哺乳动物细胞有多种方式调节mRNA水平。快速的合成和降解使得细胞能对信号迅速作出反应，而低速率降解有利于长时间范围信号的累积。人们尚不清楚在复杂的生物过程，如细胞周期和器官发育的过程中，哺乳细胞是如何使用这些方式的。近年来单细胞RNA测序的发展揭示了细胞的异质性，但在研究这些动力学过程的时候遇到了困难。
近日，荷兰科学家Alexander van Oudenaarden在Science发表文章Sequencing metabolically labeled transcripts in single cells reveals mRNA turnover strategies，将代谢标记和单细胞测序相结合，测定了异质细胞群体的mRNA合成与降解速率。
为了测定细胞中合成的转录本数量，研究者将细胞在5-乙炔尿酸（EU）中培养。这样新合成的mRNA就会带有被修饰的的尿苷酸。在培养一段时间后，他们将细胞固定和透化，并使EU生物素化。接着，在细胞分选后进行逆转录，并使得每个细胞带上一段条形码，条形码上包含独特的分子标记物和T7启动子等等。最后利用链霉亲和素磁珠将携带EU和不带EU的转录本分离开并分别测序。他们将这种技术称为scEU-seq。
测序后，EU处理细胞的转录本中含UMI的量显著高于控制组，说明该方法的信噪比很高。为了使用scEU-seq来分析转录过程中合成和降解实时速率，作者进行了脉冲追踪分析（pulse and chase）。他们先在EU中培养细胞中（pulse阶段），再换成普通的尿苷（chase阶段），并对这两段采用不同的的时间。正如预期，在EU中培养的时间越长，测序得到的UMI数量越多；在尿苷中培养的时间越长，得到的UMI越少。短时间的EU培养依然能带来足够数量的UMI。
于是，作者开始利用scEU-seq对mRNA合成速率k和降解速率r进行估计。他们首先研究在细胞周期中的速率变化。他们的脉冲追踪分析实验得到了5422个细胞的数据。他们用标志基因的表达量估计了每个细胞所处的细胞周期阶段，在整合后得到了528个基因在细胞周期中k和r的变化趋势。作者得到的mRNA累积表达量同前人的实验结果相似。
作者发现，有很多基因在细胞周期中，k和r发生了显著的变化，并呈现出不同的趋势。趋势大致可分为三类：协同型-降解与合成的速率反向变化，使得mRNA快速累积或降解，其中包括G2和S期特异表达的基因，有关微管纺锤体合成和有丝分裂调控基因，还有有关信号传导、磷酸化和DNA修复的基因；中性型-降解速率的变化不大，其中包括与微观活性、同源重组修复、细胞因子活性、G1/S期转变和DNA复制起始相关基因；破坏型-降解速率与合成速率同时上升或下降。作者对处于G1，S和G2期的细胞分别进行了脉冲追踪分析，并验证了上述结果。
为了确定k和r动态变化产生的影响，作者将其与k或r为恒定常数的情况进行了对比。他们发现这会使得很多mRNA水平的变化范围大大减小，因此改变基因合成和降解速率是细胞精确调控mRNA数量的重要手段。
接着，作者对肠道干细胞的分化进行了研究。通过在EU中培养120分钟和在普通尿苷中分别培养0/45/360分钟，scEU-seq获得了3831个细胞的数据。他们发现，在分化过程中也存在协同型和破坏型的基因。此外，在分化中，降解速率的改变对mRNA数量范围的影响更为明显。
总的来说，scEU-seq技术测定了细胞中mRNA合成和降解的实时速率，并揭示了mRNA降解在维持哺乳动物细胞稳态中的作用。
原文链接：
https://science.sciencemag.org/content/367/6482/1151
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