為了估計(jì)由單核糖體偏好性mRNA轉(zhuǎn)錄本和多核糖體偏好性mRNA轉(zhuǎn)錄本編碼的蛋白的豐度，他們使用基于質(zhì)譜的蛋白質(zhì)組學(xué)方法測(cè)量了神經(jīng)纖維網(wǎng)中的蛋白水平。

在成年嚙齒動(dòng)物的大腦中，這些研究人員在體內(nèi)檢測(cè)到突觸神經(jīng)纖維網(wǎng)（一個(gè)富含神經(jīng)元軸突和樹突的區(qū)域）中正在進(jìn)行的大量蛋白合成，并且提供直接證據(jù)表明單核糖體偏好地翻譯大量的突觸前轉(zhuǎn)錄本和突觸后轉(zhuǎn)錄本。單核糖體參與樹突和軸突中活性多肽的延伸。大多數(shù)轉(zhuǎn)錄本在胞體和神經(jīng)纖維網(wǎng)中均表現(xiàn)出類似的M/P偏好性，這表明核糖體占用通常是轉(zhuǎn)錄本的內(nèi)在特征。幾種mRNA轉(zhuǎn)錄本表現(xiàn)出對(duì)單核糖體或多核糖體的偏好性，這種偏好性的變化取決于轉(zhuǎn)錄本所在的神經(jīng)元區(qū)室；這些mRNA編碼一些與突觸可塑性相關(guān)的蛋白。總體而言，神經(jīng)纖維網(wǎng)表現(xiàn)出對(duì)單核糖體翻譯的偏好性。單核糖體偏好性轉(zhuǎn)錄本在神經(jīng)纖維網(wǎng)中編碼了一系列從低豐度到高豐度的蛋白。

在這項(xiàng)新的研究中，這些研究人員研究了神經(jīng)元突起中的翻譯全貌（translational landscape），并確定了80S單核糖體的局部翻譯是突觸蛋白的重要來源。定位于神經(jīng)纖維網(wǎng)中的轉(zhuǎn)錄本（即神經(jīng)纖維網(wǎng)轉(zhuǎn)錄本）表現(xiàn)出比胞體轉(zhuǎn)錄本更高的單核糖體偏好性，從而潛在地允許利用突觸中有限的可用核糖體數(shù)量產(chǎn)生一組多樣化的蛋白。因此，這一發(fā)現(xiàn)彌合了神經(jīng)元突起中可視化觀察到的翻譯復(fù)合物的相對(duì)匱乏與局部翻譯的實(shí)際測(cè)量值之間的差距。考慮到樹突棘（dendritic spine，樹突分枝上的棘狀突起，也是神經(jīng)元間形成突觸的主要部位）和突觸扣結(jié)（axonal bouton）的空間限制，突觸活性還可以調(diào)節(jié)單核糖體翻譯，從而使局部蛋白質(zhì)組在時(shí)間和空間上具有多樣性。

Anne Biever et al. Monosomes actively translate synaptic mRNAs in neuronal processes. Science, 2020, doi:10.1126/science.aay4991.