新技術助力發現“垃圾”DNA的大作用

近日，上海市細胞代謝光遺傳學技術前沿科學研究基地、華東理工大學生物反應器工程國家重點實驗室教授楊弋團隊在RNA光遺傳學控制技術研究中取得突破，相關研究已在《自然—生物技術》上以長篇論文形式在線發表。

生物遺傳中心法則是指遺傳信息從DNA傳遞給RNA，再從RNA傳遞給蛋白質，即完成遺傳信息轉錄和翻譯的過程。然而在過去的幾十年里，生命科學的舞臺一直被DNA 和蛋白質霸占。DNA負責遺傳信息存儲，蛋白質負責基因指令執行，而RNA只是承擔中間環節遺傳信息傳遞者的配角。隨著人類基因組信息的解析，人們發現只有2%的人類基因組編碼蛋白質，更有約98%的基因組意義不明，甚至被認為是“垃圾”DNA。

“隨著生命科學的不斷發展，這些看似‘垃圾’的DNA卻能產生大量的非編碼RNA。”楊弋告訴《中國科學報》，“而這些RNA發揮著至關重要的生物學功能，幾乎參與所有重要的細胞生命過程，與多種重大疾病的發生和發展密切相關。”

細胞內的RNA像蛋白質一樣，具有復雜的高級結構與相互作用，具有特定的時間、空間分布及不同的轉錄后修飾狀態，復雜而精確地執行豐富多彩的生物學功能。

“與蛋白質研究相比，人們對細胞內RNA時間、空間分布及其功能的研究仍然有一定滯后。”論文第一作者、華東理工大學生物工程學院博士劉韌玫說，“其中，一個重要的原因是目前仍缺乏可以在活細胞內對RNA分子進行實時監測與精密控制的技術，這是深入研究RNA功能機制面臨的關鍵問題和重要技術挑戰，也是國際上RNA研究領域的前沿熱點。”

在RNA監測技術研究方面，楊弋與華東理工大學教授朱麟勇組成的交叉學科聯合攻關團隊此前發展了系列高性能熒光RNA，在國際上首次實現了動物細胞內不同種類RNA的標記與無背景成像，解決了活細胞RNA實時標記與成像的難題。在RNA控制技術研究方面，楊弋團隊此前發展了系列光控轉錄系統，實現RNA生成的時間和空間精密控制。

“然而，活細胞RNA在轉錄后還有一系列的代謝行為，如剪接、修飾、運輸、翻譯、降解等，它們對RNA的正常生物學功能發揮同樣至關重要。因此，發展活細胞RNA轉錄后代謝精密控制技術將會極大促進人們對于RNA的復雜功能與調控機制的解析。”楊弋說。

針對這一亟需解決的技術挑戰，研究人員歷經多年辛苦耕耘，最終在活細胞RNA精密控制領域取得了突破性進展。基于合成生物學及光遺傳學原理，他們成功構建了系列光控RNA效應因子，實現了動物細胞內RNA生成、剪接、運輸、翻譯、降解等代謝活動的高時空分辨精密控制。

基于合成生物學理性設計并結合全新的高通量篩選策略，研究團隊構建了國際上首個人工合成的光控RNA結合蛋白LicV，將LicV與不同的RNA效應結構域融合，分別獲得光控RNA剪接因子、光控RNA定位因子、光控RNA翻譯因子以及光控RNA降解因子。他們利用這些光控RNA效應因子實現了活細胞RNA剪接、運輸、翻譯、降解等，轉錄后代謝的時間和空間精密控制。此外，研究團隊還實現了基因位點的高亮度與可逆標記。

論文相關信息：https://doi.org/10.1038/s41587-021-01112-1