人類約有2萬(wàn)個(gè)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(dòng)中發(fā)揮功能，還與許多疾病息息相關(guān)。

作為國(guó)際上較早從事長(zhǎng)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(guó)后，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建并發(fā)展了新的研究技術(shù)和體系，在國(guó)際上率先發(fā)現(xiàn)了多種在生命活動(dòng)中發(fā)揮重要調(diào)控作用的新型長(zhǎng)非編碼RNA分子家族。

(相關(guān)資料圖)

在生命的未知領(lǐng)域追光“解碼”，這支上?？茖W(xué)家團(tuán)隊(duì)的相關(guān)成果先后發(fā)表于《科學(xué)》《細(xì)胞》等國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊。今年3月，他們又一項(xiàng)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(duì)生命中心法則的理解，也將揭開(kāi)更多生命運(yùn)行的奧秘。

人類的基因不過(guò)2萬(wàn)多個(gè)，體內(nèi)蛋白質(zhì)的種類卻超過(guò)5萬(wàn)種。分子生物學(xué)中心法則認(rèn)為，遺傳信息DNA通過(guò)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生RNA，RNA通過(guò)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(wàn)個(gè)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(cè)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(kāi)。其中，一類長(zhǎng)度大于200個(gè)核苷酸的長(zhǎng)非編碼RNA受到格外關(guān)注。

2012年，上?？茖W(xué)家團(tuán)隊(duì)通過(guò)創(chuàng)建新的RNA測(cè)序方法，率先發(fā)現(xiàn)了多種新型長(zhǎng)非編碼RNA分子家族。在這個(gè)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(lái)源……近年來(lái)，越來(lái)越多研究表明，長(zhǎng)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(dòng)中發(fā)揮著重要的調(diào)控作用。

占比98%的“爭(zhēng)議神秘人”其實(shí)大有來(lái)頭

1957年，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的提出者之一、英國(guó)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(chǔ)存著大量遺傳信息，它們通過(guò)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生RNA，RNA又通過(guò)編碼產(chǎn)生蛋白質(zhì)，進(jìn)一步參與到各種生物體的生命活動(dòng)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(lái)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(shí)刻不停地往來(lái)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(dòng)物乃至人類，都通過(guò)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(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，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(zhēng)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(cè)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(huì)廣泛地轉(zhuǎn)錄并產(chǎn)生大量RNA，并在諸多生理和病理過(guò)程中發(fā)揮重要作用。

實(shí)際上，在動(dòng)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(yùn)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(dòng)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(chóng)和牽?；ǖ倪^(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了一些長(zhǎng)度只有20-22個(gè)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(jìn)而抑制蛋白質(zhì)的表達(dá)。

與此同時(shí)，又有一類龐大的長(zhǎng)非編碼RNA分子家族被發(fā)現(xiàn)。這類RNA分子長(zhǎng)度大于200個(gè)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(wú)用的“轉(zhuǎn)錄垃圾”。

直到2010年，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，由增強(qiáng)子轉(zhuǎn)錄形成的一種長(zhǎng)非編碼RNA——增強(qiáng)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(jìn)行調(diào)控的，但這一發(fā)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)了人們對(duì)于非編碼RNA的認(rèn)知。

中國(guó)科學(xué)家讓“轉(zhuǎn)錄垃圾”實(shí)現(xiàn)逆襲

數(shù)量巨大、種類繁多、形態(tài)多樣，這表明長(zhǎng)非編碼RNA可能具有很多潛在的生物學(xué)功能，值得進(jìn)一步挖掘和探索。憑借自身強(qiáng)大的調(diào)控潛力，被長(zhǎng)期視為“轉(zhuǎn)錄垃圾”的長(zhǎng)非編碼RNA實(shí)現(xiàn)“逆襲”，成為炙手可熱的研究熱點(diǎn)。

不過(guò)，在探索長(zhǎng)非編碼RNA這個(gè)未知世界的路途中，由于技術(shù)所限，科學(xué)家始終無(wú)法一窺全貌。一位中國(guó)女科學(xué)家通過(guò)十年多努力，打破了這一僵局，拓寬了人類對(duì)長(zhǎng)非編碼RNA的認(rèn)知。

在人體細(xì)胞中，經(jīng)過(guò)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(huì)分別被特殊的甲基化“帽子”和長(zhǎng)長(zhǎng)的多聚腺苷酸“尾巴”保護(hù)起來(lái)。

這一現(xiàn)象吸引了中國(guó)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(zhǎng)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(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：是不是所有的長(zhǎng)非編碼RNA都具有和mRNA相似的結(jié)構(gòu)？

想要解答這個(gè)問(wèn)題，陳玲玲遇到了一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)難題：傳統(tǒng)的RNA測(cè)序技術(shù)并不適用于這些未知的RNA分子。原來(lái)，傳統(tǒng)RNA測(cè)序技術(shù)往往需要借助于磁珠來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)RNA的富集，進(jìn)而對(duì)RNA進(jìn)行測(cè)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(shì)必會(huì)遺漏掉那些可能不帶“尾巴”的長(zhǎng)非編碼RNA。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，陳玲玲帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)對(duì)傳統(tǒng)RNA測(cè)序技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，創(chuàng)建了新的RNA分離與測(cè)序方法。相較于傳統(tǒng)RNA測(cè)序技術(shù)，這種方法仍然借助磁珠來(lái)富集帶“尾巴”的mRNA，但關(guān)注的焦點(diǎn)則轉(zhuǎn)移到那些剩余的、未被捕獲到的RNA中。

在新型RNA測(cè)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(zhǎng)非編碼RNA分子。

2012年，陳玲玲團(tuán)隊(duì)與合作者一起，率先發(fā)現(xiàn)并鑒定出一類新型長(zhǎng)非編碼RNA分子。這類RNA分子兩端既沒(méi)有“帽子”，也沒(méi)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(huì)被降解。形象地說(shuō)，小核仁RNA就像分別駐守在RNA分子兩端的“護(hù)衛(wèi)”，守護(hù)“中間領(lǐng)地”免受外界攻擊。

進(jìn)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(jiàn)遺傳性疾病，但其具體病因至今仍未明晰。這種新型長(zhǎng)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(jī)制提供了新的研究思路。此外，這類RNA分子對(duì)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(tuán)隊(duì)又發(fā)現(xiàn)了另一種新型長(zhǎng)非編碼RNA分子。與“掐頭去尾”的小核仁RNA-長(zhǎng)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(zhǎng)非編碼RNA。這在解開(kāi)小胖威利綜合征致病機(jī)理謎團(tuán)的同時(shí)進(jìn)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(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一條定位于核仁的全新小核仁RNA-長(zhǎng)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(zhǎng)非編碼RNA。

由此可見(jiàn)，此前被認(rèn)為是“轉(zhuǎn)錄垃圾”的長(zhǎng)非編碼RNA實(shí)際上蘊(yùn)藏著巨大的功能潛力。越來(lái)越多研究表明，長(zhǎng)非編碼RNA能夠以不同的分子機(jī)制參與增殖、分化、代謝、自噬、衰老和凋亡等多種生命過(guò)程，發(fā)揮重要的調(diào)控作用。

近年來(lái)，針對(duì)長(zhǎng)非編碼RNA的研究快速增長(zhǎng)。這些研究表明，RNA不僅是遺傳信息的傳遞者，還是遺傳過(guò)程的調(diào)節(jié)者，由此對(duì)遺傳學(xué)中心法則進(jìn)行了有力補(bǔ)充。與此同時(shí)，一系列新發(fā)現(xiàn)揭開(kāi)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(lái)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(gè)個(gè)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(guò)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(guò)程，被稱為“經(jīng)典剪接”。而環(huán)形RNA則由前體mRNA通過(guò)“反向剪接”，首尾相互連接，進(jìn)而形成一個(gè)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(shí)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(lái)自基因外顯子，但多項(xiàng)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(shuō)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(lái)源，但當(dāng)我們提到環(huán)形RNA時(shí)，通常指的是來(lái)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(lái)源的環(huán)形RNA由單鏈RNA分子通過(guò)共價(jià)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(dú)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(lái)，環(huán)形RNA都被認(rèn)為是轉(zhuǎn)錄過(guò)程中錯(cuò)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(kāi)始在世界范圍內(nèi)興起。

近年來(lái)，隨著新一代高通量RNA測(cè)序技術(shù)及多種特異性針對(duì)環(huán)形RNA的生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算生物學(xué)方法的快速發(fā)展，在植物、線蟲(chóng)、斑馬魚、果蠅、小鼠和人類等眾多物種中，數(shù)以千萬(wàn)計(jì)的環(huán)形RNA得以被發(fā)現(xiàn)和識(shí)別。

科學(xué)家目前認(rèn)為，環(huán)形RNA是一類表達(dá)相對(duì)保守，且長(zhǎng)期存在于不同生物體內(nèi)的生物大分子。越來(lái)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(hào)通路。

此外，近期研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)形RNA可通過(guò)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(wú)疑打破了人們的固有認(rèn)識(shí)。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(zhǎng)。很多環(huán)形RNA只有在某個(gè)組織或某個(gè)發(fā)育階段才能被檢測(cè)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(dú)特性質(zhì)，這不僅讓人聯(lián)想到莫比烏斯環(huán)——一個(gè)永無(wú)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(gè)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(jiǎn)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(lái)，在臨床方面，環(huán)形RNA與疾病的聯(lián)系也受到越來(lái)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(diǎn)。

盡管長(zhǎng)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(kāi)發(fā)帶來(lái)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(dú)特優(yōu)勢(shì)和臨床應(yīng)用潛力。

如今，第三代長(zhǎng)讀碼RNA測(cè)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(zhǎng)非編碼RNA研究帶來(lái)新機(jī)遇，也為相關(guān)領(lǐng)域研究提出新方向。未來(lái)，圍繞環(huán)形RNA及其他非編碼RNA分子，科學(xué)家有望開(kāi)發(fā)出全新的RNA治療策略。

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