增強(qiáng)子—啟動子RNA鏈接圖   薛愿超供圖

    人類基因組計(jì)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(rèn)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(gòu),？如何發(fā)揮功能？認(rèn)識這些,，對于理解生命健康過程至關(guān)重要,。

　　5月6日，《自然》刊發(fā)了中國科學(xué)院生物物理研究所研究員薛愿超團(tuán)隊(duì)的最新成果,。他們建立了能夠捕獲RNA原位高級結(jié)構(gòu)和作用靶標(biāo)的RIC-seq新技術(shù),，并利用該技術(shù)首次在細(xì)胞內(nèi)全景式地捕獲RNA的高級結(jié)構(gòu)以及各種類型非編碼RNA的作用靶標(biāo)，為RNA領(lǐng)域發(fā)展提供了全新的實(shí)驗(yàn)工具,。

　　“高級”RNA有“魔力”

　　非編碼RNA在細(xì)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(guān)研究表明,，非編碼RNA參與了胚胎發(fā)育,、細(xì)胞增殖、分化,、凋亡,、感染以及免疫應(yīng)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(guān)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(xué)報(bào)》,，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(gòu),，并在RNA結(jié)合蛋白的介導(dǎo)下與其他mRNA或者非編碼RNA相互作用而實(shí)現(xiàn)。因此,，解析細(xì)胞內(nèi)RNA的原位高級結(jié)構(gòu)及相互作用靶標(biāo)是探究非編碼RNA功能機(jī)制的關(guān)鍵,。

　　所謂高級結(jié)構(gòu)，是指三級及以上的結(jié)構(gòu),?！斑^去，可能很多人認(rèn)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,。”薛愿超說,。

　　事實(shí)上,，RNA在細(xì)胞內(nèi)通過A—U、C—G或G—U配對先形成二級結(jié)構(gòu),，進(jìn)而在RNA結(jié)合蛋白的協(xié)助下折疊成復(fù)雜的三級結(jié)構(gòu),。

　　而特定的RNA分子在形成復(fù)雜的三級結(jié)構(gòu)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(jì)80年代初,，美國科學(xué)家托馬斯·切赫和西德尼·奧爾特曼正是因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)具有催化活性的RNA分子而獲得1989年諾貝爾化學(xué)獎。

　　然而,，在整個轉(zhuǎn)錄組范圍內(nèi)研究RNA的三級結(jié)構(gòu)是RNA領(lǐng)域的世界性難題，難就難在利用現(xiàn)有的酶學(xué)和化學(xué)方法不能準(zhǔn)確解析遠(yuǎn)距離的,、非互補(bǔ)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(biāo)”,。而只有準(zhǔn)確地鑒定靶標(biāo)才能推導(dǎo)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(biāo)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(gòu)及相互作用的技術(shù)研發(fā)原創(chuàng)性方面有所欠缺,，現(xiàn)有技術(shù)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(xué)圣地亞哥分校博士后出站,，薛愿超入職中國科學(xué)院生物物理研究所并建立實(shí)驗(yàn)室,。那時,，他開始思考，是否能開發(fā)新技術(shù)來系統(tǒng)性地研究非編碼RNA的高級結(jié)構(gòu)和作用靶標(biāo),。

　　新技術(shù)實(shí)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(jìn)入課題組,，年輕的“師徒”開始攜手構(gòu)建理想中的新技術(shù),。

　　考慮到RNA結(jié)構(gòu)在細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外存在一定的差別，他們在對RIC-seq技術(shù)進(jìn)行原理性設(shè)計(jì)時,，重點(diǎn)突出了“原位”的概念,。

　　“原位是指在保持細(xì)胞完整性的前提下，對所有空間上鄰近的RNA進(jìn)行近端連接,、篩選和測序,。”薛愿超說,。

　　任何新技術(shù)誕生后都需要做大量驗(yàn)證以確定其準(zhǔn)確度,、可重復(fù)性和假陽性率。研究人員首先評估了RIC-seq技術(shù)的相關(guān)指標(biāo),，比較和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明,，與現(xiàn)有非編碼RNA二級結(jié)構(gòu)和三級結(jié)構(gòu)相比，RIC-seq技術(shù)均表現(xiàn)得更好,。

　　此外,，它還可“一網(wǎng)打盡”看清細(xì)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(gòu)建了RNA三維作用圖譜，通過解析發(fā)現(xiàn)了非編碼RNA在細(xì)胞內(nèi)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)域和反式作用規(guī)律,。

　　研究人員并未就此止步,。“我們想嘗試用RIC-seq技術(shù)來看看啟動子RNA和增強(qiáng)子RNA之間是否存在互作,?！毖υ赋f。

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

　　同時,，由于啟動子和增強(qiáng)子區(qū)都可轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生RNA,，且增強(qiáng)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(shù)能夠派上用場,。

　　令他們意外的是,，研究表明，啟動子RNA和增強(qiáng)子RNA之間確實(shí)存在相互作用,?！?0%左右可以利用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，有意思的是,，我們進(jìn)一步證明了增強(qiáng)子和啟動子RNA之間的相互作用,，這對染色質(zhì)構(gòu)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(qiáng)子非編碼RNA之間的互作可用于推導(dǎo)其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。RIC-seq技術(shù)被認(rèn)為是RNA結(jié)構(gòu)和靶標(biāo)研究方面的一個飛躍,?！叭绻fRNA二級結(jié)構(gòu)研究方面我們處于跟跑狀態(tài)，那么這次在RNA高級結(jié)構(gòu)和靶標(biāo)研究方面,，我們在國際上應(yīng)該算是處在領(lǐng)跑位置,。”薛愿超說,。

　　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(shù)能夠在病毒侵入人體細(xì)胞的過程中解析病毒RNA的結(jié)構(gòu)和靶標(biāo)，這將有助于理解RNA病毒的致病機(jī)制,。同時,，根據(jù)解析的結(jié)構(gòu)，還可設(shè)計(jì)出更為有效的小干擾RNA來切割病毒,，達(dá)到治療的效果,。

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

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

　　“解決這一問題,，需要與計(jì)算模擬和算法開發(fā)的專業(yè)團(tuán)隊(duì)合作,。當(dāng)然，我們自己也在做各種嘗試,，希望近幾年會有成果,。”薛愿超說,。

　　下一步,，他們希望從RNA結(jié)構(gòu)和相互作用的角度入手，探究非編碼區(qū)的疾病相關(guān)突變的致病機(jī)理,，并對RNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)域的功能機(jī)制等RIC-seq技術(shù)引出的科學(xué)問題進(jìn)行探索,。