《自然》評選本世紀前十年科學突破：非編碼RNA進入摩登時代

科技 06-28

非編碼RNA（non-coding RNA, ncRNA）包括小RNA（small RNA）和長非編碼RNA（long non-coding RNA, lncRNA），因不能編碼蛋白質而被稱為基因組中的「暗物質」或「垃圾RNA」。近些年的研究證明，非編碼RNA在許多生命活動過程中扮演著重要角色。該領域的研究也是近期最熱的生物學課題之一，曾被Science雜誌評選為本世紀前10年的十大科學突破之一，層出不窮的研究結果不斷地刷新著人們對非編碼RNA的認識。

目前，多種ncRNA以及它們的功能已被發現：包括已被熟知的轉運RNA（tRNA），核糖體RNA（rRNA）和微小RNA（miRNA），以及知之甚少的Piwi蛋白互作RNA（piRNA）和lncRNA。當越來越多有關ncRNA的謎團被揭開，科學家們正尋求新的方法和技術進一步探究ncRNA的神秘仙境。著名生物學家林海帆和戚益軍向《國家科學評論》（National Science Review，NSR）講述了他們關於ncRNA的研究和見解。

記者王玲

翻譯李娟

生物學研究的一個熱點

NSR：從發表論文數量上來看，ncRNA的研究呈現了爆炸式的增長，為什麼這個領域變得這麼熱？

林海帆：確實，「爆炸」這個詞生動地形容了這個現象。過去十年內，對這個領域的研究擴展得很迅速，這歸因於深度測序技術的發展和多個基因組計劃的完成。深度測序技術給我們提供了機會，去有效地捕捉這類易被忽視的ncRNA，並研究它們的特徵。當諾貝爾獎得主Robert W. Holly首次發現tRNA的時候，他用了140公斤烘焙用的酵母，最後只提純到1克可用於測序tRNA，而且只分析了70幾個核苷酸。相比之下，如今僅需1微升的溶液就足以進行百萬核苷酸的深度測序。而且，人類基因組計劃以及其他基因組計劃的完成，為基因研究提供了地圖和坐標。

戚益軍：過去的十年，基因晶元和深度測序的高通量測序技術的分析結果顯示，大多數基因組DNA序列都發生RNA轉錄，但只有不到2%的序列是用於編碼蛋白質的。換句話說，我們染色體中98%的DNA是不編碼蛋白質的。這些序列之前被認為是「垃圾DNA」或「暗物質」，如今已是奇妙的寶藏，正是它們誕生出了參與廣泛生物學過程的、大量的小RNA和lncRNA。

林海帆：這就是科學進步的一個非常典型的例子。當觀察到新現象，它會引領你去探究其潛在的決定機制，繼而提出合理的假設，再去全面系統地驗證它。

方法學：條條大路通羅馬

NSR：林教授，您關於幹細胞的工作始於激光束和突變果蠅的研究，現在您在研究piRNA調控幹細胞潛能和發育的分子機制。這是研究ncRNA的代表性思路嗎？

《自然》評選本世紀前十年科學突破：非編碼RNA進入摩登時代

林海帆，耶魯大學幹細胞研究中心教授。（供圖：Terry Dagradi, Yale University)

林海帆：我們關於ncRNA的研究思路是從生物學功能開始，或者說是自上而下地進行。我們首先嘗試去發現一個重要的生物學問題，就是幹細胞自我更新的機制。然後用遺傳學方法去確定參與這個過程的關鍵基因。遺傳學方法之所以非常有效，是因為當一個基因越重要，通常它的表型就越明顯，因此也就越容易被發現。

我們的研究是這樣做的。為了研究幹細胞，首先需要確定哪些細胞是幹細胞。為此，我們把一隻果蠅的卵巢尖移植到另一隻果蠅體內，結果甚至可以在雄性果蠅中長出卵巢，這證明了卵巢尖里有幹細胞。然後我們把這種移植技術與激光消除技術相結合，使我們可以在卵巢生殖系裡找到幹細胞並觀察幹細胞分裂現象。接著我們想知道是什麼在控制幹細胞分裂，為此我們首先找到了參與這個生物學過程的基因。我們的假設是，對幹細胞分裂或分化至關重要的基因，如果不是表達在幹細胞內部，就是表達在幹細胞外部，或者兩者皆有。如果這些基因的任何一個發生突變，應該就能導致幹細胞分裂或分化，出現相應的缺陷。由此我們發現了數個對幹細胞自我更新或分化很重要的基因，其中的一個就是Piwi。在不同物種中，關於Piwi-like基因的研究使我們發現了Argonaute/Piwi基因家族，它是第一個、也是目前唯一的一個已知的在動植物界幹細胞自我更新都必需的基因家族。然後我們用遺傳學方法進一步明確了與Piwi基因互相作用的其他調控幹細胞的基因。在確定的8個互作基因中，之後發現有4個編碼piRNA。

除了遺傳學方法，ncRNA研究中還有其他三個重要的常用方法：生物化學方法、基因組學法，和方法學開發。

生物化學方法旨在找到細胞或組織中的特定分子並分析其功能。可以說是一種自下而上的研究方法。當使用這種方法時，人們更多會發現那些穩定的或有足夠丰度的分子，但最初並不知道其生物學意義。儘管如此，生物化學法仍是一種跟進遺傳學發現的重要方法。

基因組學方法包括用電腦協助搜尋基因組，定位ncRNA，獲取與它們可能的調控功能相關的信息。但並不局限於這些。

方法學開發同樣很重要。比如DNA測序技術的進步就已幫助發現了更多的ncRNA。

這四類方法其實是互相交織使用的，它們都有一個共同的目的：解釋生物學問題。益軍是一個非常出色的榜樣，他的研究有效的結合了這些方法，使他在ncRNA領域做出了重要的發現。

戚益軍：使用對的實驗系統，提出重要的問題，開發新的技術，是能做出新發現的重要因素。ncRNA領域比如piRNA的發現就是一個非常好的例子。

林海帆：必須指出，合作和交流在ncRNA的研究中也是必不可少的。在過去幾年，我們從與結構生物學家和其他專家的緊密合作中受益匪淺。此外，ncRNA研究的初期，在冷泉港有一個里程碑式的會議叫Banbury會議，由Gregory Hannon和David Baulecomb舉辦。會議上有幾位生物學家（包括我自己）分享了他們未發表的結果，促進了該領域後續的快速發展。

NSR：體細胞的ncRNA和幹細胞的ncRNA有什麼不同呢？

林海帆：並沒有本質上的不同，許多人在研究體細胞ncRNA。因為我的興趣是幹細胞和生殖細胞系發育研究，我主要致力於去發現幹細胞或生殖細胞中的ncRNA。由於這些細胞具備全能性或多能性，ncRNA在其中更有可能參與發育相關的重要機制。

NSR：ncRNA研究是一項涉及多學科的研究，有各個領域的科學家參與。它仍是一個讓人著迷的仙境嗎？

林海帆：是的。科學家們會形成一個社區，有生物學專家，化學專家，信息學專家等等。研究人員時有新發現，但仍然有許多未解決的問題。例如，當我們第一個發現piRNA，對其功能卻一無所知，它甚至可能只是某種「垃圾RNA」，直到挖得更深一些才了解到它的功能。還有一個例子，益軍的有關小ncRNA在DNA修復中的作用是個新奇的發現。幾年前我們無法想像RNA還有這樣的功能，但益軍做了出色的工作來展示RNA扮演的這個角色。

戚益軍：儘管許多實驗室已作出了巨大努力，我覺得我們離充分認識ncRNA仍然還很遠。比如關於小RNA（我們稱為diRNA）參與DNA損傷修復的發現，也是我們沒想到的，這著實令人驚訝，也讓我們非常興奮，於是我們非常努力地去了解小RNA到底是如何接觸到DNA損傷修復的。鑒於ncRNA研究有著意想不到的複雜性，必須在深度和寬度上去全面發展新的研究策略、方法學和各種技術。

林海帆：我完全同意，我們面臨著類似的困境。對於一個ncRNA研究領域內出色的科學家來說，提出一個好問題可能並不像解決問題那麼難。我認為事物的存在自有其理由，ncRNA在漫長的進化過程中為何變得如此普遍存在，一定是有其原因的。

《自然》評選本世紀前十年科學突破：非編碼RNA進入摩登時代

戚益軍，清華大學生命科學學院教授。（供圖：Xiaoling Yu, NSR）

中國的ncRNA研究進展迅速

NSR：在中國有許多優秀的研究人員。

林海帆：對，他們的工作很漂亮！像益軍這樣，具有在美國或歐洲出色的研究經歷的科學家，回到中國，走在本研究領域的最前列。他們充滿活力、熱愛創新，沒有比他們早先回國的同行當初所面臨的研究條件的限制。例如，我讀到一篇印象深刻的論文，是上海的劉厚奇實驗室發表在Developmental Cell的文章，揭示了一類lincRNA能夠維持人類胚胎幹細胞自我更新的機理，這類lincRNA像海綿一樣吸收一種miRNA，而該miRNA能夠抑制多能性核心調控因子Oct4、Nanog和Sox2的蛋白質翻譯。像益軍的工作一樣，這項工作說明，如果得到好的支持，中國科學家有能力做出最前沿的發現。

戚益軍：在過去的10年或20年，中國科技經費的投入顯著增加。10多年前我回國建立了自己的實驗室，有足夠的資源做我喜歡的科學，我感到幸運和感恩。中國的RNA研究團隊發展得非常快，我們已經組織了全國性的RNA俱樂部，每年舉行兩次研討會，以交換信息和討論想法。國家自然科學基金委員會已經啟動了針對RNA研究的重大研究計劃，我們希望國家能通過重點研發計劃等渠道繼續對RNA研究進行專項資助，大力地推動中國RNA研究領域的發展。

林海帆：這很好！我是中國科技部幹細胞研究戰略計劃項目指導委員會的成員，我希望研究經費支持能做出突破成績的優秀研究人員。

有待探索的謎題

NSR：您覺得ncRNA研究領域面對的最大挑戰是什麼？

林海帆：生物學功能、分子機制，以及基礎研究如何向臨床應用轉化，這些仍然是ncRNA研究的挑戰性領域。

戚益軍：是的，我想補充的是，我們也非常需要開發新的研究策略和研究方法去解決以上問題。

NSR：公眾更感興趣的是ncRNA研究在臨床中的應用。這方面有沒有取得一些進展？

林海帆：是的。有公司在開發小分子RNA藥物或診斷工具。隨著進一步的發展，我相信ncRNA將是下一代醫學的重要組成部分。