1953年4月25日，詹姆斯·沃森（James Watson）和弗朗西斯·克里克（Francis Crick）等人在?Nature?發(fā)表論文，提出了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，開(kāi)啟了分子生物學(xué)時(shí)代。

此后不久，弗朗西斯·克里克提出了中心法則，如今，中心法則已經(jīng)成為生命科學(xué)最重要、最基本的規(guī)律。中心法則遺傳信息的流動(dòng)方向，遺傳物質(zhì)DNA通過(guò)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生信使RNA（mRNA），mRNA作為遺傳信息的模版，編碼產(chǎn)生蛋白質(zhì)，進(jìn)而調(diào)控生物性狀。

今年是DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型提出70周年，Molecular Cell?雜志專(zhuān)訪(fǎng)了中國(guó)科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心陳玲玲研究員，探討了非編碼RNA的多樣性以及它們?cè)谥行姆▌t中的地位。

中心法則中的RNA通常指的是能夠編碼蛋白質(zhì)的mRNA，但細(xì)胞中有許多RNA并不編碼蛋白質(zhì)，但它們可以發(fā)揮重要的調(diào)控作用。實(shí)際上，這些非編碼RNA（ncRNA）占據(jù)了真核生物轉(zhuǎn)錄組的非常大的部分，包括小RNA、長(zhǎng)非編碼RNA、環(huán)形RNA以及高度重復(fù)序列的RNA等多種類(lèi)別。對(duì)這些非編碼RNA的認(rèn)知極大地豐富了我們對(duì)于中心法則的理解。

陳玲玲博士是中國(guó)科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越中心研究員，她的實(shí)驗(yàn)室主要研究非編碼RNA（ncRNA）的基因調(diào)控，特別是研究環(huán)形RNA（circRNA）和長(zhǎng)非編碼RNA（lncRNA）在正常細(xì)胞功能和疾病中的作用。

Q：是什么激發(fā)了你對(duì)非編碼RNA（ncRNA）的興趣？

陳玲玲：廣義上來(lái)說(shuō)，非編碼RNA（ncRNA）在真核生物轉(zhuǎn)錄組中占相當(dāng)大的比例，包括不編碼功能性蛋白質(zhì)或多肽的短RNA、長(zhǎng)RNA、環(huán)狀RNA，以及重復(fù)RNA序列。我對(duì)ncRNA的興趣源于17年前在康涅狄格大學(xué)Gordon Carmichael讀博時(shí)的第一個(gè)課題，探索逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子Alu元件基因調(diào)控作用。我發(fā)現(xiàn)在3'UTR區(qū)有帶有倒置重復(fù)Alu元件的mRNA子集被隔離在一種稱(chēng)為旁斑（paraspeckles）的核體中，導(dǎo)致這些mRNA的核質(zhì)輸出受到抑制，并隨后減少了在細(xì)胞質(zhì)中的翻譯。一年后，冷泉港實(shí)驗(yàn)室的David Spector團(tuán)隊(duì)證實(shí)了旁斑是由一種豐富的長(zhǎng)鏈非編碼RNA（lncRNA）NEAT1組織的，它的3'端被另一種稱(chēng)為RNase P的非編碼RNA-蛋白質(zhì)復(fù)合物處理，該復(fù)合體具有催化活性，產(chǎn)生非聚腺苷酸化的三聯(lián)體結(jié)構(gòu)來(lái)穩(wěn)定RNA。在我早期的研究生涯中，我有幸有機(jī)會(huì)接觸到幾種形狀和作用方式完全不同的ncRNA，這完全激發(fā)了我對(duì)進(jìn)一步深入研究ncRNA的興趣。

值得一提的是，在我的研究生階段，我發(fā)現(xiàn)了“mRNA-like”lncRNA的廣泛表達(dá)，后來(lái)又發(fā)現(xiàn)了不同生物發(fā)生途徑產(chǎn)生的更多樣化的lncRNA。這讓我在過(guò)去十年里不斷進(jìn)步，刷新它們?cè)诖笮?、形狀、生物起源、時(shí)空表達(dá)模式和功能方面的多樣性。

Q：你對(duì)lncRNA的興趣是如何塑造了您實(shí)驗(yàn)室的研究重點(diǎn)的？多年來(lái)，這種興趣是如何演變的？

陳玲玲：我的實(shí)驗(yàn)室研究lncRNA和circRNA，不久前，我們提出了一個(gè)問(wèn)題：是否所有的lncRNA看起來(lái)都與mRNA相似？為了解答這個(gè)問(wèn)題，我們開(kāi)發(fā)了檢測(cè)方法來(lái)探索人類(lèi)細(xì)胞中的無(wú)polyA尾轉(zhuǎn)錄本。這使我們能夠發(fā)現(xiàn)RNA聚合酶II（Pol II）驅(qū)動(dòng)的非常規(guī)lncRNA轉(zhuǎn)錄本，其穩(wěn)定性可以通過(guò)小核仁RNA（snoRNA）-蛋白質(zhì)復(fù)合物（snoRNP）的覆蓋或形成共價(jià)封閉的環(huán)狀結(jié)構(gòu)來(lái)防止核外溶解降解來(lái)實(shí)現(xiàn)。許多這些非常規(guī)lncRNA，例如sno-lncRNA，定位于細(xì)胞核，我們發(fā)現(xiàn)一些sno-lncRNA在Prader-Willi綜合征患者中明顯缺失，而另一些sno-lncRNA在調(diào)節(jié)核仁結(jié)構(gòu)和功能中起著至關(guān)重要的作用。

盡管我是一名RNA生物學(xué)家，我們的研究植根于分子生物學(xué)，但在實(shí)驗(yàn)室里，我們使用了所有必要的方法來(lái)探索這些新型RNA的調(diào)控潛力，其中包括常規(guī)使用的活細(xì)胞顯微鏡和超分辨率顯微鏡來(lái)可視化詳細(xì)的RNA亞細(xì)胞定位模式，這為其功能活動(dòng)提供了有用的線(xiàn)索，也幫助我們獲得了現(xiàn)階段最可靠的行為模型。

同時(shí)，由于環(huán)形RNA（circRNA）是一種不同于線(xiàn)性轉(zhuǎn)錄物的新興RNA分子類(lèi)別，我們希望首先解決其生命周期的調(diào)節(jié)，包括生產(chǎn)、加工、折疊和周轉(zhuǎn)。這些信息對(duì)于開(kāi)發(fā)允許其功能注釋的適當(dāng)方法至關(guān)重要。我們還不斷開(kāi)發(fā)新的方法，解決它們的圓形構(gòu)象，克服與線(xiàn)性mRNA轉(zhuǎn)錄本的序列重疊，以獲得單個(gè)環(huán)形RNA（circRNA）的調(diào)控潛力及其潛在的生物醫(yī)學(xué)意義。

總之，在過(guò)去十年的實(shí)驗(yàn)室研究中，我總是對(duì)這些神秘的ncRNA充滿(mǎn)興奮，因?yàn)樗鼈冊(cè)诖笮『托螤?、生物起源、多樣化的功能和意想不到的作用模式上的多變。在我看?lái)，在實(shí)驗(yàn)室里的每天都是新的一天。

Q：哪些工具和技術(shù)對(duì)推動(dòng)ncRNA領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展貢獻(xiàn)最大？

陳玲玲：RNA測(cè)序（RNA-seq），特別是最近開(kāi)發(fā)的長(zhǎng)讀RNA-seq，能夠以細(xì)胞類(lèi)型、組織和物種特異性的方式更好地分析lncRNA和circRNA的不同異構(gòu)體。化學(xué)探針已經(jīng)很好地適應(yīng)于理解lncRNA和circRNA的關(guān)鍵二級(jí)結(jié)構(gòu)，允許分析活細(xì)胞中長(zhǎng)RNA上的功能蛋白相互作用網(wǎng)絡(luò)，并在單分子水平上探測(cè)RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)。超分辨率顯微鏡結(jié)合單分子熒光原位雜交（smFISH）已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)ncRNA的亞細(xì)胞器水平的可視化定位，能夠更精確地研相互作用模式?；贑RISPR-Cas的基因組編輯方法極大地加速了lncRNA的細(xì)胞表型研究。這些技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用揭示了lncRNA在時(shí)空表達(dá)、亞細(xì)胞定位的多樣化模式以及在多個(gè)細(xì)胞水平上的多種作用模式的意想不到的復(fù)雜性。

Q：有哪些關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)有助于我們對(duì)lncRNA的理解？

陳玲玲：自從20世紀(jì)90年代發(fā)現(xiàn)調(diào)控性小ncRNA及其在基因調(diào)控中的強(qiáng)大作用以來(lái)，ncRNA的存在極大地?cái)U(kuò)展了中心法則的范圍。在過(guò)去的20年里，由于分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)和遺傳學(xué)前沿技術(shù)的出現(xiàn)，我們對(duì)lncRNA的生物發(fā)生和功能的理解正以前所未有的速度發(fā)展。有幾個(gè)關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)有助于我們對(duì)lncRNA的理解，例如，基因組普遍轉(zhuǎn)錄，但會(huì)在不同條件下產(chǎn)生大量具有不同形狀和生物發(fā)生途徑的lncRNA；在模式生物證明了lncRNA在體內(nèi)的重要作用以及它們的失調(diào)與人類(lèi)疾病之間的聯(lián)系；以及l(fā)ncRNA參與從染色質(zhì)狀態(tài)調(diào)控到翻譯后修飾的多種作用模式，通過(guò)功能喪失和功能獲得研究、RNA結(jié)構(gòu)解析、超分辨率成像和生物化學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的越來(lái)越有說(shuō)服力的證據(jù)，這些作用模式得到了深入的機(jī)制觀(guān)點(diǎn)的支持。

綜上所述，這些研究清楚地展示了lncRNA在基因調(diào)控中的重要作用，進(jìn)一步拓寬了中心法則中基因調(diào)控的復(fù)雜性。

Q：你認(rèn)為ncRNA挑戰(zhàn)了中心法則嗎？

陳玲玲：在我看來(lái)，ncRNA的功能多樣性極大地拓展了對(duì)中心法則的認(rèn)知，而不是挑戰(zhàn)了中心法則的歷史視角。一方面，ncRNA不編碼功能蛋白或多肽，這可以被視為可衡量表型的中心法則中有意義的“繞路”。這是因?yàn)閚cRNA可通過(guò)序列互補(bǔ)性靶向mRNA或DNA，最終影響蛋白質(zhì)產(chǎn)出，或通過(guò)直接干擾靶向蛋白質(zhì)，最終影響這些蛋白質(zhì)的可用性或可及性。另一方面，絕大多數(shù)ncRNA必須與效應(yīng)蛋白結(jié)合才能執(zhí)行它們的調(diào)控作用，反之亦然。因此，調(diào)控性ncRNA及其靶蛋白是彼此不可或缺的，它們的相互作用對(duì)于可衡量的表型至關(guān)重要。

Q：這個(gè)領(lǐng)域還有哪些問(wèn)題需要更好的技術(shù)或未來(lái)的技術(shù)來(lái)回答？

陳玲玲：在動(dòng)態(tài)環(huán)境和高分辨率下理解RNA-蛋白質(zhì)相互作用是剖析lncRNA確切作用的關(guān)鍵?？紤]到lncRNA分子固有的靈活性和結(jié)構(gòu)異質(zhì)性，需要多個(gè)層次的方法，如高分辨率RNA空間成像，用于繪制RNA關(guān)鍵模塊的精確化學(xué)檢測(cè)方法，RNA折疊和結(jié)構(gòu)的計(jì)算建模，以及超越冷凍電鏡的未來(lái)的結(jié)構(gòu)解析工具，以在單分子水平上實(shí)時(shí)識(shí)別和可視化RNA-蛋白質(zhì)相互作用。在功能水平上，lncRNA被認(rèn)為比mRNA進(jìn)化得更快。對(duì)于給定的一對(duì)lncRNA，動(dòng)物模型和人類(lèi)類(lèi)器官都可以用于相關(guān)的表型分析、疾病模型和體內(nèi)治療潛力。這種體內(nèi)分析的比較不僅有助于概括與lncRNA相關(guān)的發(fā)育和疾病缺陷，而且有可能深入了解lncRNA對(duì)其功能快速進(jìn)化的貢獻(xiàn)（如果有的話(huà)）。

Q：circRNA及其作為治療藥物的前景一直備受關(guān)注，你認(rèn)為circRNA的潛力如何？

陳玲玲：circRNA與mRNA和lncRNA在產(chǎn)生、結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性和免疫原性方面有所不同，這激發(fā)了開(kāi)發(fā)基于RNA環(huán)化的技術(shù)和潛在治療方式的新的嘗試。circRNA有望作為治療藥物，不同研究團(tuán)隊(duì)建議使用circRNA作為臨床治療靶點(diǎn)和生物標(biāo)志物。此外，以circRNA為基礎(chǔ)的新療法的研究也取得了一些新進(jìn)展。這包括兩種類(lèi)型：非編碼適體模式和編碼mRNA模式。樂(lè)觀(guān)的觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為，circRNA的穩(wěn)定性和獨(dú)特的構(gòu)象可能使它們?cè)趹?yīng)用中勝過(guò)對(duì)應(yīng)的線(xiàn)性RNA。在目前，將circRNA作為治療藥物還有許多基本問(wèn)題需要解決，包括了解circRNA在體外、細(xì)胞和組織或體內(nèi)的周轉(zhuǎn)、運(yùn)輸、結(jié)構(gòu)、可翻譯性和免疫原性。了解控制circRNA穩(wěn)定性、折疊、定位和免疫原性的規(guī)則將有助于生物醫(yī)學(xué)研究中基于circRNA的改進(jìn)技術(shù)的發(fā)展和治療方式的應(yīng)用。

Q：ncRNA領(lǐng)域最令人興奮的未解之謎是什么？

陳玲玲：ncRNA中有很大一部分是重復(fù)元件，這些不同的逆轉(zhuǎn)錄元件是如何表達(dá)、分布和起作用的（如果它們真的有作用的話(huà)）仍有待解決。對(duì)于lncRNA，其生命周期和作用機(jī)制的完整注釋還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有完成；此外，lncRNA的RNA折疊功能關(guān)系和生理病理作用值得深入研究。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.molcel.2023.01.007