新技术解密非编码RNA

人类基因组计划的研究表明，人类基因组中蛋白质编码序列不到2%，而其余98%是非编码核酸序列。这些非编码序列可能是功能性的，或者只是副产品，曾经被称为“垃圾DNA”或“暗物质”。

随着认识的深入，人们发现大量非编码序列经过广泛转录后产生的非编码核糖核酸在个体生活中起着重要的生理调节作用。非编码核糖核酸的结构是什么？如何运作？理解这些对于理解生命和健康的过程至关重要。

5月6日，《自然》杂志公布了中国科学院生物物理研究所研究员薛团队的最新成果。他们已经建立了一种新的RIC序列技术，可以捕获核糖核酸的原位高级结构和目标。利用这一技术，他们首次在细胞内捕获了高水平的核糖核酸结构和各种非编码核糖核酸的靶位，为核糖核酸领域的发展提供了一种全新的实验工具。

“高级”核糖核酸具有“魔力”

非编码核糖核酸在细胞中大量存在，无处不在。如今，许多研究表明，它不再是无用的“垃圾”，而是到处“擦肩而过的存在感”。

相关研究表明，非编码核糖核酸参与调节几乎所有的生理或病理过程，如胚胎发育、细胞增殖、分化、凋亡、感染和免疫反应，约90%的突变与恶性肿瘤、心血管疾病、神经系统疾病、代谢性疾病等有关。位于非编码区域。理解非编码RNA的功能机制对于理解生命和健康的过程非常重要。

记者薛告诉《中国科学》杂志，虽然非编码核糖核酸也带有遗传密码，但与编码蛋白质的核糖核酸不同，它们通常没有编码蛋白质的潜力。非编码核糖核酸的调节功能主要是通过在核糖核酸结合蛋白的介导下，形成一个高水平的结构并与其他的核糖核酸或非编码核糖核酸相互作用来实现的。因此，分析细胞内RNA的原位高级结构和相互作用靶点是探索非编码RNA功能机制的关键。

所谓的高层结构是指三层或三层以上的结构。“过去，许多人可能认为核糖核酸只是由四个碱基组成的线性序列，它的外观就像面条一样像一条分子链。”薛对说道。

事实上，核糖核酸通过α-U、C-G或G-U配对在细胞中形成二级结构，然后在核糖核酸结合蛋白的帮助下折叠成复杂的三级结构。然而，特定的核糖核酸分子在形成复杂的三级结构后具有神奇的“魔力”。例如，它们可以像蛋白质一样具有酶的催化活性。20世纪80年代初，美国科学家托马斯·切赫和西德尼·阿尔特曼因发现具有催化活性的核糖核酸分子而获得1989年诺贝尔化学奖。

然而，在整个转录组中研究核糖核酸的三级结构或高级结构是一个世界性的问题。困难在于现有的酶和化学方法不能准确地分析长距离、非互补的成对核糖核酸-核糖核酸相互作用。

此外，非编码核糖核酸需要与其他核糖核酸分子相互作用才能发挥作用，这些相互作用被称为“靶”。只有准确识别目标，我们才能推导出非编码核糖核酸与其他核糖核酸分子的相互作用规律，以及这种相互作用如何影响目标核糖核酸的稳定性、翻译和定位。

薛表示，过去我国在研究和开发核糖核酸结构和相互作用技术方面缺乏独创性，现有技术也存在一定的局限性，如单链和双链信息不完整、体外近端连接假阳性率高等。

2015年，薛加入中国科学院生物物理研究所，从博士后、博士后、博士后、博士后、博士后、博士后、博士后、博士后、博士后、博士后、博士后、博士后、博士后、博士后、博士后、博士后、博士后、博士后、博士后、博士后、博士后、博士后、博士后、博士后、博士后、博士后、博士后、博士后、博士后、博士后、博士后、博士后、博士后、博士后、博士后、博士后、博士后、博士后、博士后、博士后、博士后、博士后、博士后、博士后、博士后、博士后，建立了一个实验室，开始思考是否可以开发新技术，系统地研究非编码核糖核酸的高级结构和目标。

新技术实现“一抓全”

2015年9月，薛的第一个博士生、本研究的第一作者蔡兆奎加入了研究组。年轻的“师傅和徒弟”开始一起建造理想的新技术。

考虑到细胞内和细胞外的核糖核酸结构之间存在一些差异，他们在原则上设计RIC序列技术时集中于“原位”的概念。

"原位是指在保持细胞完整性的同时，对所有空间相邻的核糖核酸进行近端连接、筛选和测序."薛对说道。

任何新技术诞生后，都需要大量的验证来确定其准确性、重复性和假阳性率。研究人员首先评估了RIC seq技术的相关指标。通过比较和实验验证，表明RIC-seq技术优于现有的非编码RNA的二级结构和三级结构。此外，它还能看到细胞中各种各样的核糖核酸-核糖核酸空间相互作用，包括以前看不到的核糖核酸三级空间邻近相互作用。

在此基础上，研究人员还构建了一个核糖核酸相互作用的三维图谱，并通过分析发现了细胞内非编码核糖核酸的拓扑域和反作用规律。

研究人员并没有就此止步。

"我们还想通过RIC序列技术来观察启动子核糖核酸和增强子核糖核酸之间是否存在相互作用."薛对说道。

众所周知，基因何时在什么组织中表达是由增强子和启动子控制的。在一个细胞中，大约有50，000个启动子和至少100，000个增强子。它们之间相应的调控关系是现代生物学研究的热点和难点。

同时，启动子和增强子区域都可以被转录以产生核糖核酸，并且只有在增强子和启动子在空间上彼此相邻之后，转录才能被激活。这使得新开发的RIC序列技术很有用。

令他们惊讶的是，研究表明启动子和增强子之间确实存在相互作用。“大约90%可以通过实验来验证。有趣的是，我们进一步证明了增强子和启动子之间的相互作用对于染色质构象的形成和基因激活是重要的。”蔡兆奎说道。

这也是世界上第一次证明启动子和增强子之间的相互作用非编码核糖核酸可以用来推断其调控网络。RIC序列技术被认为是核糖核酸结构和目标研究的一个飞跃。“如果我们在核糖核酸二级结构研究方面处于运行状态，那么这一次我们应该说在核糖核酸高级结构和目标研究方面处于世界领先地位。”薛对说道。

诊断和治疗病毒的新“利器”

艾滋病病毒、埃博拉病毒、禽流感病毒...这些都是核糖核酸病毒。它们带来的疾病正在毁灭世界，威胁人类健康。

薛指出，利用-seq技术，可以分析病毒侵入人体细胞过程中病毒RNA的结构和靶位，有助于我们了解RNA病毒的发病机制。同时，根据分析的结构，可以设计更有效的小干扰核糖核酸来切割病毒以达到治疗效果。

此外，RIC-seq技术还可用于系统分析主要疾病相关突变对RNA高水平结构和靶标的影响，有望揭示非编码区突变的发病机制，为临床诊断和治疗奠定基础。

这项研究持续了5年，蔡兆奎也在这个过程中完成了他的博士研究，逐渐走向了科研工作者。

蔡兆奎承认，研究进展并不顺利，每一个实验步骤都花了2年时间反复优化。最终的实验方案直到2018年3月才得到确认，并产生了高质量的测序数据。此时，离他从医生那里毕业只剩下下半年了。“我对这个课题更感兴趣，并决定推迟两年。我想坚持在毕业前完成这门课。”

结果令人满意。蔡兆奎也欢迎今年6月的毕业答辩。在薛看来，如果没有团队成员不放弃、不抛弃的精神，我相信很难有今天的成功。

然而，新技术的应用仍然面临许多挑战。

薛表示，将-seq技术获得的RNA空间位置信息转化为可视化的RNA高级结构是目前最大的挑战。

“为了解决这个问题，我们需要与计算模拟和算法开发的专业团队合作。当然，我们也在进行各种尝试，并希望在未来几年取得成果。”薛对说道。

接下来，他们希望从核糖核酸结构和相互作用的角度探讨非编码区疾病相关突变的发病机制，以及从RIC-seq技术衍生的科学问题，如核糖核酸拓扑结构结构域的功能机制。

相关文件信息:DOI: 10.1038/S 41586-020-2249-1

增强子-启动子核糖核酸连锁图谱

薛团队

(照片来源:薛)