1953年4月25日，詹姆斯·沃森（James Watson）和弗朗西斯·克里克（Francis Crick）等人在 Nature 发表论文，提出了DNA双螺旋结构模型，开启了分子生物学时代。

此后不久，弗朗西斯·克里克提出了中心法则，如今，中心法则已经成为生命科学最重要、最基本的规律。中心法则遗传信息的流动方向，遗传物质DNA通过转录产生信使RNA（mRNA），mRNA作为遗传信息的模版，编码产生蛋白质，进而调控生物性状。

今年是DNA双螺旋结构模型提出70周年，Molecular Cell 杂志专访了中国科学院分子细胞科学卓越创新中心陈玲玲研究员，探讨了非编码RNA的多样性以及它们在中心法则中的地位。

陈玲玲研究员

 

中心法则中的RNA通常指的是能够编码蛋白质的mRNA，但细胞中有许多RNA并不编码蛋白质，但它们可以发挥重要的调控作用。实际上，这些非编码RNA（ncRNA）占据了真核生物转录组的非常大的部分，包括小RNA、长非编码RNA、环形RNA以及高度重复序列的RNA等多种类别。对这些非编码RNA的认知极大地丰富了我们对于中心法则的理解。

陈玲玲博士是中国科学院分子细胞科学卓越中心研究员，她的实验室主要研究非编码RNA（ncRNA）的基因调控，特别是研究环形RNA（circRNA）和长非编码RNA（lncRNA）在正常细胞功能和疾病中的作用。

 

Q：是什么激发了你对非编码RNA（ncRNA）的兴趣？

陈玲玲：广义上来说，非编码RNA（ncRNA）在真核生物转录组中占相当大的比例，包括不编码功能性蛋白质或多肽的短RNA、长RNA、环状RNA，以及重复RNA序列。我对ncRNA的兴趣源于17年前在康涅狄格大学Gordon Carmichael读博时的第一个课题，探索逆转录转座子Alu元件基因调控作用。我发现在3’UTR区有带有倒置重复Alu元件的mRNA子集被隔离在一种称为旁斑（paraspeckles）的核体中，导致这些mRNA的核质输出受到抑制，并随后减少了在细胞质中的翻译。一年后，冷泉港实验室的David Spector团队证实了旁斑是由一种丰富的长链非编码RNA（lncRNA）NEAT1组织的，它的3’端被另一种称为RNase P的非编码RNA-蛋白质复合物处理，该复合体具有催化活性，产生非聚腺苷酸化的三联体结构来稳定RNA。在我早期的研究生涯中，我有幸有机会接触到几种形状和作用方式完全不同的ncRNA，这完全激发了我对进一步深入研究ncRNA的兴趣。

值得一提的是，在我的研究生阶段，我发现了“mRNA-like”lncRNA的广泛表达，后来又发现了不同生物发生途径产生的更多样化的lncRNA。这让我在过去十年里不断进步，刷新它们在大小、形状、生物起源、时空表达模式和功能方面的多样性。

 

Q：你对lncRNA的兴趣是如何塑造了您实验室的研究重点的？多年来，这种兴趣是如何演变的？

陈玲玲：我的实验室研究lncRNA和circRNA，不久前，我们提出了一个问题：是否所有的lncRNA看起来都与mRNA相似？为了解答这个问题，我们开发了检测方法来探索人类细胞中的无polyA尾转录本。这使我们能够发现RNA聚合酶II（Pol II）驱动的非常规lncRNA转录本，其稳定性可以通过小核仁RNA（snoRNA）-蛋白质复合物（snoRNP）的覆盖或形成共价封闭的环状结构来防止核外溶解降解来实现。许多这些非常规lncRNA，例如sno-lncRNA，定位于细胞核，我们发现一些sno-lncRNA在Prader-Willi综合征患者中明显缺失，而另一些sno-lncRNA在调节核仁结构和功能中起着至关重要的作用。

尽管我是一名RNA生物学家，我们的研究植根于分子生物学，但在实验室里，我们使用了所有必要的方法来探索这些新型RNA的调控潜力，其中包括常规使用的活细胞显微镜和超分辨率显微镜来可视化详细的RNA亚细胞定位模式，这为其功能活动提供了有用的线索，也帮助我们获得了现阶段最可靠的行为模型。

同时，由于环形RNA（circRNA）是一种不同于线性转录物的新兴RNA分子类别，我们希望首先解决其生命周期的调节，包括生产、加工、折叠和周转。这些信息对于开发允许其功能注释的适当方法至关重要。我们还不断开发新的方法，解决它们的圆形构象，克服与线性mRNA转录本的序列重叠，以获得单个环形RNA（circRNA）的调控潜力及其潜在的生物医学意义。

总之，在过去十年的实验室研究中，我总是对这些神秘的ncRNA充满兴奋，因为它们在大小和形状、生物起源、多样化的功能和意想不到的作用模式上的多变。在我看来，在实验室里的每天都是新的一天。

 

Q：哪些工具和技术对推动ncRNA领域未来发展贡献最大？

陈玲玲：RNA测序（RNA-seq），特别是最近开发的长读RNA-seq，能够以细胞类型、组织和物种特异性的方式更好地分析lncRNA和circRNA的不同异构体。化学探针已经很好地适应于理解lncRNA和circRNA的关键二级结构，允许分析活细胞中长RNA上的功能蛋白相互作用网络，并在单分子水平上探测RNA二级结构。超分辨率显微镜结合单分子荧光原位杂交（smFISH）已经能够实现ncRNA的亚细胞器水平的可视化定位，能够更精确地研相互作用模式。基于CRISPR-Cas的基因组编辑方法极大地加速了lncRNA的细胞表型研究。这些技术进步和应用揭示了lncRNA在时空表达、亚细胞定位的多样化模式以及在多个细胞水平上的多种作用模式的意想不到的复杂性。

 

Q：有哪些关键发现有助于我们对lncRNA的理解？

陈玲玲:自从20世纪90年代发现调控性小ncRNA及其在基因调控中的强大作用以来，ncRNA的存在极大地扩展了中心法则的范围。在过去的20年里，由于分子生物学、细胞生物学和遗传学前沿技术的出现，我们对lncRNA的生物发生和功能的理解正以前所未有的速度发展。有几个关键发现有助于我们对lncRNA的理解，例如，基因组普遍转录，但会在不同条件下产生大量具有不同形状和生物发生途径的lncRNA；在模式生物证明了lncRNA在体内的重要作用以及它们的失调与人类疾病之间的联系；以及lncRNA参与从染色质状态调控到翻译后修饰的多种作用模式，通过功能丧失和功能获得研究、RNA结构解析、超分辨率成像和生物化学数据产生的越来越有说服力的证据，这些作用模式得到了深入的机制观点的支持。

综上所述，这些研究清楚地展示了lncRNA在基因调控中的重要作用，进一步拓宽了中心法则中基因调控的复杂性。

 

Q:你认为ncRNA挑战了中心法则吗？

陈玲玲:在我看来，ncRNA的功能多样性极大地拓展了对中心法则的认知，而不是挑战了中心法则的历史视角。一方面，ncRNA不编码功能蛋白或多肽，这可以被视为可衡量表型的中心法则中有意义的“绕路”。这是因为ncRNA可通过序列互补性靶向mRNA或DNA，最终影响蛋白质产出，或通过直接干扰靶向蛋白质，最终影响这些蛋白质的可用性或可及性。另一方面，绝大多数ncRNA必须与效应蛋白结合才能执行它们的调控作用，反之亦然。因此，调控性ncRNA及其靶蛋白是彼此不可或缺的，它们的相互作用对于可衡量的表型至关重要。

 

Q:这个领域还有哪些问题需要更好的技术或未来的技术来回答？

陈玲玲:在动态环境和高分辨率下理解RNA-蛋白质相互作用是剖析lncRNA确切作用的关键。考虑到lncRNA分子固有的灵活性和结构异质性，需要多个层次的方法，如高分辨率RNA空间成像，用于绘制RNA关键模块的精确化学检测方法，RNA折叠和结构的计算建模，以及超越冷冻电镜的未来的结构解析工具，以在单分子水平上实时识别和可视化RNA-蛋白质相互作用。在功能水平上，lncRNA被认为比mRNA进化得更快。对于给定的一对lncRNA，动物模型和人类类器官都可以用于相关的表型分析、疾病模型和体内治疗潜力。这种体内分析的比较不仅有助于概括与lncRNA相关的发育和疾病缺陷，而且有可能深入了解lncRNA对其功能快速进化的贡献（如果有的话）。

 

Q:circRNA及其作为治疗药物的前景一直备受关注，你认为circRNA的潜力如何？

陈玲玲:circRNA与mRNA和lncRNA在产生、结构、稳定性和免疫原性方面有所不同，这激发了开发基于RNA环化的技术和潜在治疗方式的新的尝试。circRNA有望作为治疗药物，不同研究团队建议使用circRNA作为临床治疗靶点和生物标志物。此外，以circRNA为基础的新疗法的研究也取得了一些新进展。这包括两种类型：非编码适体模式和编码mRNA模式。乐观的观点认为，circRNA的稳定性和独特的构象可能使它们在应用中胜过对应的线性RNA。在目前，将circRNA作为治疗药物还有许多基本问题需要解决，包括了解circRNA在体外、细胞和组织或体内的周转、运输、结构、可翻译性和免疫原性。了解控制circRNA稳定性、折叠、定位和免疫原性的规则将有助于生物医学研究中基于circRNA的改进技术的发展和治疗方式的应用。

 

Q:ncRNA领域最令人兴奋的未解之谜是什么？

陈玲玲:ncRNA中有很大一部分是重复元件，这些不同的逆转录元件是如何表达、分布和起作用的（如果它们真的有作用的话）仍有待解决。对于lncRNA，其生命周期和作用机制的完整注释还远远没有完成；此外，lncRNA的RNA折叠功能关系和生理病理作用值得深入研究。

 

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.molcel.2023.01.007

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