作者:乌皓 南杉 来源:文汇报 发布时间:2023/5/5 8:04:56
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上海科学家打破技术瓶颈,让人们认识到一个崭新的长非编码RNA世界
解码基因组“暗物质”,拓宽生命认知疆域

 

人类约有2万个基因,仅占DNA的2%,剩下的98%是什么?这些区域如同基因组中的“暗物质”,有待科学家去发现。非编码RNA(核糖核酸)是基因组“暗物质”中的一类重要分子,最近十几年才被发现。它们不仅在生命活动中发挥功能,还与许多疾病息息相关。

作为国际上较早从事长非编码RNA研究的科学家之一,中科院分子细胞科学卓越创新中心研究员陈玲玲自2011年回国后,带领团队创建并发展了新的研究技术和体系,在国际上率先发现了多种在生命活动中发挥重要调控作用的新型长非编码RNA分子家族。

在生命的未知领域追光“解码”,这支上海科学家团队的相关成果先后发表于《科学》《细胞》等国际顶尖学术期刊。今年3月,他们又一项关于核糖体RNA的研究成果登上《自然》杂志。这些认知极大丰富了人类对生命中心法则的理解,也将揭开更多生命运行的奥秘。

人类的基因不过2万多个,体内蛋白质的种类却超过5万种。分子生物学中心法则认为,遗传信息DNA通过转录产生RNA,RNA通过翻译产生蛋白。作为遗传信息DNA的“信使”,RNA编码蛋白质,而蛋白质决定生物性状。随着研究的深入,科学家发现,生物体内成千上万个RNA分子中,编码蛋白质的RNA仅占不到2%,剩余高达98%都是不编码功能性蛋白质的非编码RNA。

起初,这些非编码RNA被认为是不具备生物学功能的“转录垃圾”。随着RNA测序技术的发展与遗传学研究的深入,非编码RNA分子的神秘身份逐渐被揭开。其中,一类长度大于200个核苷酸的长非编码RNA受到格外关注。

2012年,上海科学家团队通过创建新的RNA测序方法,率先发现了多种新型长非编码RNA分子家族。在这个神奇的未知世界里,它们有的在末端带有小核仁RNA,有的则呈环形,这些环形RNA还有着不同来源……近年来,越来越多研究表明,长非编码RNA在表观遗传、细胞周期以及细胞分化等众多生命活动中发挥着重要的调控作用。

占比98%的“争议神秘人”其实大有来头

1957年,DNA双螺旋结构的提出者之一、英国生物学家弗朗西斯·克里克提出了遗传学“中心法则”:DNA储存着大量遗传信息,它们通过转录产生RNA,RNA又通过编码产生蛋白质,进一步参与到各种生物体的生命活动中并发挥多重作用。

RNA作为连接DNA和蛋白质的中间桥梁,既携带着从DNA传递而来的遗传信息,又是蛋白质合成的直接模版。因此,这些RNA也被形象地称为“信使RNA”(mRNA)——它们时刻不停地往来于DNA和蛋白质之间,完成重要的“收信”和“发信”工作。

如今,中心法则已成为现代生物学最重要、最基本的规律之一。所有细胞组成的生命体,小到细菌、大到哺乳动物乃至人类,都通过这种方式完成遗传信息的传递和表达。

在中心法则中,RNA不仅是生命遗传密码的传递者,还肩负着将DNA序列信息解码为功能蛋白质的重任。然而,科学家深入研究后发现,细胞中,承载这一重要使命的RNA占比极低,绝大部分并不参与蛋白质编码。很长时间以来,这些不参与蛋白质编码的RNA被视作基因组中的“暗物质”,它们的存在形式和功能不甚明确且备受争议,甚至有部分科学家认为它们就是“转录垃圾”。

但随着高通量RNA测序技术的革新与遗传学研究的不断深入,科学家们发现,在人类基因组中,98%的基因序列都是非编码序列,它们会广泛地转录并产生大量RNA,并在诸多生理和病理过程中发挥重要作用。

实际上,在动物、植物及真菌等真核生物中,非编码RNA在RNA总量中占据了相当大的比例,且存在的形式多种多样。

上世纪60年代,科学家发现了一系列持家非编码RNA,包括核糖体RNA、转运RNA和小核仁RNA等。这些RNA在所有细胞中稳定而均一地表达,产生细胞生命活动所必需的蛋白质,发挥着极为重要的“持家”作用。

上世纪90年代,科学家在研究线虫和牵牛花的过程中,发现了一些长度只有20-22个核苷酸且具有调控功能的小非编码RNA。本世纪初,更多具备调控功能的小非编码RNA陆续被发现,它们可以让基因表达“沉默”,进而抑制蛋白质的表达。

与此同时,又有一类庞大的长非编码RNA分子家族被发现。这类RNA分子长度大于200个核苷酸,却不编码任何功能性蛋白质或多肽。于是,它们被归为无用的“转录垃圾”。

直到2010年,科学家们发现,由增强子转录形成的一种长非编码RNA——增强子RNA,能够调控基因表达。尽管科学家并不清楚它是怎么进行调控的,但这一发现扭转了人们对于非编码RNA的认知。

中国科学家让“转录垃圾”实现逆袭

数量巨大、种类繁多、形态多样,这表明长非编码RNA可能具有很多潜在的生物学功能,值得进一步挖掘和探索。凭借自身强大的调控潜力,被长期视为“转录垃圾”的长非编码RNA实现“逆袭”,成为炙手可热的研究热点。

不过,在探索长非编码RNA这个未知世界的路途中,由于技术所限,科学家始终无法一窥全貌。一位中国女科学家通过十年多努力,打破了这一僵局,拓宽了人类对长非编码RNA的认知。

在人体细胞中,经过前期加工的成熟mRNA为了保持自身稳定并顺利指导蛋白质合成,首尾两端会分别被特殊的甲基化“帽子”和长长的多聚腺苷酸“尾巴”保护起来。

这一现象吸引了中国科学院分子细胞科学卓越中心研究员陈玲玲的注意。在早期研究中,她发现,很多类似mRNA结构的长非编码RNA在体内广泛表达。在此基础上,她提出了一个关键问题:是不是所有的长非编码RNA都具有和mRNA相似的结构?

想要解答这个问题,陈玲玲遇到了一个关键的技术难题:传统的RNA测序技术并不适用于这些未知的RNA分子。原来,传统RNA测序技术往往需要借助于磁珠来实现对RNA的富集,进而对RNA进行测序。这种磁珠能够特异性地捕获那些带有“尾巴”结构的mRNA,但也势必会遗漏掉那些可能不带“尾巴”的长非编码RNA。

为了解决这个问题,陈玲玲带领团队对传统RNA测序技术进行了优化,创建了新的RNA分离与测序方法。相较于传统RNA测序技术,这种方法仍然借助磁珠来富集带“尾巴”的mRNA,但关注的焦点则转移到那些剩余的、未被捕获到的RNA中。

在新型RNA测序技术的助力下,科学家们先后发现了多种新型长非编码RNA分子。

2012年,陈玲玲团队与合作者一起,率先发现并鉴定出一类新型长非编码RNA分子。这类RNA分子两端既没有“帽子”,也没有“尾巴”,而是带有一种能形成特定结构的小核仁RNA。这些小核仁RNA的存在,使得中间的RNA序列不会被降解。形象地说,小核仁RNA就像分别驻守在RNA分子两端的“护卫”,守护“中间领地”免受外界攻击。

进一步研究发现,这类RNA分子的表达缺失与小胖威利综合征的发生及发展密切相关。小胖威利综合征是一种由神经发育异常导致的罕见遗传性疾病,但其具体病因至今仍未明晰。这种新型长非编码RNA分子的发现为阐明小胖威利综合征的病理机制提供了新的研究思路。此外,这类RNA分子对于调节细胞核仁结构与功能也至关重要。

2016年,陈玲玲团队又发现了另一种新型长非编码RNA分子。与“掐头去尾”的小核仁RNA-长非编码RNA不同,这种RNA分子带有和mRNA末端相同的“尾巴”结构,但头部的“帽子”则被小核仁RNA所替代,研究者将其命名为“SPA”。他们发现,在小胖威利综合征患者基因的关键缺失区域,存在两条SPA长非编码RNA。这在解开小胖威利综合征致病机理谜团的同时进一步提示,非编码RNA在人类疾病中扮演重要角色。

2017年,陈玲玲研究员带领团队发现了一条定位于核仁的全新小核仁RNA-长非编码RNA,并根据其结构特征和功能,将其命名为“SLERT”。这是科学家首次在人类细胞中发现可调控RNA聚合酶转录的长非编码RNA。

由此可见,此前被认为是“转录垃圾”的长非编码RNA实际上蕴藏着巨大的功能潜力。越来越多研究表明,长非编码RNA能够以不同的分子机制参与增殖、分化、代谢、自噬、衰老和凋亡等多种生命过程,发挥重要的调控作用。

近年来,针对长非编码RNA的研究快速增长。这些研究表明,RNA不仅是遗传信息的传递者,还是遗传过程的调节者,由此对遗传学中心法则进行了有力补充。与此同时,一系列新发现揭开了许多困扰人类多年的遗传疾病的病因,为相关疾病的诊疗带来新希望。

生物界“莫比乌斯环”掀起研究热潮

在非编码RNA的未知世界里,环形RNA因其特殊结构而引起了科学家们的极大兴趣。这是一类由单链RNA分子构成、呈现封闭环状结构的非编码RNA分子,犹如一个个玲珑的镯子。

细胞内,由DNA转录出的只是前体mRNA,它必须经过复杂的剪接和加工,才能变成成熟的mRNA,成为合成蛋白质的模板。一般线性RNA所经历的剪接过程,被称为“经典剪接”。而环形RNA则由前体mRNA通过“反向剪接”,首尾相互连接,进而形成一个闭合环状的RNA分子。

由于具有完整的环形结构,环形RNA不易被识别线性RNA的核酸外切酶“切割”而降解,因此比线性RNA更加稳定。

目前研究发现,环形RNA主要来自基因外显子,但多项研究显示其他多种基因结构也可产生环形RNA。这说明,环形RNA的种类及生物合成可能比目前所知的更为复杂。尽管环形RNA有很多不同来源,但当我们提到环形RNA时,通常指的是来源于基因外显子的环形RNA,这些环形RNA主要存在于细胞质中。

外显子来源的环形RNA由单链RNA分子通过共价键形成。1976年,科学家利用电镜技术,首次在植物感染类病毒中观察到了这种闭合环形结构。然而,由于环形RNA结构独特,且在细胞内表达水平较低,此后的几十年中,仅有少数环形RNA被发现或鉴定。

 很久以来,环形RNA都被认为是转录过程中错误剪接的产物,并不具备生物学功能。直到1993年,科学家发现,小鼠Sry基因转录出的环形RNA可能在成年小鼠的睾丸中发挥特定功能。由此,环形RNA才在非编码RNA领域被广为关注,并逐渐跃升为新的“明星分子”,一股环形RNA的研究热潮开始在世界范围内兴起。

近年来,随着新一代高通量RNA测序技术及多种特异性针对环形RNA的生物化学实验和计算生物学方法的快速发展,在植物、线虫、斑马鱼、果蝇、小鼠和人类等众多物种中,数以千万计的环形RNA得以被发现和识别。

科学家目前认为,环形RNA是一类表达相对保守,且长期存在于不同生物体内的生物大分子。越来越多研究表明,环形RNA在细胞内扮演着多种重要角色。例如,环形RNA不仅可以作为“分子海绵”吸附微小RNA并调控其活性,还可与核糖核蛋白结合形成复合物,调节特定的信号通路。

此外,近期研究发现,环形RNA可通过特殊途径自身翻译产生多肽。这表明,即使是非编码RNA,也可能具有潜在的编码功能,这无疑打破了人们的固有认识。而且,环形RNA比线性RNA能更稳定地存在于组织、细胞和体液中,半衰期也比线性RNA长。很多环形RNA只有在某个组织或某个发育阶段才能被检测到,在表达上呈现特异性。

仅由一条单链RNA分子首尾相连而产生的环形RNA具有诸多独特性质,这不仅让人联想到莫比乌斯环——一个永无止境的神秘之环。只需要将一根纸条翻转180°,再将两端粘贴在一起,就可以形成这样一个重要的拓扑学结构。环形RNA好似生物世界中的莫比乌斯环,简单的结构却承载着神奇的特质,等待我们去发现和探索。

近年来,在临床方面,环形RNA与疾病的联系也受到越来越多的关注。目前,已有大量研究揭示环形RNA在癌症中发挥重要作用,而环形RNA的高度稳定性和表达特异性,使其有望成为潜在的癌症生物标志物和治疗靶点。

尽管长非编码RNA分子天然的柔性、折叠和结构异质性,为RNA疗法的研究与开发带来极大挑战,但mRNA疫苗、反义寡核苷酸以及小分子干扰RNA等核酸药物的快速发展和应用,让人们看到了RNA的独特优势和临床应用潜力。

如今,第三代长读码RNA测序技术、超高分辨率显微成像技术以及基因编辑和碱基编辑器技术的发展,为长非编码RNA研究带来新机遇,也为相关领域研究提出新方向。未来,围绕环形RNA及其他非编码RNA分子,科学家有望开发出全新的RNA治疗策略。

 (作者分别为中国科学院分子细胞科学卓越创新中心副研究员、研究生)

 
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