RNA研究的前世今生：它如何從DNA的“小弟”到后來的華麗蛻變

導讀

圍繞RNA的研究經歷了漫長的歲月，得益于多位科學家的終身努力，最終讓其華麗蛻變。

拉斯克獎幾乎見證了RNA的整個蛻變歷程。

2024年，諾貝爾生理學或醫學獎授予美國科學家 Victor Ambros 和 Gary Ruvkun，以表彰他們在發現微小 RNA（microRNA）及其在基因調控中的作用方面做出的貢獻。本文來自拉斯克獎委員會，回顧RNA研究整個歷程。

Mitchell Leslie | 撰文

深究科學 | 翻譯

2000年11月的一天，發育生物學家維克托·安布羅斯（Victor Ambros）坐在達特茅斯醫學院（Dartmouth Medical School）的辦公室里，翻閱著最新一期的《Nature》雜志。當他翻到其中一頁時，意外地看到了來自麻省總醫院（Massachusetts General Hospital）的分子生物學家加里·魯夫昆（Gary Ruvkun）的一篇論文，魯夫昆是他的一位朋友兼偶爾的合作者。

這篇論文的發現讓安布羅斯大為震驚。在七年前，他和魯夫昆曾描述了一種名為microRNA的小RNA分子如何控制線蟲的蛻皮。安布羅斯和他的團隊曾在其他物種中尋找這種microRNA的變體，但一無所獲。“我當時基本上已經擱置這個念頭了，”如今在麻省大學醫學院的安布羅斯說道。

然而，魯夫昆和他的同事們卻發現了第二種microRNA，并在動物進化樹的各個物種中都檢測到了它的存在，這些物種包括昆蟲、海膽、青蛙和人類等。魯夫昆的結果讓安布羅斯相當震驚，以至于安布羅斯表示，“我不得不騰出10分鐘時間凝視窗外，重新整理我對宇宙的看法”。

安布羅斯并不是唯一一個被RNA的發現所震驚的人。RNA曾經被認為在蛋白質合成中只扮演有限的角色，但現在證明，它比科學家們想象的更加多樣、強大和有能力。“RNA是生命的中心分子，”新南威爾士大學的RNA生物學家約翰·馬特克（John Mattick）說道，“人類基因組中的大多數基因都指定了調控RNA。”

2008年拉斯克獎獲得者從左至右:維克多·安布羅斯、加里·魯夫昆和大衛·鮑爾科姆

拉斯克獎得主引領了RNA領域的知識革命。安布羅斯和魯夫昆與劍橋大學的植物科學家大衛·鮑爾科姆（David Baulcombe）共同分享了2008年的拉斯克基礎醫學研究獎，以表彰他們發現了有助于管理基因表達和對抗病原體的微型RNA。2024年，魯夫昆和安布羅斯還獲得了諾貝爾生理學或醫學獎。

其他拉斯克獎得主發現RNA可以催化化學反應，并揭示了某些RNA會經歷一個意外的編輯過程，這可能推動了真核生物（如人類、植物、酵母和果蠅等細胞具有細胞核的生物）的進化。拉斯克獎得主的研究成果還催生了對抗疾病的方法。其中兩位獲獎者的工作加速了新冠肺炎疫苗的研發，挽救了數百萬人的生命。

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準時送達的科學發現

直到20世紀20年代，科學家們才意識到RNA和DNA是兩種截然不同的分子。到了20世紀50年代，研究人員發現某些小型RNA（現在被稱為轉運RNA，即tRNA）能夠協助細胞構建蛋白質。顧名思義，tRNA專長于轉運，負責將氨基酸運送到蛋白質合成的場所。每種tRNA都攜帶一種特定的氨基酸。然而，在1958年，這些分子的結構仍然是未知的。康奈爾大學的羅伯特·霍利（Robert Holley）于1965年榮獲阿爾伯特·拉斯克基礎醫學研究獎，他決心填補這一空白。

羅伯特·霍利在二戰期間為美國研發辦公室工作，是康奈爾大學第一個合成青霉素團隊的一員。他因確定氨基酸轉移RNA的化學結構而獲得了拉斯克獎。

霍利想要弄清楚攜帶氨基酸丙氨酸的tRNA的結構。首先，他必須獲得足夠多的這種分子來進行研究。從140公斤的酵母開始，霍利和他的團隊成功分離出了1克丙氨酸tRNA。盡管這個數量微不足道，但對于他們的實驗來說已經足夠了。

RNA分子通常由四種成分組成的字符串構成：腺苷、鳥苷、胞苷和尿苷。霍利和他的同事們通過使用酶來切割tRNA分子，確定片段的序列，然后尋找片段之間的重疊部分，從而破解了這些構成單元的順序。1965年，他和他的團隊首次揭示了tRNA的完整序列。有了這些信息，研究人員就能夠推斷出tRNA的結構，并開始研究其他問題，比如這種分子在蛋白質合成過程中如何與其他RNA相互作用。因為這項工作，霍利還獲得了1968年的諾貝爾生理學或醫學獎。

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歷經探索的過程

雖然細胞在細胞核中制造RNA，但這些分子在細胞質中發揮著重要作用。洛克菲勒大學的詹姆斯·達奈爾（James Darnell）因部分確定了RNA分子在這兩個位置之間所發生的變化而榮獲2002年拉斯克醫學科學特殊成就獎。20世紀60年代初，達奈爾開始追蹤新合成的RNA，并注意到細胞核中存在著一些巨大的RNA分子。達奈爾和他的同事們后來確定，這些RNA成為了核糖體（細胞制造蛋白質的細胞器）的組成部分。細胞在將核糖體RNA的前體派往細胞質之前，會對其進行修剪。

1989年，詹姆斯·達奈爾在洛克菲勒大學的實驗室

達奈爾和克勞斯·謝雷爾（Klaus Scherrer）在細胞核中發現了另一種龐大的RNA分子，他們懷疑這是信使RNA（mRNA）的前身，即包含制造蛋白質指令的RNA種類。達奈爾、謝雷爾和其他研究人員通過確定這種超大型RNA會連接上一個長長的腺嘌呤分子尾巴，為這一假設增添了可信度。mRNA也擁有這種類型的尾巴。然而，研究人員并不清楚mRNA前體分子（或稱為pre-mRNA）在前往細胞質的過程中是如何變小的。

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基因的中斷與奧秘

麻省理工學院的菲利普·夏普（Phillip Sharp）解決了這一難題，他的發現被馬特克（Mattick）譽為分子生物學領域最大的驚喜。夏普發現，當細胞準備前體信使RNA（pre-mRNA）用于蛋白質合成時，會從這些分子中移除被稱為內含子（intron）的序列。內含子就像電影中的刪減片段，并不編碼蛋白質的部分。

菲利普·夏普解釋了RNA拼接的概念，用繩子顏色代表內含子和外顯子。

與此同時，由冷泉港實驗室的分子生物學家理查德·羅伯茨（Richard Roberts）領導的另一支團隊也得出了相同的結論。夏普因發現這一被稱為剪接的編輯過程而獲得1988年阿爾伯特·拉斯克基礎醫學研究獎。1993年，他與羅伯茨共同分享了諾貝爾生理學或醫學獎。

信使RNA（mRNA）分子是基因DNA的工作副本。核糖體讀取mRNA并構建其指定的氨基酸鏈。1977年，研究人員主要基于細菌的研究，認為基因的核苷酸序列與其蛋白質的氨基酸序列相對應。就科學家們所知，基因中沒有多余的序列。

然而，當夏普和同事用其DNA基因組能滑入細胞核的病毒感染哺乳動物細胞時，他們發現了不同的情況。一旦發生這種情況，細胞就會開始合成病毒mRNA。夏普的團隊將病毒mRNA的片段與病毒DNA的相應部分混合在一起。由于DNA和RNA分子是互補的，這些片段本應無縫地粘合在一起。然而，DNA的部分片段卻凸了出來，形成了環狀結構，這表明病毒基因組中的某些序列在mRNA中缺失了。夏普和他的同事提出，這些片段在mRNA形成過程中被細胞編輯掉了。

馬特克說：“任何神志正常的人都不會想到基因會被分割成片段。”但進一步的研究迅速證實，內含子遍布真核生物的基因中。細胞在從前體mRNA中剪除內含子后，將剩余的序列縫合在一起，產生mRNA。這一過程之所以可能具有優勢，是因為它賦予了細胞靈活性。生物體可以通過在不同位置剪接mRNA來創建各種蛋白質。反過來，這種多功能性可能幫助真核生物進化出多種多樣的形態，索爾克生物研究所的生物化學家杰拉爾德·喬伊斯（Gerald Joyce）說：“剪接是真核生物的‘復雜化器’。”

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理解snRNPs的奧秘

RNA經歷剪接過程，同時也協助這一過程。耶魯大學的分子生物學家瓊·斯泰茨（Joan Steitz）因揭示某些RNA在剪接過程中的作用而榮獲2018年拉斯克-科什蘭醫學科學特殊成就獎。

瓊·斯泰茨在1982年冷泉港DNA定量生物結構研討會上發表了演講

斯泰茨在20世紀60年代末進行了一項研究，展示了核糖體如何識別mRNA，從而在RNA研究領域嶄露頭角。核糖體從mRNA的特定位點開始讀取，但細胞器如何確定附著位置一直不清楚。斯泰茨通過一項巧妙的實驗，在mRNA中識別出了一個吸引細胞器的“從這里開始”序列。

到了20世紀70年代末，她已將注意力轉向剪接，而剪接的機制當時仍不清楚。斯泰茨和她的團隊想確定細胞核中的顆粒——小核核糖核蛋白（snRNPs）是否參與剪接。但snRNPs含有RNA和蛋白質，很難分離，直到研究人員發現狼瘡患者的抗體可以附著在這些顆粒上。捕獲snRNPs后，研究人員可以探究這些顆粒的功能。斯泰茨和她的同事證明，snRNPs在剪接過程中發揮著關鍵作用。例如，1983年，她的團隊發現一種snRNP能夠識別前體mRNA上的剪接位點。研究人員現在知道，snRNPs匯聚在一起，形成一個更大的剪接結構——剪接體，其中包含五種小分子RNA和約100種蛋白質。

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生命在DNA之前？

剪接、蛋白質編碼以及氨基酸轉運，僅僅是RNA眾多才能中的三項。一項看似出錯的實驗，卻意外揭示了這種分子的超強能力。20世紀80年代初，科羅拉多大學的托馬斯·切赫和耶魯大學的西德尼·奧爾特曼發現，某些RNA分子能像酶一樣催化化學反應。研究人員曾認為，只有蛋白質才具備這種功能。因此，切赫憑借這一發現榮獲1988年阿爾伯特·拉斯克基礎醫學研究獎，并與奧爾特曼共同分享了1989年諾貝爾化學獎。

2007年在冷泉港召開的mRNA剪接會議:從左到右:里奇·羅伯茨、邁克爾·羅斯巴什、米拉·波洛克、托馬斯·切赫、布魯斯·斯蒂爾曼、瓊·斯泰茨、菲利普·夏普和沃爾特·吉爾伯特

切赫及其同事正在研究細胞如何合成核糖體RNA。他們注意到RNA中含有一個內含子，于是決定分離出負責切割內含子的酶。切赫的實驗室技術員亞瑟·扎格將一些試管中加入核糖體RNA和細胞核內容物（研究人員認為其中含有剪接酶）。扎格還設置了缺乏核物質的對照試管。分析結果顯示，實驗管和對照管中的內含子均被剪接掉了。“嗯，阿瑟，這個結果很鼓舞人心，但你制備對照樣本時肯定犯了個小錯誤。”切赫對技術員說道。但當扎格重復實驗時，結果依然相同。

通過一系列馬特克所稱的“極為細致的實驗”，切赫及其團隊證實RNA分子可以充當催化劑。更令人驚訝的是，RNA還能對自身起作用。當時，研究人員仍認為RNA的作用僅限于蛋白質合成，但切赫的發現表明，“RNA并非被動的信息載體，它還能有所作為。”喬伊斯說道。自此以后，科學家們發現了其他RNA催化劑，如核糖體和剪接體中的RNA。

這些結果還進一步支持了關于生命起源的假說。解釋DNA和蛋白質如何其中之一在沒有對方的情況下產生，一直是困擾研究人員的一大難題，他們試圖弄清生命是如何起源的。20世紀60年代末，研究人員推測RNA是第一種酶，但他們沒有直接證據支持這一假說。切赫通過證實RNA分子能催化反應，支持了這一觀點。科學家們推測，存在一個RNA世界，其中RNA承擔了DNA和蛋白質的任務，之后才演變為我們今天所知的基于DNA的生命。這一假說仍然是解釋生命起源的主流理論。

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小RNA，大影響

切赫的工作擴展了科學家們對RNA功能的認知。魯夫昆、安布羅斯和鮑爾科姆的研究揭示了這種分子在控制基因表達和抵御病原體方面更多令人意想不到的功能。

魯夫昆和安布羅斯于20世紀80年代初作為同一麻省理工學院實驗室的博士后研究員相識。魯夫昆說：“他既聰明又友善，這是合作的好組合。”兩人想研究基因如何塑造秀麗隱桿線蟲的發育，并重點關注了兩個基因，這兩個基因發生突變后會導致異常。一個基因（lin-4）發生特定突變的蠕蟲會長到成蟲大小，但某些器官不會形成。相比之下，另一個基因（lin-14）發生特定突變的蠕蟲會早熟但體型矮小。兩人合作發現，lin-4會阻斷lin-14，但他們不知道其中的機制。

2006年調控RNA研討會，從左至右:理查德·喬根森、大衛·鮑爾科姆、瑪麗亞·蒂默曼斯和羅恩·普拉斯特

當這兩位科學家離開麻省理工學院，到不同機構擔任教職時，他們分工合作。魯夫昆負責lin-14，安布羅斯負責lin-4。在接下來的幾年里，魯夫昆及其團隊確定了lin-14的序列，并發現它作為主基因控制著線蟲發育過程中關鍵變化的時間。隨后輪到安布羅斯讓魯夫昆大吃一驚。兩位科學家原本都以為lin-4會編碼一種蛋白質。但安布羅斯的實驗室發現，該基因編碼的實際上是一種僅由22個核苷酸組成的精致RNA。魯夫昆說，這一發現徹底改變了局面。

1992年，兩人交換了lin-4和lin-14的序列，并在魯夫昆所說的“傳奇通話”中分享了他們的結論。他們意識到，lin-4的序列部分匹配lin-14中某個區域的序列。他們的實驗表明，lin-4 RNA通過靶向lin-14 mRNA中的該區域，從而抑制lin-14蛋白質的產生。“機制顯而易見，而且一下子就想通了。”安布羅斯說道。lin-4是首個被發現的microRNA。

盡管其他研究人員大多對此不以為意，認為lin-4不過是線蟲的一種怪癖。但在2000年，魯夫金（Ruvkun）及其同事發現了第二種微小RNA（microRNA），并表明它廣泛存在于動物體內，指向了他所描述的那個未曾預料到的微小RNA世界。其他研究也開始揭示出大量的此類分子。“那時人們才意識到，他們最喜愛的基因可能受到微小RNA的調控，”麻省理工學院的分子生物學家大衛·巴特爾（David Bartel）說，他并未參與魯夫金或安布羅斯（Ambros）的工作。自那以后，研究人員已經確定了數千種微小RNA，其中人體內有500多種。微小RNA幾乎在所有生物的多種遺傳途徑中抑制基因表達。證據表明，微小RNA調控著大多數人類基因的信使RNA（mRNA）。這些分子不僅對指導發育至關重要，而且對控制成年細胞的功能也至關重要，并且研究已將它們與包括癌癥在內的多種疾病聯系起來。

鮑爾科姆（Baulcombe）發現了一個同樣涉及小RNA的平行系統。他的實驗室基本上是在為植物接種病毒病疫苗。研究人員將病毒DNA插入植物細胞，刺激它們產生病毒mRNA，從而引發保護性反應。“我一直在尋找那些不合邏輯的東西，”鮑爾科姆說，他關注到了實驗中的一個不一致結果。抗性最強的植物攜帶的病毒mRNA非常少，而脆弱的植物則含有大量這種分子。抗性植物似乎降低了mRNA的產生。

鮑爾科姆想知道是否是一種小RNA分子在沉默病毒mRNA。他和同事們開始尋找這種分子。他們向番茄植物注射病毒DNA片段，然后使用一種稱為凝膠電泳的技術將植物組織樣本中的RNA分子分離出來。但直到20世紀90年代末的一天，鮑爾科姆的博士后學生安德魯·漢普頓（Andrew Hamilton）決定提前下班去踢足球時，這種假想的小RNA才難以捉摸。當漢普頓縮短了凝膠電泳過程時，研究人員看到了第一個僅有25個核苷酸的RNA證據。科學家們發現了小干擾RNA（small interfering RNAs，簡稱siRNAs）。

siRNA在結構上與microRNA不同，功能也略有不同。但它們都非常微小，并通過靶向mRNA來調控基因。鮑爾科姆說，小RNA的首要功能可能是防御。對于這一功能，“RNA沉默絕對出色”，因為它是“針對病毒基因組”的，并保護宿主基因組。他說，生物體后來可能將小RNA用于基因調控。

研究人員沒想到小RNA會如此強大，巴特爾說，鮑爾科姆、魯夫金和安布羅斯能夠揭示這種分子的功能的一個原因是，他們對研究結果持開放態度。“這對他們繼續研究這項工作至關重要，即使他們的觀察結果難以解釋。”

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RNA的強心劑

研究人員開發針對SARS-CoV-2的mRNA疫苗的速度，是人們對RNA理解提高的一個有力證明。賓夕法尼亞大學的免疫學家德魯·魏斯曼（Drew Weissman）和當時生物科技公司BioNTech的生物化學家卡塔琳·卡里科（Katalin Karikó）因加速這一過程的發現，共同獲得了2021年拉斯克-德貝基臨床醫學研究獎和2023年諾貝爾生理學或醫學獎。匹茲堡大學的分子病毒學家保羅·杜普雷克斯（Paul Duprex）說，這對搭檔“拼湊出了”在創紀錄的時間內制造疫苗的方法，而他并未參與魏斯曼和卡里科的工作。

德魯·魏斯曼和卡塔琳·卡里科

杜普雷克斯說，幾十年來，疫苗開發一直遵循著幾乎相同的路徑。研究人員分離出導致疾病的病原體，然后通過將其在非人類細胞中培養多代或用化學物質處理來使其減弱。例如，喬納斯·索爾克（Jonas Salk）因生產出第一種脊髓灰質炎疫苗而獲得1956年阿爾伯特·拉斯克臨床醫學研究獎，他使用甲醛使脊髓灰質炎病毒失活，同時又不損害其激發免疫系統的能力。一旦病原體被馴服，就可以開始接種疫苗。盡管研究人員對疫苗開發過程做了一些改進，但進展仍然緩慢，需要數年甚至數十年時間。

30多年前，研究人員提出了一種不同的策略，即注射一種編碼病毒蛋白的mRNA分子。然后，細胞會產生病毒蛋白，刺激免疫系統產生針對病毒的防御。由于研究人員無需培養病原體，該過程可能會更快。他們可以利用病毒的基因組序列快速制造出所需的mRNA。

但出于多種原因，mRNA疫苗可能無效。RNA在體內迅速分解，因此注射的mRNA可能無法到達靶細胞。此外，陌生的RNA可能發出病毒感染的信號，而mRNA疫苗可能引發危險的炎癥。

卡里科和魏斯曼自20世紀90年代末開始合作，克服了mRNA疫苗接種的多個障礙。為了防止疫苗引發炎癥，兩人從tRNA中獲得了啟發，tRNA會用一種相關分子——假尿苷（pseudouridine）替換掉一些尿苷分子。這兩種分子的差異非常小——“幾乎可以忽略不計”，杜普雷克斯說。但它使假尿苷對人體的免疫系統刺激性更小。

2005年，魏斯曼和卡里科報告說，將一些尿苷分子替換為假尿苷可以使mRNA逃避免疫細胞的識別。魏斯曼的實驗室還在2015年表明，被稱為脂質納米顆粒的微小分子容器是mRNA分子的優秀載體。當研究人員將含有mRNA的納米顆粒注射到小鼠體內時，嚙齒動物的細胞攝取了mRNA并開始制造它們編碼的蛋白質。

到2019年底SARS-CoV-2開始傳播時，幾種針對流感等疾病的基于mRNA的疫苗已經進入臨床試驗階段。因此，制藥公司可以迅速轉向研發針對這種新病毒的疫苗。2024年，美國食品和藥物管理局（FDA）批準了第一種針對非COVID-19疾病的mRNA疫苗。該疫苗針對的是呼吸道合胞病毒感染。研究人員正在研究mRNA疫苗是否能對抗其他病原體，包括HIV、寨卡病毒和諾如病毒，以及癌癥等疾病。

拉斯克獎獲得者對RNA的研究發現有助于重塑這種分子的形象。部分得益于他們的工作，RNA已成為研究生命起源、基因組組織、多細胞生物發育控制以及大腦功能等課題的中心。該分子也是研究和開發預防和治療疾病方法的研究重點。曾經被視為DNA的“跑腿小弟”，RNA如今確實已躋身世界前列。

https://laskerfoundation.org/rnas-extreme-makeover/

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