RNA研究的前世今生：它如何从DNA的“小弟”到后来的华丽蜕变

导读

围绕RNA的研究经历了漫长的岁月，得益于多位科学家的终身努力，最终让其华丽蜕变。

拉斯克奖几乎见证了RNA的整个蜕变历程。

2024年，诺贝尔生理学或医学奖授予美国科学家 Victor Ambros 和 Gary Ruvkun，以表彰他们在发现微小 RNA（microRNA）及其在基因调控中的作用方面做出的贡献。本文来自拉斯克奖委员会，回顾RNA研究整个历程。

Mitchell Leslie | 撰文

深究科学 | 翻译

2000年11月的一天，发育生物学家维克托·安布罗斯（Victor Ambros）坐在达特茅斯医学院（Dartmouth Medical School）的办公室里，翻阅着最新一期的《Nature》杂志。当他翻到其中一页时，意外地看到了来自麻省总医院（Massachusetts General Hospital）的分子生物学家加里·鲁夫昆（Gary Ruvkun）的一篇论文，鲁夫昆是他的一位朋友兼偶尔的合作者。

这篇论文的发现让安布罗斯大为震惊。在七年前，他和鲁夫昆曾描述了一种名为microRNA的小RNA分子如何控制线虫的蜕皮。安布罗斯和他的团队曾在其他物种中寻找这种microRNA的变体，但一无所获。“我当时基本上已经搁置这个念头了，”如今在麻省大学医学院的安布罗斯说道。

然而，鲁夫昆和他的同事们却发现了第二种microRNA，并在动物进化树的各个物种中都检测到了它的存在，这些物种包括昆虫、海胆、青蛙和人类等。鲁夫昆的结果让安布罗斯相当震惊，以至于安布罗斯表示，“我不得不腾出10分钟时间凝视窗外，重新整理我对宇宙的看法”。

安布罗斯并不是唯一一个被RNA的发现所震惊的人。RNA曾经被认为在蛋白质合成中只扮演有限的角色，但现在证明，它比科学家们想象的更加多样、强大和有能力。“RNA是生命的中心分子，”新南威尔士大学的RNA生物学家约翰·马特克（John Mattick）说道，“人类基因组中的大多数基因都指定了调控RNA。”

2008年拉斯克奖获得者从左至右:维克多·安布罗斯、加里·鲁夫昆和大卫·鲍尔科姆

拉斯克奖得主引领了RNA领域的知识革命。安布罗斯和鲁夫昆与剑桥大学的植物科学家大卫·鲍尔科姆（David Baulcombe）共同分享了2008年的拉斯克基础医学研究奖，以表彰他们发现了有助于管理基因表达和对抗病原体的微型RNA。2024年，鲁夫昆和安布罗斯还获得了诺贝尔生理学或医学奖。

其他拉斯克奖得主发现RNA可以催化化学反应，并揭示了某些RNA会经历一个意外的编辑过程，这可能推动了真核生物（如人类、植物、酵母和果蝇等细胞具有细胞核的生物）的进化。拉斯克奖得主的研究成果还催生了对抗疾病的方法。其中两位获奖者的工作加速了新冠肺炎疫苗的研发，挽救了数百万人的生命。

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准时送达的科学发现

直到20世纪20年代，科学家们才意识到RNA和DNA是两种截然不同的分子。到了20世纪50年代，研究人员发现某些小型RNA（现在被称为转运RNA，即tRNA）能够协助细胞构建蛋白质。顾名思义，tRNA专长于转运，负责将氨基酸运送到蛋白质合成的场所。每种tRNA都携带一种特定的氨基酸。然而，在1958年，这些分子的结构仍然是未知的。康奈尔大学的罗伯特·霍利（Robert Holley）于1965年荣获阿尔伯特·拉斯克基础医学研究奖，他决心填补这一空白。

罗伯特·霍利在二战期间为美国研发办公室工作，是康奈尔大学第一个合成青霉素团队的一员。他因确定氨基酸转移RNA的化学结构而获得了拉斯克奖。

霍利想要弄清楚携带氨基酸丙氨酸的tRNA的结构。首先，他必须获得足够多的这种分子来进行研究。从140公斤的酵母开始，霍利和他的团队成功分离出了1克丙氨酸tRNA。尽管这个数量微不足道，但对于他们的实验来说已经足够了。

RNA分子通常由四种成分组成的字符串构成：腺苷、鸟苷、胞苷和尿苷。霍利和他的同事们通过使用酶来切割tRNA分子，确定片段的序列，然后寻找片段之间的重叠部分，从而破解了这些构成单元的顺序。1965年，他和他的团队首次揭示了tRNA的完整序列。有了这些信息，研究人员就能够推断出tRNA的结构，并开始研究其他问题，比如这种分子在蛋白质合成过程中如何与其他RNA相互作用。因为这项工作，霍利还获得了1968年的诺贝尔生理学或医学奖。

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历经探索的过程

虽然细胞在细胞核中制造RNA，但这些分子在细胞质中发挥着重要作用。洛克菲勒大学的詹姆斯·达奈尔（James Darnell）因部分确定了RNA分子在这两个位置之间所发生的变化而荣获2002年拉斯克医学科学特殊成就奖。20世纪60年代初，达奈尔开始追踪新合成的RNA，并注意到细胞核中存在着一些巨大的RNA分子。达奈尔和他的同事们后来确定，这些RNA成为了核糖体（细胞制造蛋白质的细胞器）的组成部分。细胞在将核糖体RNA的前体派往细胞质之前，会对其进行修剪。

1989年，詹姆斯·达奈尔在洛克菲勒大学的实验室

达奈尔和克劳斯·谢雷尔（Klaus Scherrer）在细胞核中发现了另一种庞大的RNA分子，他们怀疑这是信使RNA（mRNA）的前身，即包含制造蛋白质指令的RNA种类。达奈尔、谢雷尔和其他研究人员通过确定这种超大型RNA会连接上一个长长的腺嘌呤分子尾巴，为这一假设增添了可信度。mRNA也拥有这种类型的尾巴。然而，研究人员并不清楚mRNA前体分子（或称为pre-mRNA）在前往细胞质的过程中是如何变小的。

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基因的中断与奥秘

麻省理工学院的菲利普·夏普（Phillip Sharp）解决了这一难题，他的发现被马特克（Mattick）誉为分子生物学领域最大的惊喜。夏普发现，当细胞准备前体信使RNA（pre-mRNA）用于蛋白质合成时，会从这些分子中移除被称为内含子（intron）的序列。内含子就像电影中的删减片段，并不编码蛋白质的部分。

菲利普·夏普解释了RNA拼接的概念，用绳子颜色代表内含子和外显子。

与此同时，由冷泉港实验室的分子生物学家理查德·罗伯茨（Richard Roberts）领导的另一支团队也得出了相同的结论。夏普因发现这一被称为剪接的编辑过程而获得1988年阿尔伯特·拉斯克基础医学研究奖。1993年，他与罗伯茨共同分享了诺贝尔生理学或医学奖。

信使RNA（mRNA）分子是基因DNA的工作副本。核糖体读取mRNA并构建其指定的氨基酸链。1977年，研究人员主要基于细菌的研究，认为基因的核苷酸序列与其蛋白质的氨基酸序列相对应。就科学家们所知，基因中没有多余的序列。

然而，当夏普和同事用其DNA基因组能滑入细胞核的病毒感染哺乳动物细胞时，他们发现了不同的情况。一旦发生这种情况，细胞就会开始合成病毒mRNA。夏普的团队将病毒mRNA的片段与病毒DNA的相应部分混合在一起。由于DNA和RNA分子是互补的，这些片段本应无缝地粘合在一起。然而，DNA的部分片段却凸了出来，形成了环状结构，这表明病毒基因组中的某些序列在mRNA中缺失了。夏普和他的同事提出，这些片段在mRNA形成过程中被细胞编辑掉了。

马特克说：“任何神志正常的人都不会想到基因会被分割成片段。”但进一步的研究迅速证实，内含子遍布真核生物的基因中。细胞在从前体mRNA中剪除内含子后，将剩余的序列缝合在一起，产生mRNA。这一过程之所以可能具有优势，是因为它赋予了细胞灵活性。生物体可以通过在不同位置剪接mRNA来创建各种蛋白质。反过来，这种多功能性可能帮助真核生物进化出多种多样的形态，索尔克生物研究所的生物化学家杰拉尔德·乔伊斯（Gerald Joyce）说：“剪接是真核生物的‘复杂化器’。”

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理解snRNPs的奥秘

RNA经历剪接过程，同时也协助这一过程。耶鲁大学的分子生物学家琼·斯泰茨（Joan Steitz）因揭示某些RNA在剪接过程中的作用而荣获2018年拉斯克-科什兰医学科学特殊成就奖。

琼·斯泰茨在1982年冷泉港DNA定量生物结构研讨会上发表了演讲

斯泰茨在20世纪60年代末进行了一项研究，展示了核糖体如何识别mRNA，从而在RNA研究领域崭露头角。核糖体从mRNA的特定位点开始读取，但细胞器如何确定附着位置一直不清楚。斯泰茨通过一项巧妙的实验，在mRNA中识别出了一个吸引细胞器的“从这里开始”序列。

到了20世纪70年代末，她已将注意力转向剪接，而剪接的机制当时仍不清楚。斯泰茨和她的团队想确定细胞核中的颗粒——小核核糖核蛋白（snRNPs）是否参与剪接。但snRNPs含有RNA和蛋白质，很难分离，直到研究人员发现狼疮患者的抗体可以附着在这些颗粒上。捕获snRNPs后，研究人员可以探究这些颗粒的功能。斯泰茨和她的同事证明，snRNPs在剪接过程中发挥着关键作用。例如，1983年，她的团队发现一种snRNP能够识别前体mRNA上的剪接位点。研究人员现在知道，snRNPs汇聚在一起，形成一个更大的剪接结构——剪接体，其中包含五种小分子RNA和约100种蛋白质。

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生命在DNA之前？

剪接、蛋白质编码以及氨基酸转运，仅仅是RNA众多才能中的三项。一项看似出错的实验，却意外揭示了这种分子的超强能力。20世纪80年代初，科罗拉多大学的托马斯·切赫和耶鲁大学的西德尼·奥尔特曼发现，某些RNA分子能像酶一样催化化学反应。研究人员曾认为，只有蛋白质才具备这种功能。因此，切赫凭借这一发现荣获1988年阿尔伯特·拉斯克基础医学研究奖，并与奥尔特曼共同分享了1989年诺贝尔化学奖。

2007年在冷泉港召开的mRNA剪接会议:从左到右:里奇·罗伯茨、迈克尔·罗斯巴什、米拉·波洛克、托马斯·切赫、布鲁斯·斯蒂尔曼、琼·斯泰茨、菲利普·夏普和沃尔特·吉尔伯特

切赫及其同事正在研究细胞如何合成核糖体RNA。他们注意到RNA中含有一个内含子，于是决定分离出负责切割内含子的酶。切赫的实验室技术员亚瑟·扎格将一些试管中加入核糖体RNA和细胞核内容物（研究人员认为其中含有剪接酶）。扎格还设置了缺乏核物质的对照试管。分析结果显示，实验管和对照管中的内含子均被剪接掉了。“嗯，阿瑟，这个结果很鼓舞人心，但你制备对照样本时肯定犯了个小错误。”切赫对技术员说道。但当扎格重复实验时，结果依然相同。

通过一系列马特克所称的“极为细致的实验”，切赫及其团队证实RNA分子可以充当催化剂。更令人惊讶的是，RNA还能对自身起作用。当时，研究人员仍认为RNA的作用仅限于蛋白质合成，但切赫的发现表明，“RNA并非被动的信息载体，它还能有所作为。”乔伊斯说道。自此以后，科学家们发现了其他RNA催化剂，如核糖体和剪接体中的RNA。

这些结果还进一步支持了关于生命起源的假说。解释DNA和蛋白质如何其中之一在没有对方的情况下产生，一直是困扰研究人员的一大难题，他们试图弄清生命是如何起源的。20世纪60年代末，研究人员推测RNA是第一种酶，但他们没有直接证据支持这一假说。切赫通过证实RNA分子能催化反应，支持了这一观点。科学家们推测，存在一个RNA世界，其中RNA承担了DNA和蛋白质的任务，之后才演变为我们今天所知的基于DNA的生命。这一假说仍然是解释生命起源的主流理论。

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小RNA，大影响

切赫的工作扩展了科学家们对RNA功能的认知。鲁夫昆、安布罗斯和鲍尔科姆的研究揭示了这种分子在控制基因表达和抵御病原体方面更多令人意想不到的功能。

鲁夫昆和安布罗斯于20世纪80年代初作为同一麻省理工学院实验室的博士后研究员相识。鲁夫昆说：“他既聪明又友善，这是合作的好组合。”两人想研究基因如何塑造秀丽隐杆线虫的发育，并重点关注了两个基因，这两个基因发生突变后会导致异常。一个基因（lin-4）发生特定突变的蠕虫会长到成虫大小，但某些器官不会形成。相比之下，另一个基因（lin-14）发生特定突变的蠕虫会早熟但体型矮小。两人合作发现，lin-4会阻断lin-14，但他们不知道其中的机制。

2006年调控RNA研讨会，从左至右:理查德·乔根森、大卫·鲍尔科姆、玛丽亚·蒂默曼斯和罗恩·普拉斯特

当这两位科学家离开麻省理工学院，到不同机构担任教职时，他们分工合作。鲁夫昆负责lin-14，安布罗斯负责lin-4。在接下来的几年里，鲁夫昆及其团队确定了lin-14的序列，并发现它作为主基因控制着线虫发育过程中关键变化的时间。随后轮到安布罗斯让鲁夫昆大吃一惊。两位科学家原本都以为lin-4会编码一种蛋白质。但安布罗斯的实验室发现，该基因编码的实际上是一种仅由22个核苷酸组成的精致RNA。鲁夫昆说，这一发现彻底改变了局面。

1992年，两人交换了lin-4和lin-14的序列，并在鲁夫昆所说的“传奇通话”中分享了他们的结论。他们意识到，lin-4的序列部分匹配lin-14中某个区域的序列。他们的实验表明，lin-4 RNA通过靶向lin-14 mRNA中的该区域，从而抑制lin-14蛋白质的产生。“机制显而易见，而且一下子就想通了。”安布罗斯说道。lin-4是首个被发现的microRNA。

尽管其他研究人员大多对此不以为意，认为lin-4不过是线虫的一种怪癖。但在2000年，鲁夫金（Ruvkun）及其同事发现了第二种微小RNA（microRNA），并表明它广泛存在于动物体内，指向了他所描述的那个未曾预料到的微小RNA世界。其他研究也开始揭示出大量的此类分子。“那时人们才意识到，他们最喜爱的基因可能受到微小RNA的调控，”麻省理工学院的分子生物学家大卫·巴特尔（David Bartel）说，他并未参与鲁夫金或安布罗斯（Ambros）的工作。自那以后，研究人员已经确定了数千种微小RNA，其中人体内有500多种。微小RNA几乎在所有生物的多种遗传途径中抑制基因表达。证据表明，微小RNA调控着大多数人类基因的信使RNA（mRNA）。这些分子不仅对指导发育至关重要，而且对控制成年细胞的功能也至关重要，并且研究已将它们与包括癌症在内的多种疾病联系起来。

鲍尔科姆（Baulcombe）发现了一个同样涉及小RNA的平行系统。他的实验室基本上是在为植物接种病毒病疫苗。研究人员将病毒DNA插入植物细胞，刺激它们产生病毒mRNA，从而引发保护性反应。“我一直在寻找那些不合逻辑的东西，”鲍尔科姆说，他关注到了实验中的一个不一致结果。抗性最强的植物携带的病毒mRNA非常少，而脆弱的植物则含有大量这种分子。抗性植物似乎降低了mRNA的产生。

鲍尔科姆想知道是否是一种小RNA分子在沉默病毒mRNA。他和同事们开始寻找这种分子。他们向番茄植物注射病毒DNA片段，然后使用一种称为凝胶电泳的技术将植物组织样本中的RNA分子分离出来。但直到20世纪90年代末的一天，鲍尔科姆的博士后学生安德鲁·汉普顿（Andrew Hamilton）决定提前下班去踢足球时，这种假想的小RNA才难以捉摸。当汉普顿缩短了凝胶电泳过程时，研究人员看到了第一个仅有25个核苷酸的RNA证据。科学家们发现了小干扰RNA（small interfering RNAs，简称siRNAs）。

siRNA在结构上与microRNA不同，功能也略有不同。但它们都非常微小，并通过靶向mRNA来调控基因。鲍尔科姆说，小RNA的首要功能可能是防御。对于这一功能，“RNA沉默绝对出色”，因为它是“针对病毒基因组”的，并保护宿主基因组。他说，生物体后来可能将小RNA用于基因调控。

研究人员没想到小RNA会如此强大，巴特尔说，鲍尔科姆、鲁夫金和安布罗斯能够揭示这种分子的功能的一个原因是，他们对研究结果持开放态度。“这对他们继续研究这项工作至关重要，即使他们的观察结果难以解释。”

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RNA的强心剂

研究人员开发针对SARS-CoV-2的mRNA疫苗的速度，是人们对RNA理解提高的一个有力证明。宾夕法尼亚大学的免疫学家德鲁·魏斯曼（Drew Weissman）和当时生物科技公司BioNTech的生物化学家卡塔琳·卡里科（Katalin Karikó）因加速这一过程的发现，共同获得了2021年拉斯克-德贝基临床医学研究奖和2023年诺贝尔生理学或医学奖。匹兹堡大学的分子病毒学家保罗·杜普雷克斯（Paul Duprex）说，这对搭档“拼凑出了”在创纪录的时间内制造疫苗的方法，而他并未参与魏斯曼和卡里科的工作。

德鲁·魏斯曼和卡塔琳·卡里科

杜普雷克斯说，几十年来，疫苗开发一直遵循着几乎相同的路径。研究人员分离出导致疾病的病原体，然后通过将其在非人类细胞中培养多代或用化学物质处理来使其减弱。例如，乔纳斯·索尔克（Jonas Salk）因生产出第一种脊髓灰质炎疫苗而获得1956年阿尔伯特·拉斯克临床医学研究奖，他使用甲醛使脊髓灰质炎病毒失活，同时又不损害其激发免疫系统的能力。一旦病原体被驯服，就可以开始接种疫苗。尽管研究人员对疫苗开发过程做了一些改进，但进展仍然缓慢，需要数年甚至数十年时间。

30多年前，研究人员提出了一种不同的策略，即注射一种编码病毒蛋白的mRNA分子。然后，细胞会产生病毒蛋白，刺激免疫系统产生针对病毒的防御。由于研究人员无需培养病原体，该过程可能会更快。他们可以利用病毒的基因组序列快速制造出所需的mRNA。

但出于多种原因，mRNA疫苗可能无效。RNA在体内迅速分解，因此注射的mRNA可能无法到达靶细胞。此外，陌生的RNA可能发出病毒感染的信号，而mRNA疫苗可能引发危险的炎症。

卡里科和魏斯曼自20世纪90年代末开始合作，克服了mRNA疫苗接种的多个障碍。为了防止疫苗引发炎症，两人从tRNA中获得了启发，tRNA会用一种相关分子——假尿苷（pseudouridine）替换掉一些尿苷分子。这两种分子的差异非常小——“几乎可以忽略不计”，杜普雷克斯说。但它使假尿苷对人体的免疫系统刺激性更小。

2005年，魏斯曼和卡里科报告说，将一些尿苷分子替换为假尿苷可以使mRNA逃避免疫细胞的识别。魏斯曼的实验室还在2015年表明，被称为脂质纳米颗粒的微小分子容器是mRNA分子的优秀载体。当研究人员将含有mRNA的纳米颗粒注射到小鼠体内时，啮齿动物的细胞摄取了mRNA并开始制造它们编码的蛋白质。

到2019年底SARS-CoV-2开始传播时，几种针对流感等疾病的基于mRNA的疫苗已经进入临床试验阶段。因此，制药公司可以迅速转向研发针对这种新病毒的疫苗。2024年，美国食品和药物管理局（FDA）批准了第一种针对非COVID-19疾病的mRNA疫苗。该疫苗针对的是呼吸道合胞病毒感染。研究人员正在研究mRNA疫苗是否能对抗其他病原体，包括HIV、寨卡病毒和诺如病毒，以及癌症等疾病。

拉斯克奖获得者对RNA的研究发现有助于重塑这种分子的形象。部分得益于他们的工作，RNA已成为研究生命起源、基因组组织、多细胞生物发育控制以及大脑功能等课题的中心。该分子也是研究和开发预防和治疗疾病方法的研究重点。曾经被视为DNA的“跑腿小弟”，RNA如今确实已跻身世界前列。

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

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