人類約有2萬個基因，僅占DNA的2%，剩下的98%是什么？這些區(qū)域如同基因組中的“暗物質(zhì)”，有待科學(xué)家去發(fā)現(xiàn)。非編碼RNA（核糖核酸）是基因組“暗物質(zhì)”中的一類重要分子，最近十幾年才被發(fā)現(xiàn)。它們不僅在生命活動中發(fā)揮功能，還與許多疾病息息相關(guān)。
作為國際上較早從事長非編碼RNA研究的科學(xué)家之一，中科院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心研究員陳玲玲自2011年回國后，帶領(lǐng)團隊創(chuàng)建并發(fā)展了新的研究技術(shù)和體系，在國際上率先發(fā)現(xiàn)了多種在生命活動中發(fā)揮重要調(diào)控作用的新型長非編碼RNA分子家族。
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在生命的未知領(lǐng)域追光“解碼”，這支上?？茖W(xué)家團隊的相關(guān)成果先后發(fā)表于《科學(xué)》《細(xì)胞》等國際頂尖學(xué)術(shù)期刊。今年3月，他們又一項關(guān)于核糖體RNA的研究成果登上《自然》雜志。這些認(rèn)知極大豐富了人類對生命中心法則的理解，也將揭開更多生命運行的奧秘。
人類的基因不過2萬多個，體內(nèi)蛋白質(zhì)的種類卻超過5萬種。分子生物學(xué)中心法則認(rèn)為，遺傳信息DNA通過轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生RNA，RNA通過翻譯產(chǎn)生蛋白。作為遺傳信息DNA的“信使”，RNA編碼蛋白質(zhì)，而蛋白質(zhì)決定生物性狀。隨著研究的深入，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，生物體內(nèi)成千上萬個RNA分子中，編碼蛋白質(zhì)的RNA僅占不到2%，剩余高達(dá)98%都是不編碼功能性蛋白質(zhì)的非編碼RNA。
起初，這些非編碼RNA被認(rèn)為是不具備生物學(xué)功能的“轉(zhuǎn)錄垃圾”。隨著RNA測序技術(shù)的發(fā)展與遺傳學(xué)研究的深入，非編碼RNA分子的神秘身份逐漸被揭開。其中，一類長度大于200個核苷酸的長非編碼RNA受到格外關(guān)注。
2012年，上海科學(xué)家團隊通過創(chuàng)建新的RNA測序方法，率先發(fā)現(xiàn)了多種新型長非編碼RNA分子家族。在這個神奇的未知世界里，它們有的在末端帶有小核仁RNA，有的則呈環(huán)形，這些環(huán)形RNA還有著不同來源……近年來，越來越多研究表明，長非編碼RNA在表觀遺傳、細(xì)胞周期以及細(xì)胞分化等眾多生命活動中發(fā)揮著重要的調(diào)控作用。
占比98%的“爭議神秘人”其實大有來頭
1957年，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的提出者之一、英國生物學(xué)家弗朗西斯·克里克提出了遺傳學(xué)“中心法則”：DNA儲存著大量遺傳信息，它們通過轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生RNA，RNA又通過編碼產(chǎn)生蛋白質(zhì)，進一步參與到各種生物體的生命活動中并發(fā)揮多重作用。
RNA作為連接DNA和蛋白質(zhì)的中間橋梁，既攜帶著從DNA傳遞而來的遺傳信息，又是蛋白質(zhì)合成的直接模版。因此，這些RNA也被形象地稱為“信使RNA”（mRNA）——它們時刻不停地往來于DNA和蛋白質(zhì)之間，完成重要的“收信”和“發(fā)信”工作。
如今，中心法則已成為現(xiàn)代生物學(xué)最重要、最基本的規(guī)律之一。所有細(xì)胞組成的生命體，小到細(xì)菌、大到哺乳動物乃至人類，都通過這種方式完成遺傳信息的傳遞和表達(dá)。
在中心法則中，RNA不僅是生命遺傳密碼的傳遞者，還肩負(fù)著將DNA序列信息解碼為功能蛋白質(zhì)的重任。然而，科學(xué)家深入研究后發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞中，承載這一重要使命的RNA占比極低，絕大部分并不參與蛋白質(zhì)編碼。很長時間以來，這些不參與蛋白質(zhì)編碼的RNA被視作基因組中的“暗物質(zhì)”，它們的存在形式和功能不甚明確且備受爭議，甚至有部分科學(xué)家認(rèn)為它們就是“轉(zhuǎn)錄垃圾”。
但隨著高通量RNA測序技術(shù)的革新與遺傳學(xué)研究的不斷深入，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在人類基因組中，98%的基因序列都是非編碼序列，它們會廣泛地轉(zhuǎn)錄并產(chǎn)生大量RNA，并在諸多生理和病理過程中發(fā)揮重要作用。
實際上，在動物、植物及真菌等真核生物中，非編碼RNA在RNA總量中占據(jù)了相當(dāng)大的比例，且存在的形式多種多樣。
上世紀(jì)60年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一系列持家非編碼RNA，包括核糖體RNA、轉(zhuǎn)運RNA和小核仁RNA等。這些RNA在所有細(xì)胞中穩(wěn)定而均一地表達(dá)，產(chǎn)生細(xì)胞生命活動所必需的蛋白質(zhì)，發(fā)揮著極為重要的“持家”作用。
上世紀(jì)90年代，科學(xué)家在研究線蟲和牽?；ǖ倪^程中，發(fā)現(xiàn)了一些長度只有20-22個核苷酸且具有調(diào)控功能的小非編碼RNA。本世紀(jì)初，更多具備調(diào)控功能的小非編碼RNA陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)，它們可以讓基因表達(dá)“沉默”，進而抑制蛋白質(zhì)的表達(dá)。
與此同時，又有一類龐大的長非編碼RNA分子家族被發(fā)現(xiàn)。這類RNA分子長度大于200個核苷酸，卻不編碼任何功能性蛋白質(zhì)或多肽。于是，它們被歸為無用的“轉(zhuǎn)錄垃圾”。
直到2010年，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，由增強子轉(zhuǎn)錄形成的一種長非編碼RNA——增強子RNA，能夠調(diào)控基因表達(dá)。盡管科學(xué)家并不清楚它是怎么進行調(diào)控的，但這一發(fā)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)了人們對于非編碼RNA的認(rèn)知。
中國科學(xué)家讓“轉(zhuǎn)錄垃圾”實現(xiàn)逆襲
數(shù)量巨大、種類繁多、形態(tài)多樣，這表明長非編碼RNA可能具有很多潛在的生物學(xué)功能，值得進一步挖掘和探索。憑借自身強大的調(diào)控潛力，被長期視為“轉(zhuǎn)錄垃圾”的長非編碼RNA實現(xiàn)“逆襲”，成為炙手可熱的研究熱點。
不過，在探索長非編碼RNA這個未知世界的路途中，由于技術(shù)所限，科學(xué)家始終無法一窺全貌。一位中國女科學(xué)家通過十年多努力，打破了這一僵局，拓寬了人類對長非編碼RNA的認(rèn)知。
在人體細(xì)胞中，經(jīng)過前期加工的成熟mRNA為了保持自身穩(wěn)定并順利指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成，首尾兩端會分別被特殊的甲基化“帽子”和長長的多聚腺苷酸“尾巴”保護起來。
這一現(xiàn)象吸引了中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越中心研究員陳玲玲的注意。在早期研究中，她發(fā)現(xiàn)，很多類似mRNA結(jié)構(gòu)的長非編碼RNA在體內(nèi)廣泛表達(dá)。在此基礎(chǔ)上，她提出了一個關(guān)鍵問題：是不是所有的長非編碼RNA都具有和mRNA相似的結(jié)構(gòu)？
想要解答這個問題，陳玲玲遇到了一個關(guān)鍵的技術(shù)難題：傳統(tǒng)的RNA測序技術(shù)并不適用于這些未知的RNA分子。原來，傳統(tǒng)RNA測序技術(shù)往往需要借助于磁珠來實現(xiàn)對RNA的富集，進而對RNA進行測序。這種磁珠能夠特異性地捕獲那些帶有“尾巴”結(jié)構(gòu)的mRNA，但也勢必會遺漏掉那些可能不帶“尾巴”的長非編碼RNA。
為了解決這個問題，陳玲玲帶領(lǐng)團隊對傳統(tǒng)RNA測序技術(shù)進行了優(yōu)化，創(chuàng)建了新的RNA分離與測序方法。相較于傳統(tǒng)RNA測序技術(shù)，這種方法仍然借助磁珠來富集帶“尾巴”的mRNA，但關(guān)注的焦點則轉(zhuǎn)移到那些剩余的、未被捕獲到的RNA中。
在新型RNA測序技術(shù)的助力下，科學(xué)家們先后發(fā)現(xiàn)了多種新型長非編碼RNA分子。
2012年，陳玲玲團隊與合作者一起，率先發(fā)現(xiàn)并鑒定出一類新型長非編碼RNA分子。這類RNA分子兩端既沒有“帽子”，也沒有“尾巴”，而是帶有一種能形成特定結(jié)構(gòu)的小核仁RNA。這些小核仁RNA的存在，使得中間的RNA序列不會被降解。形象地說，小核仁RNA就像分別駐守在RNA分子兩端的“護衛(wèi)”，守護“中間領(lǐng)地”免受外界攻擊。
進一步研究發(fā)現(xiàn)，這類RNA分子的表達(dá)缺失與小胖威利綜合征的發(fā)生及發(fā)展密切相關(guān)。小胖威利綜合征是一種由神經(jīng)發(fā)育異常導(dǎo)致的罕見遺傳性疾病，但其具體病因至今仍未明晰。這種新型長非編碼RNA分子的發(fā)現(xiàn)為闡明小胖威利綜合征的病理機制提供了新的研究思路。此外，這類RNA分子對于調(diào)節(jié)細(xì)胞核仁結(jié)構(gòu)與功能也至關(guān)重要。
2016年，陳玲玲團隊又發(fā)現(xiàn)了另一種新型長非編碼RNA分子。與“掐頭去尾”的小核仁RNA-長非編碼RNA不同，這種RNA分子帶有和mRNA末端相同的“尾巴”結(jié)構(gòu)，但頭部的“帽子”則被小核仁RNA所替代，研究者將其命名為“SPA”。他們發(fā)現(xiàn)，在小胖威利綜合征患者基因的關(guān)鍵缺失區(qū)域，存在兩條SPA長非編碼RNA。這在解開小胖威利綜合征致病機理謎團的同時進一步提示，非編碼RNA在人類疾病中扮演重要角色。
2017年，陳玲玲研究員帶領(lǐng)團隊發(fā)現(xiàn)了一條定位于核仁的全新小核仁RNA-長非編碼RNA，并根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征和功能，將其命名為“SLERT”。這是科學(xué)家首次在人類細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)可調(diào)控RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄的長非編碼RNA。
由此可見，此前被認(rèn)為是“轉(zhuǎn)錄垃圾”的長非編碼RNA實際上蘊藏著巨大的功能潛力。越來越多研究表明，長非編碼RNA能夠以不同的分子機制參與增殖、分化、代謝、自噬、衰老和凋亡等多種生命過程，發(fā)揮重要的調(diào)控作用。
近年來，針對長非編碼RNA的研究快速增長。這些研究表明，RNA不僅是遺傳信息的傳遞者，還是遺傳過程的調(diào)節(jié)者，由此對遺傳學(xué)中心法則進行了有力補充。與此同時，一系列新發(fā)現(xiàn)揭開了許多困擾人類多年的遺傳疾病的病因，為相關(guān)疾病的診療帶來新希望。
生物界“莫比烏斯環(huán)”掀起研究熱潮
在非編碼RNA的未知世界里，環(huán)形RNA因其特殊結(jié)構(gòu)而引起了科學(xué)家們的極大興趣。這是一類由單鏈RNA分子構(gòu)成、呈現(xiàn)封閉環(huán)狀結(jié)構(gòu)的非編碼RNA分子，猶如一個個玲瓏的鐲子。
細(xì)胞內(nèi)，由DNA轉(zhuǎn)錄出的只是前體mRNA，它必須經(jīng)過復(fù)雜的剪接和加工，才能變成成熟的mRNA，成為合成蛋白質(zhì)的模板。一般線性RNA所經(jīng)歷的剪接過程，被稱為“經(jīng)典剪接”。而環(huán)形RNA則由前體mRNA通過“反向剪接”，首尾相互連接，進而形成一個閉合環(huán)狀的RNA分子。
由于具有完整的環(huán)形結(jié)構(gòu)，環(huán)形RNA不易被識別線性RNA的核酸外切酶“切割”而降解，因此比線性RNA更加穩(wěn)定。
目前研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)形RNA主要來自基因外顯子，但多項研究顯示其他多種基因結(jié)構(gòu)也可產(chǎn)生環(huán)形RNA。這說明，環(huán)形RNA的種類及生物合成可能比目前所知的更為復(fù)雜。盡管環(huán)形RNA有很多不同來源，但當(dāng)我們提到環(huán)形RNA時，通常指的是來源于基因外顯子的環(huán)形RNA，這些環(huán)形RNA主要存在于細(xì)胞質(zhì)中。
外顯子來源的環(huán)形RNA由單鏈RNA分子通過共價鍵形成。1976年，科學(xué)家利用電鏡技術(shù)，首次在植物感染類病毒中觀察到了這種閉合環(huán)形結(jié)構(gòu)。然而，由于環(huán)形RNA結(jié)構(gòu)獨特，且在細(xì)胞內(nèi)表達(dá)水平較低，此后的幾十年中，僅有少數(shù)環(huán)形RNA被發(fā)現(xiàn)或鑒定。
很久以來，環(huán)形RNA都被認(rèn)為是轉(zhuǎn)錄過程中錯誤剪接的產(chǎn)物，并不具備生物學(xué)功能。直到1993年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，小鼠Sry基因轉(zhuǎn)錄出的環(huán)形RNA可能在成年小鼠的睪丸中發(fā)揮特定功能。由此，環(huán)形RNA才在非編碼RNA領(lǐng)域被廣為關(guān)注，并逐漸躍升為新的“明星分子”，一股環(huán)形RNA的研究熱潮開始在世界范圍內(nèi)興起。
近年來，隨著新一代高通量RNA測序技術(shù)及多種特異性針對環(huán)形RNA的生物化學(xué)實驗和計算生物學(xué)方法的快速發(fā)展，在植物、線蟲、斑馬魚、果蠅、小鼠和人類等眾多物種中，數(shù)以千萬計的環(huán)形RNA得以被發(fā)現(xiàn)和識別。
科學(xué)家目前認(rèn)為，環(huán)形RNA是一類表達(dá)相對保守，且長期存在于不同生物體內(nèi)的生物大分子。越來越多研究表明，環(huán)形RNA在細(xì)胞內(nèi)扮演著多種重要角色。例如，環(huán)形RNA不僅可以作為“分子海綿”吸附微小RNA并調(diào)控其活性，還可與核糖核蛋白結(jié)合形成復(fù)合物，調(diào)節(jié)特定的信號通路。
此外，近期研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)形RNA可通過特殊途徑自身翻譯產(chǎn)生多肽。這表明，即使是非編碼RNA，也可能具有潛在的編碼功能，這無疑打破了人們的固有認(rèn)識。而且，環(huán)形RNA比線性RNA能更穩(wěn)定地存在于組織、細(xì)胞和體液中，半衰期也比線性RNA長。很多環(huán)形RNA只有在某個組織或某個發(fā)育階段才能被檢測到，在表達(dá)上呈現(xiàn)特異性。
僅由一條單鏈RNA分子首尾相連而產(chǎn)生的環(huán)形RNA具有諸多獨特性質(zhì)，這不僅讓人聯(lián)想到莫比烏斯環(huán)——一個永無止境的神秘之環(huán)。只需要將一根紙條翻轉(zhuǎn)180°，再將兩端粘貼在一起，就可以形成這樣一個重要的拓?fù)鋵W(xué)結(jié)構(gòu)。環(huán)形RNA好似生物世界中的莫比烏斯環(huán)，簡單的結(jié)構(gòu)卻承載著神奇的特質(zhì)，等待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)和探索。
近年來，在臨床方面，環(huán)形RNA與疾病的聯(lián)系也受到越來越多的關(guān)注。目前，已有大量研究揭示環(huán)形RNA在癌癥中發(fā)揮重要作用，而環(huán)形RNA的高度穩(wěn)定性和表達(dá)特異性，使其有望成為潛在的癌癥生物標(biāo)志物和治療靶點。
盡管長非編碼RNA分子天然的柔性、折疊和結(jié)構(gòu)異質(zhì)性，為RNA療法的研究與開發(fā)帶來極大挑戰(zhàn)，但mRNA疫苗、反義寡核苷酸以及小分子干擾RNA等核酸藥物的快速發(fā)展和應(yīng)用，讓人們看到了RNA的獨特優(yōu)勢和臨床應(yīng)用潛力。
如今，第三代長讀碼RNA測序技術(shù)、超高分辨率顯微成像技術(shù)以及基因編輯和堿基編輯器技術(shù)的發(fā)展，為長非編碼RNA研究帶來新機遇，也為相關(guān)領(lǐng)域研究提出新方向。未來，圍繞環(huán)形RNA及其他非編碼RNA分子，科學(xué)家有望開發(fā)出全新的RNA治療策略。
（作者分別為中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心副研究員、研究生）
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