| RNA：從軟麵條到香餑餑 |
| 核糖核酸分子及其構造作用研究迎來新高潮 |
當Philip Bevilacqua決定研究一個活體植物細胞中所有核糖核酸（RNA）分子的形態時，他面臨兩個問題：首先，自從中學時代起，他就沒有研究過與植物相關的生物學；其次，生物化學家傾向於檢測單個RNA分子，因為處理一個細胞內的眾多RNA分子是個更加棘手的挑戰。
Bevilacqua是美國賓夕法尼亞大學帕克分校RNA化學家，他並沒有被這個難題嚇退。他知道，RNA分子是細胞生物學的重要調節器，它們的結構可能會透露其工作機制的重要秘密。為此，他重新參加了本科生課程學習植物解剖學，同時與植物分子生物學家Sarah Assmann合作，研究一種可以大規模處理RNA的技術。
2013年11月，Bevilacqua和Assmann的團隊成為首個描述單個活體細胞中成千上萬RNA的科學團隊，並且揭示了真正意義上的野生擬南芥（又稱阿拉伯芥）各種不同的「雕塑花園」。1個月後，舊金山加州大學的一個團隊發表了一項研究酵母和人類細胞的比較研究。該團隊研究的RNA結構數量是「史無前例」的，北卡羅來納大學教堂山分校（UNC）RNA生物學家Alain Laederach說。
過去幾年，科學家對RNA的態度已經發生了轉變。從前，多數RNA被認為是像「軟麵條」一樣的乏味物質，其主要作用是在重要的分子——如脫氧核糖核酸（DNA）和蛋白質——之間傳遞信息。現在，生物學家已經認識到，RNA還發揮著許多其他重要的基礎功能：它們幫助蛋白合成，控制基因活動，並修飾其他RNA。此外，還有研究顯示，至少有85%的人類基因組經歷基因轉錄後成為RNA，而事實的確如此。
紛雜的結構
然而，一直以來卻存在一個難解的謎題，即RNA紛繁複雜的結構。和形成可預測雙螺旋結構的DNA不同，RNA由單纖維鏈條組成，而且會摺疊成各種精妙的迴路、凸起、假結以及「發卡」狀的三維結構。這些結構會以不同的形式翻轉和扭曲，它們被認為是RNA發揮作用的關鍵所在，然而對於其具體工作機制目前尚不了解。「這就是丟失了的了解RNA如何運轉的那塊拼圖。」生物物理學家、酵母和人類RNA研究成果領頭人Jonathan Weissman說。
過去幾年，研究人員逐漸在這一研究領域站穩腳跟。Bevilacqua、Weissman以及其他研究人員已經發明出各種技術，可窺探到細胞內大量RNA的配置概況。研究人員還發現，當RNA在人工條件下摺疊時，這些分子和自然觀察中看到的完全不同。這項工作正在幫助科學家破譯控制RNA結構的一些密碼，相關研究或有助於了解人類基因變異和疾病，甚至是改良農作物。
「相關研究會觸及一些最基本的問題，例如生物如何演化、這些分子機制如何影響人類外表和人體功能等。」Laederach，「作為一名生物學家，這樣的研究讓人興奮。」
對於RNA結構的最佳描述是UNC生化學家KevinWeeks提出的「RNA巖石」：在進化過程中，序列或結構發生細微改變的分子。它們包括轉移RNA和核蛋白體RNA（兩種RNA均參與蛋白質合成）以及酶性核酸（或稱核酶）。「但是在RNA的世界中，這些可能都算是異常值。」Weeks說。
RNA的世界就像未被探索過的流沙地帶。「我們對絕大多數RNA的結構都不了解。」加州大學爾灣分校化學家Robert Spitale說。當它們從其DNA模板製備完成之後，RNA分子通常表現為由核苷酸組成的線性結構。它們會迅速發生摺疊，互補的核苷酸會相互結對。然後，它們會進一步扭曲成複雜的三維結構，從而和蛋白質以及其他RNA發生反應，並根據不同的任務改變自身的結構形狀。
大多數探測RNA結構的技術都在利用核苷酸的反應活性，或者利用核苷酸對一些酶的敏感性：那些結成對的RNA區域和那些維持單鏈結構的區域會表現出不同反應活性。接下來，科學家會利用電腦程式輔助模擬分子的整體結構。但是這些實驗極為艱苦費力，因為研究人員每次只能監測一個分子的一小部分。
複雜的機理
然而，隨著RNA結構平行分析技術（PARS）（由史丹福大學遺傳學家Howard Chang和以色列魏茨曼科學研究學院計算生物學家Eran Segal研發）的到來，這一局面已經在5年前發生了轉變。這種技術利用一種酶切斷單鏈條RNA，並利用另一種酶切割雙鏈RNA。研究人員分別用兩種酶處理一種RNA樣本，從而製造出兩個切斷的RNA的信息文庫；他們隨後對兩種RNA進行了測序和分析，以了解哪種核苷酸可以結對，並且即便RNA結構發生上千種變化依然可以立即結對。
Chang和Segal首先把PARS技術用於剛剛萌芽的釀酒酵母，以了解3000多種信使RNA的結構，這些RNA掌握著構建蛋白質的密碼。儘管這些RNA的結構稀奇古怪，科學家還是發現了解碼RNA結構的一個線索：編碼蛋白質的RNA區域普遍比那些非編碼區的旁側序列擁有更多結對RNA，而且這些RNA的結構也更加複雜。Chang表示，這樣的模式有一定合理性，因為非編碼區經常和調節蛋白質發生相互作用，所以需要處於一個更加開放、可及的定位。
去年，緊隨這項研究之後，一項由研究生Yue Wan主導的研究聚焦了人類信使RNA。研究人員檢查了採集自一對父母與其孩子血液細胞系中2萬多個信使RNA的結構。研究發現，不負責編碼蛋白質的RNA區域約有1900個單核苷酸變異，這些RNA的結構也發生了改變。現在的問題是，這些變化是否會影響RNA的功能，或者這些變異最多只是一些背景噪音。
至少有一些證據表明這些變異很重要。今年5月，Laederach和團隊報告了非編碼區信使RNA變異和一種叫作成視網膜細胞瘤（或遺傳性眼癌）的罕見病存在關聯。在健康人群中，這種信使RNA會同時以3種結構存在，但是在罹患該疾病的2名病人中，核苷酸變異迫使分子僅能以一種方式存在。Laederach認為，類似的信使RNA摺疊變異即便是一種普遍的發生機制，也可能是人類一些常見特徵如身高變異的根源。
然而，PARS技術也有一個主要缺陷，這種技術採用的酶很難輕易滲入細胞膜，因為科學家必須從細胞中提取RNA，而這樣做會擾亂其自然結構。從原理上講，結對可以確保RNA反彈至它們在試管中重新摺疊時的形狀。但事實上，這種技術會除去與RNA結合的蛋白質，這一過程會嚴重改變RNA的分子結構。
研究新出路
為了得到活體RNA結構，很多科學家把目標轉向了硫酸二甲酯（DMS），這種化學物質可以滲透至細胞內部，在那裡它可以和4種RNA的核苷酸中的2種——腺嘌呤和胞嘧啶——發生反應，但其前提條件是核苷酸必須處於不結對的狀態。研究人員隨後把RNA轉化為DNA，並對其進行了測序。研究發現，任何在DMS作用下發生改變的核苷酸都會阻止RNA轉化為DNA，因此，科學家可以事先利用DNA縮短的片段分辨沒有結對的核苷酸。
很多科學家希望可以看到更多摺疊在一個細胞中的RNA，因為他們認為互作蛋白會讓細胞內的RNA結構處於穩定狀態。但是，Weissman和團隊的發現與此相反。現在他們認為，這種現象可能是因為細胞中的信使RNA在主動生成蛋白質——而更鬆散的分子對於細胞的蛋白合成機制來說更易於獲得。
然而，DMS方法也有缺陷，該方法僅能揭示出可以結對的2種核苷酸。為了獲得細胞內每個RNA分子的結對信息，Chang和Spitale採用了一種叫作SHAPE的結構探測技術。該技術可以讓他們推斷小鼠胚胎幹細胞中的19000多種RNA分子結構，相關研究成果於今年年初發表。研究人員表示，對信使RNA進行常見的化學改性，就可以解開這種分子的結構特徵。他們還探測到一些獨特的結構「籤名」——這些特徵可預測蛋白質在哪裡與RNA結合，從而控制RNA的形狀。
一些研究人員已經開始採用這種技術。Assmann和Bevilacqua正在利用大米探測RNA的結構，並計劃用其他重要農作物開展同樣的實驗。他們希望可以找到操控RNA形狀的方法，從而提高作物耐受性和產量。
與此同時，Rouskin正試圖研究果蠅的RNA，以便進一步了解這些分子結構如何影響胚胎發育。「現在，我們終於有了一種研究工具。」她說，「我們也終於可以就以前那些甚至不敢想像的問題發問了。」（馮麗妃）
《中國科學報》 (2015-08-03 第3版 國際)
更多閱讀