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一个重要的生物学现象:RNA激活

已有 6456 次阅读 2013-3-7 16:34 |系统分类:科普集锦| 科普, RNA, 分子生物学

正在被揭示的一个重要的生物学现象:RNA激活

科学家们认为RNA会使基因沉默,而不会增强基因表达。那么,他们为什么只是这样认为呢?

 

位于达拉斯市(Dallas)的德克萨斯大学西南医学中心的一名实验室技术员罗莎琳·拉姆(Rosalyn Ram),在新的工作岗位上她从不寻常的第一次实验得到数据后,她确信自己肯定把什么东西搞错了。据她回忆,实验结果毫无疑问是很“怪异”的。她的实验室负责人——戴维·科里(David Corey)和贝萨妮·雅诺维斯基(Bethany Janowski)夫妇已经证明:含有类似蛋白质骨架的合成DNA分子,即通常所说的肽核酸(peptide nucleic acid)能阻止基因转录。200410月,他们尝试着用小RNA分子来做同样的事情,以检测这一新的实验室技术,他们满心希望小RNA分子不能阻止基因转录。

但是,结果发现:像肽核酸一样,小RNA分子能作用于相同的启动子使得基因表达在转录水平上沉默。雅诺维斯基(Janowski)说:“当(拉姆)看到基因沉默时,她认为在实验中出了差错。她不想给我看实验数据,因为她觉得那应该是一个阴性的结果。”

这些实验数据确实不合常理:在转录起始位点处,单链肽核酸直接结合在解旋的DNA上,而双链RNA一直被认为仅能把信使RNAmRNA)作为靶标来阻止翻译——这一过程已得到很好的阐述,即通常说的RNA干扰(RNA interference)或RNAi。那么,它们是怎样产生相同效应的呢?对于这一发现,雅诺维斯基(Janowski)说:“所有那些你认为能预测的事情,往往会出乎意料。”

科里(Corey)说:“我们用了几个月的时间,才说服自己相信那个实验结果是真实的。”但是,他们最终还是相信了。他们检测了几个不同的双链RNA——每个双链RNA含有21个核苷酸,如同用于RNAi实验中的标准小干扰RNAsmall interfering RNA)。所有这些RNA都与DNA启动子区恰好互补,但与基因的mRNA几乎没有重叠,以保证这些RNA作用于转录而非翻译。最后,在20059月,科里(Corey)和雅诺维斯基(Janowski)证明,导入的RNA能够抑制多达90 %的基因转录。有趣的是,这一发现肯定了位于加州拉乔拉(La Jolla)的斯克里普斯研究所(the Scripps Research Institute)的凯文·莫里斯(Kevin Morris)的工作,他在一年前发表了人类细胞中该现象的第一个证据。

 

RNA激活(RNA activation)违背了我们所知的关于小RNA如何调控基因表达的所有成果。”——约翰·罗西(John Rossi

 

    但是,在他们的实验数据中,科里(Corey)和雅诺维斯基(Janowski)还注意到可能存在着比拉姆(Ram)在工作第一天的所见更令人难以置信的东西。他们的几个似乎“失活”且不能减少基因表达的RNA使转录大约增强了25 %50 %,这些相对较小的变化并不足以确定地说他们观察到了基因激活。“不过,这个实验在我们头脑中撒下了基因激活可能存在的种子。”科里(Corey)说。为了进一步研究这个趋势,研究人员改用了其目的基因(the human progesterone receptor,即人类孕酮受体基因)有更低背景活性水平的一个细胞系,所得实验结果非常明显:不能抑制转录的相同的RNA,现在基因表达中能使表达量增加1020倍。激活效应确实存在。

然而,在科里(Corey)夫妇发表这个发现之前,另一个实验室已早一步发表了与他们的发现本质上相同的结果。加州大学旧金山分校的李龙承(Long-Cheng Li,中国湖北人)和罗伯特·佩雷斯(Robert Place)领导的一个团队发现,以另外三个基因的DNA启动子为靶标的小RNA也能开启基因转录。像科里(Corey)和雅诺维斯基(Janowski)一样,李和佩雷斯也曾一直期望是失活而非激活。李说:“我们觉得很奇怪,因为没有观察到由双链RNA引起的基因沉默,相反,我们看到了强烈的基因激活。”

RNA激活公然违反了所有人对以RNA为基础的调控的理解。人们一直认为只有通过RNA干扰途径切碎mRNARNA才能使基因沉默,并不是在基因转录的点上,更不是通过基因激活。因此,RNA领域的许多知名人士根本不相信这一发现。

“要发表这项工作真是困难重重,”雅诺维斯基(Janowski)说,“因为RNA激活不合时宜,研究RNAi的学术界对其充满敌视。”

这两个RNA激活研究团队在发表他们的论文时都遇到了麻烦。20071月,科里(Corey)和雅诺维斯基(Janowski)的论文发表在《自然·化学生物学》(Nature Chemical Biology)上。此前,《科学》拒绝发表这篇论文。李和佩雷斯终于在200611月将其论文发表在《美国国家科学院院刊》(PANS)上,此前的两年里曾遭到4次拒稿。因此,当两个月后,科里(Corey)和雅诺维斯基(Janowski)的论文发表了相同的基本研究结果时,李说:“这是一种解脱。”佩雷斯补充说:“知道其他人也看到了类似的现象,这种感觉好极了。”

然而,这两个研究团队都没能给出RNA激活如何发生的合理机制。希望之城(City of Hope)——位于加州杜阿尔特市(Duarte)的综合癌症中心(Comprehensive Cancer Center)的分子遗传学家、该篇论文的评审人之一约翰·罗西(John Rossi)说:“我认为,李和佩雷斯的证据并不真正支持他们所报道的机制。RNA激活违背了我们所知的关于小RNA如何调控基因表达的所有成果。实验数据是很清楚的,但是这一结果难道不是间接得到的吗?我们想要更多的实验来确认这个机制,但是李和佩雷斯并未做到。”

同样,非论文评审人也不相信RNA激活的存在。地处纽约的洛克菲勒大学(Rockefeller University)的RNA专家托马斯·图许尔(Thomas Tuschl),在一封电子邮件中说:“我很难解释他们的发现,并且什么机制又能解释RNA激活这一现象呢?”位于俄亥俄州克利夫兰市(Cleveland)的凯斯西保留地大学(Case Western Reserve University)的RNAi研究者蒂莫西·尼尔森(Timothy Nilsen)补充说:“RNA激活似乎是太不同寻常、太特别了,它不像RNA干扰那样是一个普遍的现象。对于RNA干扰,你已知道它是如何起作用的。”

这些担忧合情合理。怀疑者认为,把核酸导入细胞是一个著名的有假象倾向实验(artifact-prone experiment)。因此,观察到的结果能很容易归咎于导入的RNA与非靶标分子(nontarget molecule)的相互作用,例如一些意想不到的反过来能导致激活的蛋白质或RNA

另一个问题是,在RNAi中,导入的RNA总是能与mRNA靶标完全配对,而RNA激活似乎并不遵循任何可以预测的规则。研究人员构建了与启动子DNA片段配对的激活RNAactivating RNA),但是却想不出一个可靠的设计方案。他们发现,RNA的目标序列(target sequence)中单个碱基的不同,就能把激活剂变成抑制剂,并且反过来也一样。更重要的是,对一些基因来说,最有效的激活RNA恰好在转录起始位点与DNA序列配对,但是对其它的基因来说,目标位点(target site)则位于转录起点上游。

研究RNAi的学术界采取了一种观望的态度。图许尔(Tuschl)说:“每当像这样的有争议的研究结果出现时,我将不会触及此类问题,而是等待提出这个问题的实验室后续的研究。”尽管RNA激活受到广泛怀疑,研究人员仍在继续探索RNA激活的发生机制,同时努力发表他们关于RNA激活的研究成果。20069月发表在《自然·结构和分子生物学》(Nature Structural & Molecular Biology)上的论文中,科里(Corey)的团队及由莫里斯(Morris)和罗西(Rossi)领导的一个团队先后指出,由小RNA介导的转录沉默可能与来自Argonaute家族的蛋白质有关。两个月后,李和佩雷斯也同样证明,Argonaute蛋白参与了RNA激活。虽然对Argonaute家族中哪些蛋白质是最重要的存有一些异议,但研究者们仍然达成了某些共识。

“人们可能会挑剔RNA激活的机制,但这还为时尚早。RNA激活现象确实存在,这一点已十分清楚。”——约翰·麦惕克(John Mattick

 

Argonaute蛋白是RNAi途径的已知的成员,它有助于促进RNARNA之间的相互作用。因此,新发现的转录调控和Argonaute蛋白之间的联系表明,RNA激活的目标是天然存在的RNA,而不是DNA,这与肽核酸的情况相同(并且研究人员曾天真地认为,这也将适用于激活RNA)。后来,莫里斯(Morris)直接检测了这个想法,并确认RNA之间确实在相互作用。

总之,雅诺维斯基(Janowski)说:“RNA激活建立了转录和转录后基因沉默之间的联系。”研究者们推理认为,RNA激活或许根本就不是一个令人难以置信的新现象。但是,仍存在这一问题:如果导入的RNA只与其它的RNA相互作用,那么它们是怎样影响转录的呢?

当科学家们探索RNA激活机制时,有一点逐渐变得明白,即人类基因组中的绝大多数基因都被转录成RNA,尽管这些RNA中只有很少一部分被翻译成蛋白质。一些非编码的RNA转录物(因为它们不能产生蛋白质,所以这样称呼),甚至位于编码蛋白质的基因组区域中。而且,这种非编码的转录很多都发生在染色体的两条链上,它们与mRNA的转录方向相同或相反(相反也称为“反义”,antisense)。科学家推测,这些普遍存在的非编码RNA可能有某种目的,或许甚至在RNA激活中都起一定作用。

科里(Corey)的研究生雅各布·施瓦兹(Jacob Schwartz)使用反转录-PCR仪,对孕酮受体基因启动子的周围进行了扫描,以期找到非编码RNA。他在转录方向上没有发现任何编码的RNA,但发现了3个跨越启动子区的反义转录物。不过,施瓦兹(Schwartz)起初并不相信自己的实验结果。研究生一年级时上的一门课《转录展望》(perspective of transcription)使他相信,在启动子区将不会有任何RNA转录物。因此,他认为他看到的只是基因组DNA的污染物。在他说服自己之前的两周里,他尝试了各种方法去除PCR中的DNA杂质。最后,施瓦兹(Schwartz)证明,激活RNAArgonaute蛋白结合在启动子附近的反义转录物上,然后这个RNA-蛋白质复合体充当一个支架(scaffold),来“招募”和重新导向其它的蛋白质修饰因子(protein modifier),以加速或减慢转录。

科里(Corey)解释说:“你必须认为这些启动子是动态的。基因处于被开启和被关闭的微妙状态中。”在他看来,反义转录物是这一微妙平衡的调控物。因此,通过导入与这些反义转录物作用的RNA,他的团队已能控制朝向激活或沉默的平衡。“我可能是错的,但这是与我们的实验结果一致的最简单的解释。”科里(Corey)说。

特别是,科里(Corey)认为RNA激活现象多少与RNAi不同(尽管Argonaute蛋白参与了这两个过程),因为他从没有观察到任何RNA转录物的切割。而且,他的实验结果表明:转录激活和转录沉默最初都是通过与反义转录物相互作用的同样方式进行的。

然而,莫里斯(MorrisRNA激活的机制有另外一种解释,他比科里(Corey)和雅诺维斯基(Janowski)早一年证明小RNA能抑制转录。莫里斯(Morris)重新分析了李和佩雷斯最初使用的激活RNA,并得出结论,激活RNA不以DNA启动子为目标,这一结论加州大学旧金山分校(UCSF)的研究人员曾做出过假设(但从没用实验证明)。恰恰相反,这些激活RNA与跨越启动子的长反义RNA转录物部分匹配,尽管莫里斯(Morris)发现目标序列实际上位于转录起始位点下游的几百个碱基对处,这比科里(Corey)和雅诺维斯基(Janowski)定位的位点更靠下。

这些反义RNA通常能“招募”限制转录的蛋白质,但引入的RNAArgonaute蛋白的帮助下能切碎反义转录物,从而释放抑制因子(suppressive factor),在mRNA转录中总体增加。在莫里斯(Morris)的模型中,RNA激活现象与传统的RNAi有相似之处,只是作用目标由mRNA转录物换成了反义RNA,莫里斯(Morris)说:“它是一种阴阳(ying-yang)的东西”。

然而莫里斯Morris)相信,转录沉默是以不同方式进行的。关闭一个基因需要引入RNA(双链的,或仅是单条反义链),使其作用于跨越启动子区、能被转录但最终不被翻译的mRNA转录物的稀有延伸区(rare extension)。改变这些mRNA的延伸区就能改变DNA的构型,阻止RNA聚合酶(RNA polymerase)进行正常的基因转录。

微小的遗传密码片段被称为微小RNAmicroRNA,缩写为miRNA),它们有规律地围绕细胞急速旋转,对基因表达进行微调。位于马萨诸塞州剑桥的怀特黑德研究所(the Whitehead Institute)的RNA生物学家戴维·巴特尔(David Bartel)说,人类基因组中已被识别的miRNA400多个,每一个miRNA都能调控几百个不同的基因。正如大多数的非编码RNA一样,这些小的细胞监督者们(cellular supervisor)长久以来仅被认为通过干扰mRNA和减少蛋白质产生,来抑制基因的功能。但是,最近的研究表明,miRNA有多种功能。

去年,加州大学旧金山分校(UCSF)的罗伯特·佩雷斯(Robert Place)和李龙承通过扫描基因启动子区域寻找天然miRNA的目标位点,对RNA激活进行了进一步研究。他们发现了一个与miRNA-373匹配的位点并证明,这个内源性RNA能以与合成RNA相同的方式显著地上调转录(此文见于PNAS 1051608–132008)。佩雷斯(Place)说:“人们一直认为miRNA只能抑制基因活性。”这个研究“从原理上证明了miRNA能有相反的效应,它能导致基因激活”。

其他研究人员也发现了相同的效应。例如,威斯康星大学麦迪逊分校(the University of Wisconsin–Madison)的神经科学家洛古雷·威姆丹吉(Raghu Vemuganti)对老鼠大脑中的miRNA进行了研究,发现有几个miRNA似乎能激活转录(此文见于J Cereb Blood Flow Metab29675–87 2009)。他说:“从生物信息学方面,我已能自信地说大脑中正发生着转录激活;从实验方面,我们仍需要证明它。”

但是,这些并非最先证明天然存在的RNA能刺激转录的例子。2004年,加州拉乔拉(La Jolla)沙克研究所(the Salk Institute)的神经科学家弗雷德·盖兹(Fred Gage),在老鼠神经干细胞中发现了一个小双链RNA,它能与蛋白质相互作用以激活对神经元功能很重要的基因(此文见于Cell116779–932004)。盖兹说:“在细胞核中有许许多多的RNA。现在我们把它们当作垃圾或背景噪声,但它们可能并不是。假设有这种过量的RNA,那为何细胞核还要为这个‘危害’留下巨大的空间呢?”

更重要的是,内源miRNA也能在mRNA生成后的后转录水平上刺激基因表达。耶鲁大学的分子生物学家琼·施泰茨(Joan Steitz)和索哈·瓦苏德旺(Shobha Vasudevan)发现,miRNA能依赖把细胞作为一个整体的活性来开启和关闭蛋白质的合成:在增殖细胞或连续分裂细胞中,miRNA抑制蛋白质翻译;在静止期细胞中,miRNA能激活蛋白质翻译(此文见于Science3181931–342007)。

在翻译激活和抑制中含有相同的基本沉默成分(包括Argonaute蛋白和RNA结合蛋白),再次表明基因激活和基因沉默简单地说可能就如同一枚硬币的正反两面。瓦苏德旺(Vasudevan)说:“它们的结合可能不同,但在激活和抑制中,基本的Argonaute蛋白和基本的miRNA是一样的。miRNA似乎还有许多其它功能,但其机制仍是未解之谜。”

佩雷斯(Place)说,莫里斯(Morris)对RNA激活的想法“似乎完全合理”,“但是他的模型并不能解释我们全部的实验结果”。李龙承和佩雷斯(Place)通过把他们感兴趣的启动子和绿色荧光蛋白基因结合在一起,创建了一个视觉跟踪系统(visually trackable system)。这一系统可使他们量化转录水平和精确定位RNA激活的目标位点。启动子DNA突变后,观察绿色荧光强度改变,研究表明,他们的激活RNA导向自身启动子区中,这一点与科里(Corey)和雅诺维斯基(Janowski)的提议相似,而与莫里斯(Morris)所说的位于下游不同。不过,佩雷斯(Place)相信,他的激活RNA实际上靶向启动子区中微小的、非编码RNA转录物,这个转录物与mRNA的编码方向相同,与反义RNA的相反。佩雷斯(Place)说:“我们的激活RNA没有靶向反义转录物,而我们仍得到激活,这恰好与科里(Corey)和莫里斯(Morris)的模型相反。”

因此,李龙承和佩雷斯(Place)正致力于研究第3种尚未发表的对RNA激活的解释。他们现正在做大部分工作。佩雷斯(Place)说:“为获得适用于任何我们想要的启动子的激活双链RNA,我们已经设计了一套相当标准的规则。”截至目前,他的团队通过使用对同一基因都起作用的几个不同的RNA,已激活了大约15-20个基因,他补充说。

然而,重要的是,所有这3个转录激活模型都有一个共同的关键特征,它们都对准了转录调控的同一个中心目标——非编码RNA。去年12月发表在《科学》上的一篇论文表明,基因组中90 %以上的基因都被转录(向前转录,向后转录,向前、向后转录),并且活性基因的启动子实际上并不“安静”。那就意味着,有许多RNA在细胞中自由行动,它们可能有许多不同的秘密调控效应。

莫里斯(Morris)说:“如果认为RNA激活只有一条途径,那就太目光短浅了。”所有的研究人员都同意这一点。佩雷斯(Place)说:“似乎有很多方式可诱导RNA激活。”同时,科里(Corey)说,即使还没有一致的解释,RNA激活这一现象仍的确存在。“人们可以因为我们提出的问题多于给出的回答而批评我们的工作,但是从另一方面看这是一件好事。”

当前,所有的研究者都在积极探索转录激活在治疗学和细胞学上的应用。在含有移植了人类前列腺癌细胞的老鼠模型中,李龙承和佩雷斯(Place)设计了能上调肿瘤抑制基因的RNA;莫里斯(Morris)不断提高HIV的表达,希望能找到艾滋病病毒的藏身之处,以便能在临床治疗上杀死它;科里(Corey)和雅诺维斯基(Janowski)在用RNA进行细胞培养中激活了一个“重要的新陈代谢基因”(科里(Corey)拒绝对此详细说明,因为这些结果还没发表且具有商业潜力)。另外,佩雷斯(Place)和莫里斯(Morris)说,他们分别激活了几个与多能性(pluripotency)有关的基因,如Oct4Nanog,他们着眼于把成体细胞“重新编程”为类似胚胎的状态。

莫里斯(Morris)现在正与斯克里普斯研究所(the Scripps Research Institute)的技术转移办公室(tech-transfer office)合作,以使他的研究商业化。科里(Corey)和佩雷斯(Place)的两个团队授权奥尼兰姆制药公司(Alnylam Pharmaceuticals)使用他们的技术,该公司总部位于马萨诸塞州剑桥市,专门从事基于RNAi的治疗研究。公司首席执行官约翰·马拉加诺(John Maraganore)说:“对我们公司来说,从事RNA激活研究是一个非常合理的延伸。但是很明显,RNA激活代表了一个全新的平台。虽然RNA激活还需要向结果可靠性和预测性的方向发展,但是已有很多我们能够激活的目的基因。”

虽然关于RNA激活的几个工作模型还在摇摆不定,但是RNA领域的一些研究人员现在已对RNA激活产生了兴趣。澳大利亚昆士兰大学(the University of Queensland)的RNA基因组学家约翰·麦惕克(John Mattick)说:“表面上看,现在正发生一个非常有趣的现象。人们可能会挑剔RNA激活的机制,但这还为时尚早。RNA激活现象确实存在,这一点已十分清楚。”

罗西(Rossi)说:“我认为RNA激活并不像人们所说的那样有太多争议。”他认为,RNA激活只是经典的、普通的RNAi的一个延伸(这和莫里斯(Morris)的观点相同),当最初发现RNAi时也存有争议。罗西(Rossi)说,RNA激活“正如后转录基因沉默一样”,只是导入的RNA靶向非编码RNA(对激活来说),而不是mRNA(对RNAi来说,导入的RNA靶向mRNA)。位于伊利诺伊州埃文斯顿(Evanston)的西北大学(Northwestern University)的RNA研究者埃里克·宋提莫尔(Erik Sontheimer)同意罗西(Rossi)的说法,他说:“从小RNA实际上正在做的事情看,RNA激活并不是根本上的新现象,它仍属于RNAi的范畴。”

现在,科里(Corey)也承认这个观点。他说:“当我们刚开始研究RNA激活时,人们还不知道这些非编码RNA转录物,现在他们知道了。它只是RNAi途径的又一个分支,RNAi途径可能有许多分支来行使许多功能。”

但是,并非每个人都相信RNA激活的存在。尼尔森(Nilsen)说:“RNA对哺乳动物转录的整体影响,受到整个RNA领域研究人员的一点怀疑。”另一位怀疑者图许尔(Tuschl)说:“要想让我相信RNA激活的存在,还需要更多彻底的生化实验和更多被靶向的基因。”冷泉港实验室(Cold Spring Harbor Laboratory)的功能基因组学负责人托马斯·金杰罗斯(Thomas Gingeras)说,他无意中听到其它几个实验室尝试着重复RNA激活实验,但是有成功也有失败。他说:“如果莫里斯(Morris)和科里(Corey)报告的是一个真实的现象,那么人们将能看到此现象并将致力于研究它。很显然,在他们已完成的实验模型中丢失了一些东西或存在着一些错误。人们将会等待,直到提出一个合理的机制或发现一些缺失的要素。”(其他几位RNAi研究的领军人物拒绝对这篇文章发表评论。)

    科里(Corey)说,他已经受够了那些除非他能解释清楚RNA激活机制的每一个细节才会相信他的发现的反对者们。他说:“我对那样想的人没有耐心了,我认为他们都是伪善的人。如果他们不能提供另外一种解释,那么他们就需要亲自去做实验。”莫里斯(Morris)的实验室包括他自己在内总共只有3个人,他说,他热烈欢迎其他竞争者,在生物学领域中有太多未知需要探索,RNAi和后转录调控“仅仅是这个开始”。他说:“涉及到(RNA介导的转录调控)的复杂性有许多个层次,整个RNA世界远比我们所了解的复杂。”


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