细胞如何管理其信使核糖核酸储备及其输出

在一个典型的细胞中，DNA中编码的基因被用来制造信使核糖核酸（信使核糖核酸），信使核糖核酸被用来制造蛋白质，而这一基因表达过程使细胞保持运转。基因表达在每个细胞中都受到调节，从而特定的基因被开启（制造蛋白质），它们的输出被上调或下调，从而驱动每个细胞的身份和行为

然而，有一组不同寻常的细胞，其基因表达不能遵循其典型模式：发育中的卵子和它们可能生长的胚胎。在这些细胞中，当基因没有产生新的信使核糖核酸时，胚胎基因组准备好表达之前有一段短暂的时间。细胞唯一需要处理的遗传物质是以前由母体基因组制成的信使核糖核酸储备

由于没有能力制造新的信使核糖核酸，细胞必须通过调节在任何时间点从每个储存的信使核糖核糖核酸中产生的蛋白质量来调节基因表达。他们还必须仔细安排母体信使核糖核酸的去除时间。如果细胞过早地降解母体RNA，则没有可用的备份拷贝。如果它们降解母体RNA的时间太晚，可能会干扰胚胎基因组从母体基因组接管的切换

由于这种独特的情况，发育中的卵子和胚胎进化出了一个独特的系统来调节它们的信使核糖核酸。在3月8日发表在《发育细胞》杂志上的研究中，怀特黑德研究所成员、麻省理工学院生物学教授、霍华德休斯医学研究所研究员、实验室博士后项克辉详细介绍了这些细胞用来管理其信使核糖核酸储备及其输出的复杂调控系统

尾部长度决定RNA输出，但什么决定尾部长度

每种信使核糖核酸都有一条由一串腺苷或“a”组成的尾巴，这是核糖核酸的构建块或碱基之一。这被称为其poly（a）尾巴。研究人员知道，在发育卵子和早期胚胎时，信使核糖核酸的效率或用于制造蛋白质的速率取决于其尾部的长度；尾巴越长，产生的蛋白质就越多。（在这一早期发展时期之外，poly（A）尾巴扮演着不同的角色。）

由于尾部长度决定了信使核糖核酸的效率，Bartel和Xiang想要找出的是什么调节信使核糖核酸尾部的长度。任何调节尾部长度的东西最终都在调节这些细胞中的基因表达

Xiang和Bartel通过观察每种信使核糖核酸中包含非编码或非翻译核糖核酸的区域开始了他们的搜索，这些可能包含不同的调节序列，影响其他分子与信使核糖核酸的相互作用。

研究人员知道，信使核糖核酸3’非翻译区包含两个序列，当核糖核酸的尾部在细胞核外时，这两个序列是延长所需的：一个序列称为细胞质多腺苷酸化元件（CPE），另一个序列名为多腺苷酸化信号（PAS）

CPE和PAS各自是结合位点，其序列与特定蛋白质匹配。匹配的蛋白质与这两个位点结合，并与其他蛋白质一起形成导致尾巴延长的机制

研究人员知道PAS的序列，但CPE的正确身份一直难以捉摸。已经提出了各种序列，但许多经过尾部延长的信使核糖核酸不包含任何建议的CPE

Xiang和Bartel采用系统的方法鉴定了蛙的CPE。他们创建了一个由数百万个信使核糖核酸组成的文库，每个信使核糖核酸在3'非翻译区都有不同的序列。然后，他们观察了青蛙卵中这些信使核糖核酸的尾部长度。最终，这使他们能够缩小CPE的范围：UUUUA，一个由五个碱基组成的序列

他们发现了证据，证明这种CPE在进化过程中是保守的，并为小鼠和人类所共享。他们还发现，鱼类胚胎的CPE略有不同，其中序列的最后一个碱基可以是a或U。

确定CPE后，研究人员可以进行实验，以确定是什么改变了CPE对尾部长度的影响。他们发现CPE两侧的基底可以增强其效果—这可以解释一些先前提出的CPE，这些CPE往往是较长的序列。同样，最接近PAS的碱基可以改变其效果

其他修饰因素包括mRNA中CPE和PAS的拷贝数、CPE与PAS的距离以及PAS与mRNA尾部的距离。这些因素的组合决定了mRNA尾部的长度，从而导致在发育中的卵子和胚胎中发现的信使核糖核酸的尾部长度高度个性化

巴特尔说：“在早期发育中，通常会发生一系列非常复杂的尾部长度变化，而这种变化是如何发生的一直是个谜。现在我们知道了为什么不同的信使核糖核酸表现得如此不同。”

早期发育中的其他信使核糖核酸调节因子

Bartel和Xiang发现，虽然只有少数序列影响尾部延长，但在发育中的卵子和早期胚胎中，有多种序列参与尾部缩短。不同的调节因子影响不同的信使核糖核酸，因此细胞可以在靶向波中抑制母体信使核糖核酸

许多信使核糖核酸的尾部在最初的大波浪中缩短，然后较小的波浪以更个性化的方式缩短尾部，从而能够小心地协调从母体基因组控制的切换

研究人员还确定了细胞抑制信使核糖核酸的方式，而不依赖于尾部长度。如果信使核糖核酸在3'非翻译区含有胞嘧啶或“C”碱基，这会抑制信使核糖核酸