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”，有待科學家去發(fā)現。非編碼RNA（核糖核酸）是基因組“暗物質”中的一類重要分子，最近十幾年才被發(fā)現。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。
作為國際上較早從事長非編碼RNA研究的科學家之一，中科院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心研究員陳玲玲自2011年回國后，帶領團隊創(chuàng)建并發(fā)展了新的研究技術和體系，在國際上率先發(fā)現了多種在生命活動中發(fā)揮重要調控作用的新型長非編碼RNA分子家族。
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在生命的未知領域追光“解碼”，這支上?？茖W家團隊的相關成果先后發(fā)表于《科學》《細胞》等國際頂尖學術期刊。今年3月，他們又一項關于核糖體RNA的研究成果登上《自然》雜志。這些認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，體內蛋白質的種類卻超過5萬種。分子生物學中心法則認為，遺傳信息DNA通過轉錄產生RNA，RNA通過翻譯產生蛋白。作為遺傳信息DNA的“信使”，RNA編碼蛋白質，而蛋白質決定生物性狀。隨著研究的深入，科學家發(fā)現，生物體內成千上萬個RNA分子中，編碼蛋白質的RNA僅占不到2%，剩余高達98%都是不編碼功能性蛋白質的非編碼RNA。
起初，這些非編碼RNA被認為是不具備生物學功能的“轉錄垃圾”。隨著RNA測序技術的發(fā)展與遺傳學研究的深入，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受到格外關注。
2012年，上?？茖W家團隊通過創(chuàng)建新的RNA測序方法，率先發(fā)現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、細胞周期以及細胞分化等眾多生命活動中發(fā)揮著重要的調控作用。
占比98%的“爭議神秘人”其實大有來頭
1957年，DNA雙螺旋結構的提出者之一、英國生物學家弗朗西斯·克里克提出了遺傳學“中心法則”：DNA儲存著大量遺傳信息，它們通過轉錄產生RNA，RNA又通過編碼產生蛋白質，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，中心法則已成為現代生物學最重要、最基本的規(guī)律之一。所有細胞組成的生命體，小到細菌、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。
在中心法則中，RNA不僅是生命遺傳密碼的傳遞者，還肩負著將DNA序列信息解碼為功能蛋白質的重任。然而，科學家深入研究后發(fā)現，細胞中，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編碼。很長時間以來，這些不參與蛋白質編碼的RNA被視作基因組中的“暗物質”，它們的存在形式和功能不甚明確且備受爭議，甚至有部分科學家認為它們就是“轉錄垃圾”。
但隨著高通量RNA測序技術的革新與遺傳學研究的不斷深入，科學家們發(fā)現，在人類基因組中，98%的基因序列都是非編碼序列，它們會廣泛地轉錄并產生大量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總量中占據了相當大的比例，且存在的形式多種多樣。
上世紀60年代，科學家發(fā)現了一系列持家非編碼RNA，包括核糖體RNA、轉運RNA和小核仁RNA等。這些RNA在所有細胞中穩(wěn)定而均一地表達，產生細胞生命活動所必需的蛋白質，發(fā)揮著極為重要的“持家”作用。
上世紀90年代，科學家在研究線蟲和牽牛花的過程中，發(fā)現了一些長度只有20-22個核苷酸且具有調控功能的小非編碼RNA。本世紀初，更多具備調控功能的小非編碼RNA陸續(xù)被發(fā)現，它們可以讓基因表達“沉默”，進而抑制蛋白質的表達。
與此同時，又有一類龐大的長非編碼RNA分子家族被發(fā)現。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或多肽。于是，它們被歸為無用的“轉錄垃圾”。
直到2010年，科學家們發(fā)現，由增強子轉錄形成的一種長非編碼RNA——增強子RNA，能夠調控基因表達。盡管科學家并不清楚它是怎么進行調控的，但這一發(fā)現扭轉了人們對于非編碼RNA的認知。
中國科學家讓“轉錄垃圾”實現逆襲
數量巨大、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功能，值得進一步挖掘和探索。憑借自身強大的調控潛力，被長期視為“轉錄垃圾”的長非編碼RNA實現“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，由于技術所限，科學家始終無法一窺全貌。一位中國女科學家通過十年多努力，打破了這一僵局，拓寬了人類對長非編碼RNA的認知。
在人體細胞中，經過前期加工的成熟mRNA為了保持自身穩(wěn)定并順利指導蛋白質合成，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。
這一現象吸引了中國科學院分子細胞科學卓越中心研究員陳玲玲的注意。在早期研究中，她發(fā)現，很多類似mRNA結構的長非編碼RNA在體內廣泛表達。在此基礎上，她提出了一個關鍵問題：是不是所有的長非編碼RNA都具有和mRNA相似的結構？
想要解答這個問題，陳玲玲遇到了一個關鍵的技術難題：傳統(tǒng)的RNA測序技術并不適用于這些未知的RNA分子。原來，傳統(tǒng)RNA測序技術往往需要借助于磁珠來實現對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”結構的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，陳玲玲帶領團隊對傳統(tǒng)RNA測序技術進行了優(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，這種方法仍然借助磁珠來富集帶“尾巴”的mRNA，但關注的焦點則轉移到那些剩余的、未被捕獲到的RNA中。
在新型RNA測序技術的助力下，科學家們先后發(fā)現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構的小核仁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“中間領地”免受外界攻擊。
進一步研究發(fā)現，這類RNA分子的表達缺失與小胖威利綜合征的發(fā)生及發(fā)展密切相關。小胖威利綜合征是一種由神經發(fā)育異常導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分子對于調節(jié)細胞核仁結構與功能也至關重要。
2016年，陳玲玲團隊又發(fā)現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”結構，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，在小胖威利綜合征患者基因的關鍵缺失區(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，陳玲玲研究員帶領團隊發(fā)現了一條定位于核仁的全新小核仁RNA-長非編碼RNA，并根據其結構特征和功能，將其命名為“SLERT”。這是科學家首次在人類細胞中發(fā)現可調控RNA聚合酶轉錄的長非編碼RNA。
由此可見，此前被認為是“轉錄垃圾”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，還是遺傳過程的調節(jié)者，由此對遺傳學中心法則進行了有力補充。與此同時，一系列新發(fā)現揭開了許多困擾人類多年的遺傳疾病的病因，為相關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因其特殊結構而引起了科學家們的極大興趣。這是一類由單鏈RNA分子構成、呈現封閉環(huán)狀結構的非編碼RNA分子，猶如一個個玲瓏的鐲子。
細胞內，由DNA轉錄出的只是前體mRNA，它必須經過復雜的剪接和加工，才能變成成熟的mRNA，成為合成蛋白質的模板。一般線性RNA所經歷的剪接過程，被稱為“經典剪接”。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)形結構，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，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構也可產生環(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雜。盡管環(huán)形RNA有很多不同來源，但當我們提到環(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主要存在于細胞質中。
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，科學家利用電鏡技術，首次在植物感染類病毒中觀察到了這種閉合環(huán)形結構。然而，由于環(huán)形RNA結構獨特，且在細胞內表達水平較低，此后的幾十年中，僅有少數環(huán)形RNA被發(fā)現或鑒定。
很久以來，環(huán)形RNA都被認為是轉錄過程中錯誤剪接的產物，并不具備生物學功能。直到1993年，科學家發(fā)現，小鼠Sry基因轉錄出的環(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領域被廣為關注，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興起。
近年來，隨著新一代高通量RNA測序技術及多種特異性針對環(huán)形RNA的生物化學實驗和計算生物學方法的快速發(fā)展，在植物、線蟲、斑馬魚、果蠅、小鼠和人類等眾多物種中，數以千萬計的環(huán)形RNA得以被發(fā)現和識別。
科學家目前認為，環(huán)形RNA是一類表達相對保守，且長期存在于不同生物體內的生物大分子。越來越多研究表明，環(huán)形RNA在細胞內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并調控其活性，還可與核糖核蛋白結合形成復合物，調節(jié)特定的信號通路。
此外，近期研究發(fā)現，環(huán)形RNA可通過特殊途徑自身翻譯產生多肽。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識。而且，環(huán)形RNA比線性RNA能更穩(wěn)定地存在于組織、細胞和體液中，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，在表達上呈現特異性。
僅由一條單鏈RNA分子首尾相連而產生的環(huán)形RNA具有諸多獨特性質，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180°，再將兩端粘貼在一起，就可以形成這樣一個重要的拓撲學結構。環(huán)形RNA好似生物世界中的莫比烏斯環(huán)，簡單的結構卻承載著神奇的特質，等待我們去發(fā)現和探索。
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)定性和表達特異性，使其有望成為潛在的癌癥生物標志物和治療靶點。
盡管長非編碼RNA分子天然的柔性、折疊和結構異質性，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)展和應用，讓人們看到了RNA的獨特優(yōu)勢和臨床應用潛力。
如今，第三代長讀碼RNA測序技術、超高分辨率顯微成像技術以及基因編輯和堿基編輯器技術的發(fā)展，為長非編碼RNA研究帶來新機遇，也為相關領域研究提出新方向。未來，圍繞環(huán)形RNA及其他非編碼RNA分子，科學家有望開發(fā)出全新的RNA治療策略。
（作者分別為中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心副研究員、研究生）
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