活細(xì)胞RNA轉(zhuǎn)錄后系列代謝行為示意圖 受訪者供圖

近日，上海市細(xì)胞代謝光遺傳學(xué)技術(shù)前沿科學(xué)研究基地、華東理工大學(xué)生物反應(yīng)器工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授楊弋團(tuán)隊(duì)在RNA光遺傳學(xué)控制技術(shù)研究中取得突破，相關(guān)研究已在《自然—生物技術(shù)》上以長(zhǎng)篇論文形式在線發(fā)表。

生物遺傳中心法則是指遺傳信息從DNA傳遞給RNA，再?gòu)腞NA傳遞給蛋白質(zhì)，即完成遺傳信息轉(zhuǎn)錄和翻譯的過(guò)程。然而在過(guò)去的幾十年里，生命科學(xué)的舞臺(tái)一直被DNA 和蛋白質(zhì)霸占。DNA負(fù)責(zé)遺傳信息存儲(chǔ)，蛋白質(zhì)負(fù)責(zé)基因指令執(zhí)行，而RNA只是承擔(dān)中間環(huán)節(jié)遺傳信息傳遞者的配角。隨著人類(lèi)基因組信息的解析，人們發(fā)現(xiàn)只有2%的人類(lèi)基因組編碼蛋白質(zhì)，更有約98%的基因組意義不明，甚至被認(rèn)為是“垃圾”DNA。

“隨著生命科學(xué)的不斷發(fā)展，這些看似‘垃圾’的DNA卻能產(chǎn)生大量的非編碼RNA?！睏钸嬖V《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，“而這些RNA發(fā)揮著至關(guān)重要的生物學(xué)功能，幾乎參與所有重要的細(xì)胞生命過(guò)程，與多種重大疾病的發(fā)生和發(fā)展密切相關(guān)?！?/p>

細(xì)胞內(nèi)的RNA像蛋白質(zhì)一樣，具有復(fù)雜的高級(jí)結(jié)構(gòu)與相互作用，具有特定的時(shí)間、空間分布及不同的轉(zhuǎn)錄后修飾狀態(tài)，復(fù)雜而精確地執(zhí)行豐富多彩的生物學(xué)功能。

“與蛋白質(zhì)研究相比，人們對(duì)細(xì)胞內(nèi)RNA時(shí)間、空間分布及其功能的研究仍然有一定滯后?！闭撐牡谝蛔髡摺⑷A東理工大學(xué)生物工程學(xué)院博士劉韌玫說(shuō)，“其中，一個(gè)重要的原因是目前仍缺乏可以在活細(xì)胞內(nèi)對(duì)RNA分子進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與精密控制的技術(shù)，這是深入研究RNA功能機(jī)制面臨的關(guān)鍵問(wèn)題和重要技術(shù)挑戰(zhàn)，也是國(guó)際上RNA研究領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)。”

在RNA監(jiān)測(cè)技術(shù)研究方面，楊弋與華東理工大學(xué)教授朱麟勇組成的交叉學(xué)科聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì)此前發(fā)展了系列高性能熒光RNA，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)不同種類(lèi)RNA的標(biāo)記與無(wú)背景成像，解決了活細(xì)胞RNA實(shí)時(shí)標(biāo)記與成像的難題。在RNA控制技術(shù)研究方面，楊弋團(tuán)隊(duì)此前發(fā)展了系列光控轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)RNA生成的時(shí)間和空間精密控制。

“然而，活細(xì)胞RNA在轉(zhuǎn)錄后還有一系列的代謝行為，如剪接、修飾、運(yùn)輸、翻譯、降解等，它們對(duì)RNA的正常生物學(xué)功能發(fā)揮同樣至關(guān)重要。因此，發(fā)展活細(xì)胞RNA轉(zhuǎn)錄后代謝精密控制技術(shù)將會(huì)極大促進(jìn)人們對(duì)于RNA的復(fù)雜功能與調(diào)控機(jī)制的解析?！睏钸f(shuō)。

針對(duì)這一亟需解決的技術(shù)挑戰(zhàn)，研究人員歷經(jīng)多年辛苦耕耘，最終在活細(xì)胞RNA精密控制領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展。基于合成生物學(xué)及光遺傳學(xué)原理，他們成功構(gòu)建了系列光控RNA效應(yīng)因子，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)RNA生成、剪接、運(yùn)輸、翻譯、降解等代謝活動(dòng)的高時(shí)空分辨精密控制。

基于合成生物學(xué)理性設(shè)計(jì)并結(jié)合全新的高通量篩選策略，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了國(guó)際上首個(gè)人工合成的光控RNA結(jié)合蛋白LicV，將LicV與不同的RNA效應(yīng)結(jié)構(gòu)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(yīng)因子實(shí)現(xiàn)了活細(xì)胞RNA剪接、運(yùn)輸、翻譯、降解等，轉(zhuǎn)錄后代謝的時(shí)間和空間精密控制。此外，研究團(tuán)隊(duì)還實(shí)現(xiàn)了基因位點(diǎn)的高亮度與可逆標(biāo)記。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41587-021-01112-1

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào)