63231-63-0 / DNA vs. RNA：生命的信息流到底誰(shuí)說(shuō)了算？

導(dǎo)語(yǔ)

在很多人看來(lái)，生命體的遺傳信息流，由DNA流向RNA，再通過(guò)翻譯，流向蛋白質(zhì)。中心法則中，RNA的地位有些尷尬，既不是遺傳信息的儲(chǔ)存者，又不是生命活動(dòng)的主要執(zhí)行者，似乎就是一個(gè)兩頭跑的打工仔，在DNA和蛋白質(zhì)面前卻要矮上三分。實(shí)際上，RNA很可能是一位隱藏很深的大Boss，沒(méi)有它，DNA的政令不出細(xì)胞核，甚至不出染色質(zhì)。本專欄由復(fù)旦大學(xué)教授于文強(qiáng)組織策劃，邀請(qǐng)了國(guó)內(nèi)外表觀遺傳學(xué)領(lǐng)域工作者共同完成。了解表觀遺傳領(lǐng)域近年的發(fā)展概況以及解釋我們?nèi)粘Ｓ幸馑嫉纳F(xiàn)象是我們開(kāi)設(shè)此專欄的初衷。

英國(guó)著名生物學(xué)家弗朗西斯·克里克提出中心法則的時(shí)候，一定想不到他的后輩們?cè)谏厦嫱娉鲞@么多新花樣。絕大部分生命體會(huì)把遺傳信息儲(chǔ)存在DNA中，遺傳信息通過(guò)轉(zhuǎn)錄流向RNA，再通過(guò)翻譯流向蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的主要執(zhí)行者。在RNA病毒中，遺傳信息又會(huì)有RNA到DNA和RNA到RNA兩個(gè)流向，不過(guò)這并不是生命歷史發(fā)展的主要進(jìn)程。

隨著一代代生物學(xué)家的不懈努力，人們發(fā)現(xiàn)遺傳信息的流動(dòng)還被一些額外的化學(xué)修飾所操控，比如DNA的甲基化、羥甲基化，組蛋白的甲基化、乙?；鹊龋@些修飾導(dǎo)致在DNA序列沒(méi)發(fā)生改變的情況下，基因的表達(dá)卻改變了，這就是所謂的表觀遺傳修飾。

我們可能隱隱約約地有種感覺(jué)，就是在原版的中心法則中，RNA的地位有些尷尬，它既不是遺傳信息的儲(chǔ)存者，又不是生命活動(dòng)的主要執(zhí)行者，似乎就是一個(gè)兩頭跑的打工仔，雖然沒(méi)它不行，可在DNA和蛋白質(zhì)面前卻要矮上三分。實(shí)際上，RNA很可能是一位隱藏很深的大Boss，它的工作出了一點(diǎn)偏差，分分鐘就讓DNA政令不出細(xì)胞核——甚至政令不出染色質(zhì)。

事情是這樣的。外面世界太險(xiǎn)惡，生命體必須演化出一套復(fù)雜的表達(dá)調(diào)控機(jī)制，涉及DNA、RNA和蛋白質(zhì)各個(gè)層面。把它類比到一個(gè)生活化的場(chǎng)景中，針對(duì)DNA的轉(zhuǎn)錄調(diào)控就如同種糧食，這是一個(gè)最基本的環(huán)節(jié)，但是由轉(zhuǎn)錄得到的產(chǎn)物就好比剛從地里收獲的莊稼，還需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的質(zhì)控，精細(xì)的加工，高效的分銷，變成大米面粉，或者饅頭面包才能進(jìn)入各家各戶，這就類似于RNA轉(zhuǎn)錄后調(diào)控的作用。外部環(huán)境的變化通常是快速而劇烈的，DNA水平的轉(zhuǎn)錄調(diào)控往往反應(yīng)不夠迅速，或者在精細(xì)程度上相對(duì)缺失，這就需要RNA水平的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控出來(lái)獨(dú)當(dāng)一面。

由此產(chǎn)生的結(jié)果便是，同樣的轉(zhuǎn)錄水平，產(chǎn)生了不同數(shù)量的蛋白質(zhì)，甚至同樣的基因序列，制造出不同序列的蛋白質(zhì)。RNA的可變剪接、轉(zhuǎn)運(yùn)出核、降解以及翻譯水平調(diào)節(jié)，這些復(fù)雜的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控過(guò)程，精準(zhǔn)操縱著遺傳信息的流動(dòng)，使生命體從容應(yīng)對(duì)千變?nèi)f化的外部環(huán)境。

RNA修飾：穿上馬甲，你還認(rèn)得我么？

與DNA相同，RNA也把最基本的遺傳信息承載于四種堿基上——只不過(guò)是胸腺嘧啶T換成了尿嘧啶U——那它是如何完成了DNA無(wú)法做到的任務(wù)呢，一部分是通過(guò)各種或長(zhǎng)或短的非編碼RNA來(lái)起作用，但更主要的是通過(guò)豐富的RNA修飾來(lái)完成。——事實(shí)上，很多非編碼RNA上的修飾也極大地影響了它們的功能。修飾就好比穿馬甲，穿上馬甲之后你就換了一個(gè)角色，隔壁的那個(gè)蛋白質(zhì)就不認(rèn)得你了。DNA的馬甲就比較少，在絕大部分高等生物的DNA上，除卻5-甲基胞嘧啶（5mC）和5-羥甲基胞嘧啶（5hmC），其它的修飾極少見(jiàn)。RNA的任務(wù)比較多，所以RNA就有好多馬甲。迄今為止，人們?cè)赗NA上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一百多種不同的修飾，而且其中很多修飾在進(jìn)化上都十分保守。試想一下，你我都有一件十幾億年前就存在于地球上的馬甲，也是件令人激動(dòng)的事情。

穿上馬甲的RNA是怎樣扮演不同角色的呢？由于生命活動(dòng)的主要執(zhí)行者是蛋白質(zhì)，馬甲也主要是通過(guò)影響特定的結(jié)合蛋白來(lái)完成的。這些結(jié)合蛋白大致可分為兩類，一類是識(shí)別特定RNA修飾的蛋白，這叫做“非你不可”型的，另一類是識(shí)別特定的RNA結(jié)構(gòu)——RNA會(huì)通過(guò)堿基間的氫鍵和π-π相互作用修飾形成高度復(fù)雜有序的結(jié)構(gòu)，而RNA修飾會(huì)導(dǎo)致這種結(jié)構(gòu)的改變——這叫做“愛(ài)屋及烏”型的。這樣，同一位點(diǎn)不同程度的修飾便會(huì)與不同水平的結(jié)合蛋白相結(jié)合，而這些結(jié)合蛋白將會(huì)招募相應(yīng)的分子機(jī)器，完成RNA的可變剪接、轉(zhuǎn)運(yùn)出核、降解以及翻譯水平調(diào)節(jié)等過(guò)程。穿上了不同的馬甲，就招呼來(lái)了不同的小伙伴，而正是這些小伙伴賦予了RNA修飾真正的意義。這也就使得對(duì)RNA修飾結(jié)合蛋白的研究成為這一領(lǐng)域中決定性的部分。

通過(guò)RNA修飾介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控，基因的表達(dá)在其序列沒(méi)有發(fā)生改變的情況下出現(xiàn)了差異，這使得RNA表觀遺傳學(xué)（RNA epigenetics）這一很先鋒的概念逐漸成型。有些人不太想搞大新聞，他們更傾向于接受Epitranscriptomics（表觀轉(zhuǎn)錄組學(xué)）這一溫和的說(shuō)法，但不可否認(rèn)的是，RNA修飾的研究正與傳統(tǒng)表觀遺傳學(xué)研究進(jìn)行著越來(lái)越深入的互動(dòng)，共同推動(dòng)著生命科學(xué)領(lǐng)域的一場(chǎng)風(fēng)暴。

N6-甲基腺嘌呤：最開(kāi)始是因?yàn)橐蝗号肿?/h2>

2007年，不堪身體之重的歐洲人終于發(fā)表了第一個(gè)肥胖相關(guān)的SNP（單核苷酸多態(tài)性），意外的是，這個(gè)SNP并不位于諸如瘦素或者瘦素受體等早已被克隆的肥胖相關(guān)基因，而是位于名不見(jiàn)經(jīng)傳的基因KIA1005上。這一基因隨后被命名為FTO（fat mass and obesity associated）。而對(duì)FTO分子功能的研究發(fā)現(xiàn)，它在體內(nèi)的底物是N6-甲基腺嘌呤（m6A，這個(gè)馬甲在腺嘌呤的身上寫了個(gè)大大的M）這一mRNA上最為豐富的修飾——它可以通過(guò)氧化去甲基作用，讓RNA把穿上的馬甲脫下來(lái)。

早先人們通常認(rèn)為，當(dāng)RNA修飾完成時(shí)，這一條RNA的命運(yùn)便就此決定了，它將沿著確定的路線發(fā)揮功能直到降解。然而現(xiàn)在人們知道，至少有一種RNA修飾是可逆的。這表明RNA手里的并非拿著單程票，而是往返票，它脫下馬甲還可以行使原來(lái)的角色。無(wú)巧不成書，其實(shí)就在那一年，研究者第一次確認(rèn)，哺乳動(dòng)物DNA上的5-甲基胞嘧啶修飾也是可逆的，成為與這一最重要表觀遺傳學(xué)標(biāo)記交相輝映的雙子星，人們對(duì)RNA修飾，特別是m6A修飾的研究熱情突然間高漲了起來(lái)。

說(shuō)沒(méi)就沒(méi)的干細(xì)胞

對(duì)RNA修飾的研究大體分為三個(gè)部分，第一是修飾酶，通常把它叫做Writer，就是向RNA引入這一修飾的家伙；第二是脫修飾酶，就是脫馬甲的那個(gè)家伙，通常把它叫做Eraser，它將RNA從被修飾狀態(tài)逆轉(zhuǎn)為非修飾狀態(tài)；第三是結(jié)合蛋白，通常把它叫做Reader，前邊已經(jīng)講到，對(duì)RNA修飾結(jié)合蛋白的研究，是這一領(lǐng)域中決定性的部分，而對(duì)結(jié)合蛋白的研究，也往往能為通過(guò)RNA修飾解決具體的生物學(xué)問(wèn)題，提供一個(gè)模型或范式。m6A第一個(gè)被確認(rèn)的結(jié)合蛋白是YTHDF2，YTHDF2會(huì)介導(dǎo)其底物mRNA的降解，作為YTHDF2的底物，不含m6A修飾的mRNA會(huì)比含有這一修飾的mRNA更穩(wěn)定。換句話講，m6A修飾關(guān)系到mRNA是“怎么沒(méi)的”。通常地，基于DNA的轉(zhuǎn)錄調(diào)控只能告訴我們RNA是怎么來(lái)的，可如果它該沒(méi)的時(shí)候還在，該在的時(shí)候卻沒(méi)了，就一定會(huì)出問(wèn)題。

干細(xì)胞分化過(guò)程就是一個(gè)這樣的例子。在胚胎干細(xì)胞中，分化或不分化，主要靠?jī)深惢蛘f(shuō)了算，一類是使其保持原始態(tài)多能性的基因，另一類是使其譜系定向調(diào)控基因。兩類基因就如同天平的兩側(cè)，哪一側(cè)基因的表達(dá)量占優(yōu)，干細(xì)胞就會(huì)傾向于哪一側(cè)的狀態(tài)。兩類基因都能抑制對(duì)方的表達(dá)，干細(xì)胞就是通過(guò)這種方式，維持狀態(tài)的持續(xù)性和穩(wěn)定性。而諸多原始態(tài)多能性保持和譜系定向調(diào)控基因的mRNA都存在m6A修飾。這使得相關(guān)基因的mRNA處在一種“說(shuō)沒(méi)就沒(méi)”的狀態(tài)。在原始態(tài)多能性狀態(tài)下，讓干細(xì)胞不分化的基因處于優(yōu)勢(shì)位置，m6A修飾的缺失使這些基因mRNA的穩(wěn)定性提高，賴著不走，又對(duì)譜系定向調(diào)控基因施加了持續(xù)的抑制作用，從而導(dǎo)致干細(xì)胞進(jìn)入一種“超原始”的狀態(tài)，阻止其分化。而在始發(fā)態(tài)多能性狀態(tài)下，讓干細(xì)胞分化的基因表達(dá)開(kāi)始上升，m6A修飾的缺失使這些基因mRNA的穩(wěn)定性提高，最終導(dǎo)致干細(xì)胞加速分化或細(xì)胞死亡。

m6A是病毒相愛(ài)相殺的伴侶么？

不僅僅是生物內(nèi)源的RNA，像RNA病毒這種外源的入侵者也存在RNA修飾。很早之前人們就已經(jīng)在諸如流感病毒、肉瘤病毒這樣的RNA病毒上發(fā)現(xiàn)了m6A修飾。不過(guò)其對(duì)病毒本身的影響最近才逐漸為人所知，而且有一點(diǎn)眾說(shuō)紛紜，莫衷一是的感覺(jué)。總的來(lái)說(shuō)，對(duì)于HIV、流感病毒這樣的逆轉(zhuǎn)錄病毒，由于不同結(jié)合蛋白的不同功能，在其沒(méi)整合進(jìn)基因組之前，m6A的存在對(duì)它們有抑制作用，但如果它已經(jīng)整合進(jìn)基因組，m6A就要老老實(shí)實(shí)幫病毒做事了。

對(duì)于寨卡病毒和丙肝病毒這樣的正義單鏈RNA病毒，m6A在其生命周期中起到了抑制的作用。乍看起來(lái)m6A在幫著宿主虐病毒，然而測(cè)序結(jié)果顯示，丙肝病毒的m6A修飾位點(diǎn)在進(jìn)化中體現(xiàn)出較高的保守性，人家十萬(wàn)八千輩兒都穿著這個(gè)馬甲。由于病毒通常會(huì)面對(duì)很強(qiáng)的選擇壓力，保守的m6A修飾位點(diǎn)似乎又暗示其在丙肝病毒生命周期中的積極作用?？偠灾?，m6A修飾在RNA病毒中的研究方興未艾，由于許多RNA病毒均含有m6A修飾，以此通路為靶點(diǎn)有望開(kāi)發(fā)出可抗擊多種病毒病的藥物。

到底是妹子還是漢子？

就好比織出的布不能直接穿在身上，而要經(jīng)過(guò)剪裁和縫紉才能變成衣服，由DNA直接產(chǎn)生的RNA半成品中，很多是不會(huì)包含在成熟RNA中的，它們要在核內(nèi)由相應(yīng)的機(jī)制去除，這就是RNA的剪接。而正如不同的人有著不同的體型、衣服的尺碼也會(huì)不同，RNA在不同的情況下，也會(huì)有不同的剪接方式。m6A修飾在這邊的角色，就如同裁縫手里的一把尺子，指示了RNA剪接發(fā)生的位置。它首先被結(jié)合蛋白所識(shí)別，隨后m6A結(jié)合蛋白會(huì)繼續(xù)召喚從事RNA剪接的小伙伴，所以剪接發(fā)生的位點(diǎn)通常在距m6A修飾不遠(yuǎn)的地方。

RNA的可變剪接影響了眾多生命過(guò)程，其中最膾炙人口的要數(shù)果蠅的性別決定了。果蠅的性染色體也是XY型（雄性XY，雌性XX），與和哺乳動(dòng)物不同的是，哺乳動(dòng)物性別看有無(wú)Y染色體，而果蠅則要看有多少X染色體，帶夠了兩條X染色體為雌果蠅，只有一條X染色體就只能是雄果蠅了。通過(guò)果蠅的繁殖實(shí)驗(yàn)研究者發(fā)現(xiàn)，X染色體數(shù)量信號(hào)，影響了一個(gè)叫Sxl（Sex lethal）基因mRNA的可變剪接。在雌果蠅當(dāng)中，Sxl基因的mRNA會(huì)被正常剪接，并產(chǎn)生正常的Sxl蛋白，而在雄果蠅中，Sxl基因的mRNA剪接異常，導(dǎo)致雄果蠅只能產(chǎn)生截短的Sxl蛋白。Sxl蛋白的不同會(huì)帶來(lái)一系列基因的差異表達(dá)，并最終決定雌雄果蠅的性征。而在Sxl的mRNA前體中，可變剪接位置附近就包含了m6A修飾。當(dāng)m6A修飾的Writer被移除之后（這樣可變剪接位置附近就沒(méi)有m6A了），雌果蠅中出現(xiàn)了像雄果蠅一樣的Sxl剪接體，而雌果蠅的存活率也大幅下降了，存活下來(lái)的雌果蠅很多也出現(xiàn)了雄果蠅的性征?？偨Y(jié)一下，如果沒(méi)有m6A修飾，好多雄果蠅就會(huì)當(dāng)光棍，剩下的許多雌果蠅也長(zhǎng)出“大胡子”。

RNA修飾是一個(gè)內(nèi)容極其豐富的研究領(lǐng)域，限于篇幅只能擷取極為有限的內(nèi)容進(jìn)行介紹。事實(shí)上許多重要的RNA修飾，比如假尿嘧啶修飾（pseudo U）和N1-甲基腺嘌呤（m1A），都有著豐富而精彩的故事值得講述，它們對(duì)生物響應(yīng)外界刺激，維持自身內(nèi)部穩(wěn)態(tài)，都有著不可替代的作用。自上世紀(jì)六七十年代發(fā)展至今，這一領(lǐng)域已發(fā)展出眾多獨(dú)到的研究方法，也積累了眾多重要的科學(xué)事實(shí)。

近年來(lái)，借由高通量測(cè)序技術(shù)的進(jìn)步以及與其它學(xué)科交叉的成果，RNA修飾領(lǐng)域逐漸連點(diǎn)成線，連線成面，開(kāi)始向世人展示出一副極其絢爛的科學(xué)畫卷，盡管其研究的深度在目前還不及DNA和染色質(zhì)的表觀遺傳修飾，但其研究的廣度卻是后者遠(yuǎn)不能及的，相信在不久的未來(lái)RNA在中心法則的核心位置將愈發(fā)顯現(xiàn)出來(lái)。該領(lǐng)域最新的研究結(jié)果，逐步揭示RNA修飾與流感、艾滋病、白血病、阿爾茨海默病密切的聯(lián)系。無(wú)獨(dú)有偶，在高等植物中，RNA修飾亦影響著其胚胎發(fā)育、開(kāi)花結(jié)果，乃至于抗病、抗非生物脅迫的生命過(guò)程。這都預(yù)示著RNA修飾的研究必將深刻地影響醫(yī)療、制藥、乃至農(nóng)業(yè)的發(fā)展。