Science | Ribo-seq应用：通过CRISPR激活rRNA转录调控蛋白质翻译与干细胞自我更新

蛋白质合成速率在不同细胞类型间存在显著差异，但这些差异的调控机制及其重要性尚不明确。目前大多数研究集中于调控细胞生长的信号通路以及调节特定mRNA子集的因子，包括翻译起始因子、RNA结合蛋白和非编码RNA。

尽管核糖体RNA（rRNA）在蛋白质合成中发挥着基础且普遍的功能，但核心核糖体组分在调控中的作用却鲜受关注。rRNA是细胞内最主要的转录产物，占细胞总RNA的70%至80%，且在增殖细胞中占所有转录活动的35%至60%。

真核生物的rRNA基因通常以重复阵列的形式组织，其拷贝数和转录活性在不同组织和细胞类型中表现出高度的异质性。核仁作为核内细胞器，是rRNA转录、加工及核糖体组装的场所，其形态和大小反映了细胞的代谢状态与增殖能力。

文章索引

【标题】Manipulation of protein translation and stem cell self-renewal by CRISPR activation of rRNA transcription

【发表期刊】Science

【发表日期】2026年7月2日

【作者及团队】慕尼黑大学Stefan H. Stricker团队

【IF】45.8

研究结果

一、TAPIR可有效激活rRNA的转录

通过在小鼠神经干细胞（NSC）中应用dCas9-VPR介导的CRISPR激活系统，靶向rDNA基因的启动子和增强子区域，研究成功实现了rRNA水平的数倍上调。

RT-qPCR、凝胶电泳和免疫荧光染色三种独立方法均证实了45S前体及其加工产物18S和28S rRNA的显著增加。

二、TAPIR提升了蛋白质翻译水平

利用OP-Puro掺入实验和Ribo-seq核糖体印迹分析，研究发现TAPIR处理的细胞新生蛋白合成速率平均提高了35%至60%。

定量蛋白质组学分析进一步证实，细胞内总蛋白含量普遍升高，平均增加1.56倍，表明rRNA转录的增加直接转化为更高的蛋白质翻译输出。

三、rRNA转录上调导致核仁扩张和细胞周期加速

免疫荧光染色显示，TAPIR处理后，NSC的核仁体积显著增大，表明rDNA基因的转录活性增强。

细胞增殖分析发现，TAPIR显著增加了处于活跃细胞周期和有丝分裂期的细胞比例，使细胞倍增时间缩短了约25%。

四、蛋白质翻译水平升高可增强NSC的体内自我更新

为验证体外发现的生理相关性，研究人员通过子宫内电转技术将TAPIR系统导入发育中的小鼠大脑皮层。

结果显示，TAPIR显著增加了神经干细胞祖源区的有丝分裂细胞数量，并扩大了顶端放射状胶质细胞（aRGC）群，证明了提高蛋白质合成能有效促进干细胞在体内的自我更新。

五、TAPIR可用于疾病模型的模拟和表型缓解

研究将TAPIR应用于两种疾病模型。在胰腺癌细胞中，TAPIR能够模拟致癌基因KRAS的作用，独立驱动rRNA合成和细胞集落形成。

在Treacher Collins综合征（一种核糖体病）的细胞模型中，TAPIR能够有效挽救因Tcof1基因缺陷导致的细胞存活率下降，使细胞数量恢复正常水平。

六、一种适用于人类细胞的TAPIR策略

考虑到小鼠和人类rDNA启动子结构的差异，研究人员开发了一种基于dCas9-VPR蛋白（dRNP）和多个gRNA的递送策略。

该策略成功在人类T细胞系中诱导了rRNA的表达和蛋白质翻译的增加，为TAPIR技术在人类疾病研究和治疗中的应用奠定了基础。

总结

本研究开发了首个直接靶向并激活rRNA转录的CRISPR工具TAPIR，并以此证明了rRNA水平是蛋白质翻译通量的直接决定因素。研究结果颠覆了传统上对管家基因功能重要性的认知，揭示了全局蛋白质合成能力本身就是调控干细胞命运的关键因素，为理解发育、癌症和核糖体病等过程提供了全新视角。