在原位利用近邻标记同时分析神经细胞类型的天然状态蛋白组与转录组

同时用两种视角观察细胞

大脑中的每个细胞都依赖于以 RNA 编写的指令并由蛋白质执行，但这两层信息并不总是一致。某个基因在 RNA 水平上可能看起来不活跃，而其蛋白却十分丰富，反之亦然。本研究引入了一种名为 SPARO 的方法，使科学家能够同时读取特定脑细胞类型的 RNA 与蛋白景观，而且关键是在它们的天然环境中。对读者而言，这为理解健康、衰老和疾病状态下的细胞真实行为打开了一扇窗，超越了仅从基因看到的内容。

为何 RNA 与蛋白的故事并不总是吻合

多年来，生物学家常用 RNA 测序来查看哪些基因被激活，用质谱来编目这些基因产生的蛋白。但从 RNA 信息到成熟蛋白之间还存在许多步骤，包括信息的存活时长、翻译速度、蛋白稳定性以及在细胞内的定位。因此，RNA 与蛋白水平仅有有限一致性。现有方法可以在简单的细胞培养中同时观察两者，但在活体脑组织中通常需要将细胞解离、进行物理分选，或只关注一小部分分子，这些操作可能扭曲科学家试图测量的细胞状态。

在活细胞内的新型标记策略

团队以一种工程化酶 TurboID 为核心构建 SPARO，TurboID 在细胞内类似分子喷漆器。当提供生物素时，TurboID 会将微小的生物素标签附着到周围的蛋白上，其中许多蛋白通常与 RNA 结合或构成核糖体的一部分。研究人员利用识别生物素的磁性捕手，将这些被标记的蛋白连同与之结合的 RNA 分离下来。从相同的起始材料出发，他们将所得样本分成两部分：一部分用于蛋白分析，另一部分用于 RNA 测序。这就创建了一个配对的快照，显示在同一细胞类型、同一时刻存在哪些 RNA 与蛋白。

在类似免疫的脑细胞中测试该方法

首先，研究者在受控的培养皿模型中测试了 SPARO，使用 BV2 小胶质细胞，这类细胞类似于脑内的免疫细胞。他们设计这些细胞主要在细胞质中表达 TurboID，因为细胞大部分机器都位于此处。随后，他们将细胞暴露于一种能触发炎症反应的细菌成分，并将 SPARO 捕获到的 RNA 与蛋白与来自全细胞提取物的传统测量结果进行比较。SPARO 得到的 RNA 配置几乎与全局 RNA 配置完全重叠，并能准确反映炎症基因的响应。蛋白配置在选择性上略有偏向，更倾向于细胞质蛋白而对核和线粒体成分的覆盖较少，但仍能检出关键的炎症相关蛋白与通路。

在完整大脑中读取神经元与星形胶质细胞

真正的考验是 SPARO 是否能在不分离细胞的活体大脑中工作。作者将携带 TurboID 的小鼠与仅在兴奋性神经元或星形胶质细胞中开启该酶的遗传系交配。给动物在饮水中补充生物素后，团队收获了皮质并应用 SPARO。所得的蛋白与 RNA 配置清晰地区分了神经元与星形胶质细胞，并富集了各自经典的标志物。当他们将 SPARO 的星形胶质细胞 RNA 读数与流行的基于核糖体的方法 RiboTag 比较时，两组转录本高度一致，尽管 SPARO 捕获了更广泛的 RNA 结合蛋白，甚至包括诸如微小 RNA 等小型非编码 RNA。

RNA 与蛋白不一致揭示了什么

在获得来自相同细胞类型的配对 RNA 与蛋白图谱后，研究者探究了两种信号何处一致、何处分歧。跨越星形胶质细胞与神经元，大多数基因落入两类：RNA 与蛋白都低，或都高。但有相当一部分基因表现不一致。蛋白远多于 RNA 的基因常与细胞内部支架相关，星形胶质细胞偏向微管成分，而神经元偏向与肌动蛋白相关的部分，这反映了它们不同的形态与功能。RNA 丰富但蛋白相对较少的基因常与线粒体和能量代谢相关，暗示这些信息被转录但未被完全翻译，或其蛋白被迅速降解。独立数据集和人类细胞系中也出现了类似模式，表明这些不匹配是生物学特征，而非标记方法的伪影。

这对理解大脑有何意义

对非专业读者而言，主要信息是 SPARO 提供了一种在不扰动天然环境的情况下，同时倾听特定脑细胞内部“计划”和“产物”的方法。研究表明，仅靠 RNA 测量可能错过细胞行为的重要方面，而 RNA 与蛋白水平的系统性不匹配遵循与细胞类型及功能相关的有意义模式。通过使在神经元、星形胶质细胞及大脑其他细胞类型中描绘这些关系成为可能，SPARO 为绘制细胞在发育、衰老和神经疾病中如何变化的更丰富地图奠定了基础，并有助于在追踪这些变化时选择更合适的 RNA 或蛋白标志物。

引用: Ramelow, C.C., Dammer, E.B., Xiao, H. et al. Simultaneous profiling of native-state proteomes and transcriptomes of neural cell types using proximity labeling. Nat Commun 17, 4636 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71098-4

关键词: 转录组, 蛋白组, 神经细胞类型, 近邻标记, TurboID