增強子—啟動子RNA鏈接圖   薛愿超供圖

    人類基因組計劃研究表明，人類基因組中只有不到2%的蛋白質(zhì)編碼序列，而剩余98%為非編碼核酸序列。這些非編碼序列可能有功能，也可能僅僅是副產(chǎn)物，曾被稱為“垃圾DNA”或者“暗物質(zhì)”。

　　隨著認識的深入，人們意識到，非編碼序列經(jīng)過廣泛轉(zhuǎn)錄后生成的大量非編碼RNA在個體生命中具有重要的生理調(diào)控功能。非編碼RNA有著怎樣的結(jié)構？如何發(fā)揮功能？認識這些，對于理解生命健康過程至關重要。

　　5月6日，《自然》刊發(fā)了中國科學院生物物理研究所研究員薛愿超團隊的最新成果。他們建立了能夠捕獲RNA原位高級結(jié)構和作用靶標的RIC-seq新技術，并利用該技術首次在細胞內(nèi)全景式地捕獲RNA的高級結(jié)構以及各種類型非編碼RNA的作用靶標，為RNA領域發(fā)展提供了全新的實驗工具。

　　“高級”RNA有“魔力”

　　非編碼RNA在細胞中數(shù)量眾多、無處不在。如今諸多研究表明，它不再是無用的“垃圾”，反而處處“刷存在感”。

　　已有相關研究表明，非編碼RNA參與了胚胎發(fā)育、細胞增殖、分化、凋亡、感染以及免疫應答等幾乎所有生理或病理過程的調(diào)控，與惡性腫瘤、心血管系統(tǒng)疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、代謝疾病等相關的突變約90%定位在非編碼區(qū)。

　　論文通訊作者薛愿超告訴《中國科學報》，與編碼蛋白質(zhì)的mRNA不同，雖然非編碼RNA也攜帶遺傳密碼，但是它們往往不具有蛋白質(zhì)編碼潛能。非編碼RNA的調(diào)控功能主要是通過形成高級結(jié)構，并在RNA結(jié)合蛋白的介導下與其他mRNA或者非編碼RNA相互作用而實現(xiàn)。因此，解析細胞內(nèi)RNA的原位高級結(jié)構及相互作用靶標是探究非編碼RNA功能機制的關鍵。

　　所謂高級結(jié)構，是指三級及以上的結(jié)構。“過去，可能很多人認為RNA僅僅是由A/U/C/G四種堿基所組成的線性序列，它的外觀是像意大利面一樣的條狀分子?！毖υ赋f。

　　事實上，RNA在細胞內(nèi)通過A—U、C—G或G—U配對先形成二級結(jié)構，進而在RNA結(jié)合蛋白的協(xié)助下折疊成復雜的三級結(jié)構。

　　而特定的RNA分子在形成復雜的三級結(jié)構后便具有了神奇的“魔力”，比如可以像蛋白質(zhì)一樣具有酶的催化活性。

　　上世紀80年代初，美國科學家托馬斯·切赫和西德尼·奧爾特曼正是因為發(fā)現(xiàn)具有催化活性的RNA分子而獲得1989年諾貝爾化學獎。

　　然而，在整個轉(zhuǎn)錄組范圍內(nèi)研究RNA的三級結(jié)構是RNA領域的世界性難題，難就難在利用現(xiàn)有的酶學和化學方法不能準確解析遠距離的、非互補配對的RNA—RNA相互作用。

　　此外，非編碼RNA發(fā)揮功能需要跟其他的RNA分子互作，這些互作被稱為“靶標”。而只有準確地鑒定靶標才能推導非編碼RNA跟其他RNA分子作用的規(guī)律，以及作用后如何影響靶標RNA的穩(wěn)定性、翻譯和定位等。

　　薛愿超表示，過去，我國在RNA結(jié)構及相互作用的技術研發(fā)原創(chuàng)性方面有所欠缺，現(xiàn)有技術也存在一定的局限性，比如得到的單鏈和雙鏈信息不完整、在體外做近端連接假陽性率高等。

　　2015年，從美國加州大學圣地亞哥分校博士后出站，薛愿超入職中國科學院生物物理研究所并建立實驗室。那時，他開始思考，是否能開發(fā)新技術來系統(tǒng)性地研究非編碼RNA的高級結(jié)構和作用靶標。

　　新技術實現(xiàn)“一網(wǎng)打盡”

　　2015年9月，薛愿超的第一位博士生、該研究的第一作者蔡兆奎進入課題組，年輕的“師徒”開始攜手構建理想中的新技術。

　　考慮到RNA結(jié)構在細胞內(nèi)和細胞外存在一定的差別，他們在對RIC-seq技術進行原理性設計時，重點突出了“原位”的概念。

　　“原位是指在保持細胞完整性的前提下，對所有空間上鄰近的RNA進行近端連接、篩選和測序?！毖υ赋f。

　　任何新技術誕生后都需要做大量驗證以確定其準確度、可重復性和假陽性率。研究人員首先評估了RIC-seq技術的相關指標，比較和實驗驗證表明，與現(xiàn)有非編碼RNA二級結(jié)構和三級結(jié)構相比，RIC-seq技術均表現(xiàn)得更好。

　　此外，它還可“一網(wǎng)打盡”看清細胞內(nèi)各種RNA—RNA空間相互作用，包括以前看不到的RNA三級空間鄰近相互作用。

　　基于此，研究人員構建了RNA三維作用圖譜，通過解析發(fā)現(xiàn)了非編碼RNA在細胞內(nèi)的拓撲結(jié)構域和反式作用規(guī)律。

　　研究人員并未就此止步?！拔覀兿雵L試用RIC-seq技術來看看啟動子RNA和增強子RNA之間是否存在互作?！毖υ赋f。

　　基因什么時候表達、在什么組織里表達，均由增強子和啟動子控制。在一個細胞里，大概有5萬個啟動子，而增強子至少有10萬個，它們之間的對應調(diào)控關系是現(xiàn)代生物學研究的熱點和難點。

　　同時，由于啟動子和增強子區(qū)都可轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生RNA，且增強子和啟動子在空間上鄰近配對后才能激活轉(zhuǎn)錄，這使得新開發(fā)的RIC-seq技術能夠派上用場。

　　令他們意外的是，研究表明，啟動子RNA和增強子RNA之間確實存在相互作用?！?0%左右可以利用實驗進行驗證，有意思的是，我們進一步證明了增強子和啟動子RNA之間的相互作用，這對染色質(zhì)構象的形成和基因的激活很重要?！辈陶卓f。

　　這也在國際上率先證明了啟動子和增強子非編碼RNA之間的互作可用于推導其調(diào)控網(wǎng)絡。RIC-seq技術被認為是RNA結(jié)構和靶標研究方面的一個飛躍?！叭绻fRNA二級結(jié)構研究方面我們處于跟跑狀態(tài)，那么這次在RNA高級結(jié)構和靶標研究方面，我們在國際上應該算是處在領跑位置?！毖υ赋f。

　　診療病毒新“利器”

　　艾滋病病毒、埃博拉病毒、禽流感病毒等均屬于RNA病毒，它們帶來的疾病正在全球肆虐，威脅人類健康。

　　薛愿超指出，利用RIC-seq技術能夠在病毒侵入人體細胞的過程中解析病毒RNA的結(jié)構和靶標，這將有助于理解RNA病毒的致病機制。同時，根據(jù)解析的結(jié)構，還可設計出更為有效的小干擾RNA來切割病毒，達到治療的效果。

　　此外，利用RIC-seq技術還可系統(tǒng)分析重大疾病相關突變對RNA高級結(jié)構和作用靶標的影響，這將有望揭示非編碼區(qū)突變的致病機理，并為臨床診斷和治療奠定基礎。

　　不過，新技術應用仍面臨諸多挑戰(zhàn)。薛愿超表示，把RIC-seq技術得到的RNA空間位置信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢暬腞NA高級結(jié)構是當前最大的挑戰(zhàn)。

　　“解決這一問題，需要與計算模擬和算法開發(fā)的專業(yè)團隊合作。當然，我們自己也在做各種嘗試，希望近幾年會有成果?！毖υ赋f。

　　下一步，他們希望從RNA結(jié)構和相互作用的角度入手，探究非編碼區(qū)的疾病相關突變的致病機理，并對RNA拓撲結(jié)構域的功能機制等RIC-seq技術引出的科學問題進行探索。