你知道DNA,但你知道新型RNA吗?
2022-11-25 09:52

你知道DNA,但你知道新型RNA吗?

本文来自微信公众号:墨子沙龙(ID:MiciusSalon),作者:陈玲玲,原文标题:《基因组暗物质:新型RNA的发现与功能探索 |陈玲玲》,题图来自:视觉中国


生物性状取决于基因。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。在这个传统认知里,RNA是遗传信息DNA的“信使”,而蛋白质决定生物性状。


随着研究的深入,人们发现在哺乳动物转录组中,指导蛋白质合成的编码RNA(messengerRNA,mRNA)仅占2%左右,而其余是非编码RNA(non-codingRNA)。研究表明,非编码RNA不需要翻译产生蛋白质,就可以调控生物学过程。


非编码RNA的神秘和未知,一直以来都非常吸引陈玲玲。陈玲玲现在是中国科学院分子细胞科学卓越创新中心的研究员,作为国际上早期从事长非编码RNA研究的科学家之一,自2011年回国后,一直在RNA领域内深耕细作。


多年以来,陈玲玲带领团队围绕非编码RNA开展了一系列基础研究,跳出了学界对长链非编码RNA定义的范式,创建并发展了新的研究技术和体系,发现了包括环形RNA、sno-lncRNA等新型RNA分子家族,并解析了这些不同分子家族在人体细胞中全新的加工和代谢途径,拓展了对未知RNA认知的边界。


陈玲玲也曾在职业发展的道路上有所踌躇,但是对于RNA世界的好奇和探索未知的热情还是让她选择了继续投身科研领域。从事非编码RNA研究多年,陈玲玲始终保持着对科研的热情,她将长链非编码RNA看作“基因组暗物质”,而自己和团队成员们则是在黑暗中努力求索的“解码人”。


回顾过去十余年,陈玲玲一直坚持在生命科学领域不断探索和创新。她也以自身为例告诉身边的女性:博士毕业不应成为女性职业的终结,而是一个新的起点。她一边履行着身为母亲的责任,一边作为科学家参与着激烈的国际竞争。“国际竞争没有男女之分,这时候,我不是女性科学家,我就是科学家。”她说。


近些年来,陈玲玲希望能在非编码RNA生物学基础研究方面实现更多的突破。在继续“解码”未知的RNA的同时,能够更深入地认识和解析这些新分子的生物学规律和功能,并发挥他们潜在的应用价值。


今年,陈玲玲又多了一个身份——党的二十大代表,作为基层党支部书记和二十大代表,国家对科技的重视令她备受鼓舞,也更加坚定了自己围绕国家战略需求、加强探索性基础研究的报国初心。


在近日的墨子沙龙“她力量”活动现场,陈玲玲带来了“新型RNA的发现与功能探索”的主题演讲,介绍了她在新型RNA领域的发现和研究工作。


被忽视的RNA  


我们知道,生物性状取决于基因。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。在这个传统认知里,RNA是遗传信息DNA的“信使”,而蛋白质决定生物性状。自从1958年,中心法则被提出,几十年来,在许多科学家的努力之下,人们对基因如何翻译成蛋白质的过程越来越清楚,多个诺贝尔奖成果都与其有关,可见中心法则的重要。



可是,在这种传统认知下,有个问题就很难解释——我们人类拥有的可以编码蛋白质的基因的数目,与模式生物——果蝇相当,大概都是在2万个左右,然而,我们人类基因组的大小却是模式生物的30倍左右。正如《科学》杂志上“125个科学问题”的第3问所提出的——为什么人类拥有如此少的蛋白质编码基因。



除了已知人体细胞拥有更加复杂的转录和转录后的调控,这里还不得不提另外一个庞大的分子家族——非编码RNA。非编码RNA本身不需要翻译产生蛋白质就可以调控生物性状。



人们对非编码RNA的研究可以追溯到上个世纪60年代,当时,人们发现了很多的持家非编码RNA,例如核糖体RNA、转运RNA (tRNAs)、snRNAs,还有snoRNAs等。这些RNA都在分子生物学中心法则过程中,发挥着非常重要的持家作用,没有这些RNA,就没有蛋白质的产生。


到了90年代初,人们在研究线虫和牵牛花的过程中,发现一些具有调控功能的小的非编码RNA,它们一般长度只是在20-22个核苷酸左右。随着研究的进行,本世纪初,很多具有调控功能的小非编码RNA陆续被发现,它们主要是通过互补配对,可以去沉默基因表达,也就是抑制蛋白质的表达。由于它们在基因治疗、基因功能、农作物改良中的重大意义,发现它的科学家已经因此于2006年获得诺贝尔医学奖。


几乎同一时间,又有一大类庞大的长非编码RNA分子,开始走入人们的视线。它们是一类含有大于200个核苷,但是却不编码功能性蛋白质或多肽的生物大分子。那么,他们的存在有什么意义?他们在干什么?这些问题激发了生物学家的兴趣,也吸引了我将研究的方向聚焦于此。


这就是我的研究对象——哺乳动物中存在的长链非编码RNA分子。2010年的《科学》杂志在 “本10年卓见”一文中将长链非编码RNA分子列为首位,它们被称为基因组的“暗物质”,之所以这样称呼,是因为人们不知道它们是什么,它们在做什么,充满了神秘和未知。



随着研究的进展,在过去这十几年中,人们发现不同的长非编码RNA可以在基因组稳定性、亚细胞器功能、细胞增殖、胚胎发育、神经功能、天然免疫,甚至是性别决定、进化调控中,都发挥着非常重要的作用。


长链非编码RNA  


十几年前,我回国组建团队,继续长非编码RNA的研究。当时,人们根据已经看到的一万多条非编码RNA,普遍认为长链非编码RNA在外形上就像mRNA一样,5'端有帽子结构,3'端有长长的多聚腺嘌呤的poly(A)尾巴。对于这一点,当时我就有疑问——在基因组暗物质中,是否存在新类型的长非编码RNA?如果有的话,它们具有怎样的代谢规律?又具有怎么样的功能和调控机制呢?


想研究这个问题,就要跳出当时学界对长链非编码RNA定义的范式,我们假设细胞内可能存在一些没有尾巴的RNA,针对这样的新类型,我们发展了一些新的研究体系,包括无poly(A)转录组RNA纯化等体系,致力于去发现新类型的分子。


这样的尝试,让我们打开了基因组“暗物质”的大门。我们很快发现了不同的分子家族,包括内含子来源的两端是小核仁RNA结尾的RNA,还包括内含子来源的环形RNA、外显子来源的环形RNA。它们都可以在细胞中稳定存在。


经过几年的努力,我们解析了这些不同的分子家族在人体细胞中一些全新的加工和代谢的途径,揭示了一些新的非编码RNA基因的来源。了解了一些它们的新规律之后,有助于研究它们的潜在的应用价值。


其实,环形RNA最早发现于植物病毒复制过程中存在,在90年代初被零星地报道,但随着无Poly(A)转录组纯化和分析体系的建立,我们和国际上一些研究团队同时发现了不同来源的环形RNA分子是普遍存在的。我们相继解析了它们的生成机制,我们发现,这类分子生成比较缓慢,并且具有特殊的双链结构。这样的结构使得它们可以作为一个群体,调控天然免疫因子,从而参与天然免疫反应。


比如,本来这些分子可以去抑制天然免疫因子;当病毒攻击细胞的时候,会激活细胞内的一种核酸内切酶,使得这些内切酶去降解这些环形RNA。由于这些环形RNA生成很缓慢,它的快速降解就相当于释放原本被抑制的天然免疫因子,参与天然免疫的反应。


这一发现与人类的很多疾病密切相关,比如,自身免疫病——红斑狼疮。我国是红斑狼疮发生率比较高的国家,狼疮患者达数百万人,至今仍缺乏有效的治疗方法。我们发现在这种疾病中,环形RNA的数目和本身的表达量都是大大下调的,而例如PKR这样的天然免疫因子是异常激活的。我们推测,可能正是由于这些环形RNA表达下调,导致免疫因子被过度激活。


更加令人激动的是,在狼疮患者来源的外周血单核细胞或者T细胞中导入环形RNA,可以显著降低PKR异常激活及其下游的炎症反应。这意味着,这些环形RNA有望作为一种新的手段去治疗相关的自身免疫疾病。对于我来说,研究这么多年的环形RNA,终于看到了它的应用前景。


除此之外,也有科学家提出,既然RNA可以作为信使RNA去编码蛋白质,那么,我们也可以通过改造环形RNA,让它变成可以翻译蛋白质的RNA,从而作为一种新型的基因表达平台,助力基因治疗。


除了发现环形RNA作为群体的生物学功能,我们也与国内外其他的研究团队发现单个的环形RNA,也可能在细胞的增殖、早期的发育中具有很重要的生物学功能,这一点有待我们进一步研究。


总之,近十年来,这个领域蓬勃发展,我们不但看到了一些前所未见的新分子,还发现了它们的功能和潜在的应用。国内和国际上很多小组都在为此努力。


环形RNA十年研究(来自Liu and Chen, Cell 2022)


在我看来,环形RNA领域挑战和机遇并存——因为这些RNA是环形的,所以在方法学上就存在挑战。而又因为这些RNA是环形的,它们可能具有全新的功能和作用与机制。更重要的,环形RNA可能具有一些不同于线形RNA的免疫原性,更加稳定,有望作为一些新型的适配体以及新型的基因表达的一些模式。环形RNA分子有很多潜力值得我们去挖掘。


近些年来,我也尝试将先进的细胞生物学研究手段应用于RNA生物学的研究。在高分辨率的显微镜的帮助下,我们可以看到,几十到上百个叫做DFC层的结构单元,组成一个细胞核仁,这就是细胞核亚结构。细胞核是一个高度组织化的结构,里面除了含有我们所熟知的遗传物质DNA,还有很多具有不同功能的,由RNA和蛋白质组成的细胞核亚结构域。这些亚结构域的组织失调,也与很多疾病甚至是罕见病密切关联。


研究发现,特雷彻·柯林斯综合征,与核仁失衡有关;渐冻症,和细胞核亚结构小体——旁斑有关;这样的例子还有很多。而长非编码RNA是细胞核亚结构域的重要的组织者和调控者,它们的表达失常与细胞增殖异常和疾病的发生密切相关,未来有望为相关的疾病提供一些全新的诊疗的思路。


未来我们要突破已有的研究范式,进一步发展超高分辨技术,要进行实时动态的观测,和在体原位的研究。


总之,长非编码RNA和环非编码RNA,种类繁多、功能多样、机制彼此不同。未来我们会进一步去拓展RNA认知的疆界,去深入解析有不同功能的RNA分子的作用机制,也期望为相关的疾病提供RNA方向的一些诊疗的思路。


那么回到我们最初的问题——为什么人类拥有如此少的蛋白质基因?这是因为在灵长类尤其是人体细胞中,转录后加工产生了很多新型的非编码RNA。此外,即便对于一些人类和其它动物都有的基因,也有实验数据表明,人体细胞具有特殊的加工方式,可以让一些非编码RNA,产生一些特异的生物学功能。这些研究都提示人类或许拥有更多的具有生物学意义的长非编码RNA。


我的一点感悟  


我总被问起对于科研的感悟,我认为主要有三点体会:一是,要做别人不敢做的,要做出自己的领域;二是不要重复自己做过的研究,才能一路向前;三是对自己认准的、重要的、关键的科学问题,要有“咬定青山不放松”的劲儿,围绕这些关键问题,可以不拘泥于研究手段。未来,我们希望可以让核糖核酸的基础前沿研究,更好地服务于人们的生命健康。


我常常还会被问到关于性别和职业的问题。我做博导已有十余年,我有过很多非常优秀的女学生,我想对女生说,我们女性有必须要承担的社会责任,但是,博士毕业不应成为女性职业的终结,而应该是一个新的起点。这一方面需要女性的自我激励和坚持,另一方面需要家庭成员相互支持。未来,面对激烈的国际竞争时,是不分男女的,所以我很多时候不想被描述成“女性科学家”,我只是科学家。


最后,我想说说关于兴趣的话题。兴趣和爱好是你最大的动力。回想我自己的求学经历,尽管我的确会对自然界的一些事情感兴趣,但我并不是一开始就笃定要成为一名科学家,所以我在美国读博士的时候同时读了MBA。兴趣爱好很重要,但我认为在求学阶段不需要急着去问你的兴趣爱好是什么,人生不同阶段有不同的感悟,就像有些画家天份早露,有些却是大器晚成的。我觉得重要的是坚持和认真,在你人生的每一个阶段把你手头上事情做好,同时不要囿于你眼前的东西,要拓宽你的视野,或许某些时候你就发现了真正感兴趣的事儿,让你想要去做。


作者简介:陈玲玲,中科院分子细胞科学卓越创新中心(原生化与细胞所)研究组长。2009年博士毕业于美国康涅狄格大学。从事核糖核酸(RNA)生物学研究,创建并利用新技术体系,发现sno-lncRNA、SPA和环形RNA等多种新型分子家族,揭示它们的生成加工与降解途径、参与细胞核亚结构功能和天然免疫调控、并与小胖威利征和自身免疫等疾病密切关联。曾获中国青年科技奖(特别奖)、科学探索奖、中国青年女科学家奖、国际RNA学会“Mid-Career Res Award”等学术奖励。


本文来自微信公众号:墨子沙龙(ID:MiciusSalon),作者:陈玲玲

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