Cell論文詳解！RNA分子如何“主宰”自己的命運？_風聞

在人體大約30萬億個細胞中，DNA正在被“讀取”成信使RNA（mRNA），這是DNA和蛋白之間的中間步驟，這一過程被稱為轉錄。

科學家們對轉錄是如何開始的有了很好的瞭解：RNA聚合酶被招募到DNA分子的特定區域，並開始沿DNA鏈移動，邊走邊合成mRNA分子。但是，這個過程的一部分還不太清楚：細胞如何知道何時停止轉錄？

如今，在一項新的研究中，美國懷特海德生物醫學研究所成員、麻省理工學院生物學教授Richard Young及其團隊和麻省理工學院化學工程教授Arup K. Chakraborty及其團隊發現RNA分子通過反饋迴路調節它們自身的形成。RNA分子太少，細胞就會啓動轉錄以產生更多的RNA分子。然後，在某個閾值，過多的RNA分子會導致轉錄停止。相關研究結果於2020年12月16日在線發表在Cell期刊上，論文標題為“RNA-Mediated Feedback Control of Transcriptional Condensates”。

圖片來自Cell, 2020, doi:10.1016/j.cell.2020.11.030

這一發現提供了關於成千上萬種非編碼RNA（ncRNA）的潛在作用的一些新見解。ncRNA不被翻譯成任何蛋白，在哺乳動物中很常見，幾十年來一直讓科學家們感到神秘。

一個凝聚物的問題

Young實驗室之前的研究工作主要集中在轉錄凝聚物（transcriptional condensate）上，轉錄凝聚物是一種小型的轉錄液滴，將DNA轉錄為RNA所需的分子聚集在一起。來自Young實驗室的科學家在2018年發現了轉錄液滴，他們注意到它們通常在轉錄開始時形成，並在這個過程結束後的幾秒鐘或幾分鐘後溶解。

這些研究人員想知道，支配轉錄凝聚物溶解的力量是否可能與它們產生的RNA的化學性質有關---特別是它的高負電荷。如果是這樣的話，這將是細胞過程通過反饋機制進行調節的最新例子---這是一種優雅、高效的系統，在細胞中用於控制紅細胞產生和DNA修復等生物功能。

作為最初的測試，這些研究人員在體外開展實驗來測試RNA的數量是否對轉錄凝聚物的形成有影響。他們發現，在細胞中觀察到的生理水平範圍內，低水平的RNA會促進轉錄液滴的形成，而高水平的RNA則會阻止它的形成。

跳出生物學的框框

考慮到這些結果，論文共同第一作者、Young實驗室博士後研究員Ozgur Oksuz和Jon Henninger與論文共同第一作者、Chakraborty實驗室研究生Krishna Shrinivas合作，研究了是什麼物理力量在發揮作用。

Shrinivas建議團隊構建一種計算模型來研究積極轉錄的RNA和轉錄蛋白形成的凝聚物之間的物理和化學相互作用。這種模型的目標不是簡單地重現現有的結果，而是構建一個平台，用來測試各種情況。

Shrinivas説，“大多數人研究這類問題的方式是把分子的混合物放在試管中，搖晃它，看看會發生什麼。人們可以想象這與細胞中發生的情況相差甚遠。我們的想法是，‘我們能不能試着在生物學背景下研究這個問題，也就是這個失衡的複雜過程？’”

從物理學的角度研究這個問題可以讓這些研究人員從傳統的生物學方法中退一步來考慮。Henninger説，“作為一名生物學者，很難從現有的數據中提出新的假設和新的方法來理解事物如何運作。你可以做篩選，你可以確定可能參與一個過程的新的參與者、新的蛋白和新的RNA，但你仍然受到我們對所有這些東西如何相互作用的經典理解的限制。而當與物理學者交談時，你所處的理論空間超出了現有數據所能提供的範圍。物理學者喜歡思考在給定某些參數的情況下，某些東西會有怎樣的表現。”

Henninger説，“一旦這種模型構建完成，這些研究人員可以向它提出關於細胞中可能出現的情況的問題---例如，當不同長度的RNA以不同的速度產生時，隨着時間的推移，凝聚物會發生什麼？然後在實驗室的工作台上開展實驗來跟進它。我們最終實現了模型和實驗的很好融合。對我來説，這就像這種模型有助於提煉出這種類型系統的最簡單特徵，然後可以在細胞中做更多的預測性實驗，看看它是否符合該模型。”

電荷在起作用

通過一系列的建模和實驗室實驗，這些研究人員能夠證實他們的假設，即RNA對轉錄的影響是由於RNA分子的高負電荷。此外，據預測，初始低水平的RNA會增強轉錄蛋白形成的凝聚物（即轉錄凝聚物），隨後較高的RNA水平會溶解這些凝聚物。鑑於電荷是由RNA的磷酸骨架攜帶的，因此一個給定的RNA分子的有效電荷與其長度直接成正比。

為了在活細胞中測試這一發現，這些研究人員對小鼠胚胎幹細胞進行基因改造，使之產生髮光的凝聚物，然後用一種化學物處理它們，以破壞轉錄的延伸階段。與這種模型的預測一致的是，導致凝聚物溶解的RNA分子的不足增加了細胞中凝聚物的大小和壽命。相反，當他們對這些細胞進行基因改造使之誘導產生額外的RNA時，所產生的轉錄凝聚物就會溶解。Chakraborty説，“這些結果突顯了理解非平衡反饋機制如何調節細胞中存在的生物分子凝聚物功能的重要性。”

這種反饋機制的確認可能有助於解答關於哺乳動物基因組的一個長期之謎：佔遺傳物質很大一部分的ncRNA的作用到底是什麼。Young説，“雖然我們對蛋白的工作方式有很多瞭解，但是ncRNA有數萬種，我們不知道這些分子中大多數的功能。RNA分子可以調控轉錄凝聚物的發現，讓我們猜測許多ncRNA是否只是在局部發揮作用，以調整整個基因組的基因表達。這樣，這些RNA起什麼作用這個巨大的謎團就有了潛在的答案。”

這些研究人員樂觀地認為，瞭解RNA在細胞中的這種新作用可能為多種疾病的治療提供信息。Oksuz説，“一些疾病實際上是由單一基因的表達增加或減少引起的。我們如今知道，如果你調控RNA的水平，你對轉錄凝聚物有一個可預測的影響。因此，可以假設人為調高或調低疾病基因的表達，以恢復你想要的表達水平---而且可能恢復表型--以治療疾病。”

Young補充説，對RNA行為的更深入理解可能為更廣泛的治療提供信息。在過去的10年裏，已經開發出了多種成功地直接靶向RNA的藥物。Young説，“RNA是一個重要的靶點。從機制上理解RNA分子如何調控基因表達，在疾病中的基因失調和靶向RNA的新治療方法之間架起了橋樑。”

參考資料：

1.Richard A. Young et al. RNA-mediated feedback control of transcriptional condensates. Cell, 2020, doi:10.1016/j.cell.2020.11.030.

2.RNA molecules are masters of their own destiny

https://phys.org/news/2020-12-rna-molecules-masters-destiny.html