Nature：新技术 “解密” 非编码 RNA

人类基因组计划研究表明，人类基因组中只有不到 2% 的蛋白质编码序列，而剩余 98% 为非编码核酸序列。这些非编码序列可能有功能，也可能仅仅是副产物，曾被称为 “垃圾 DNA” 或者“暗物质”。

随着认识的深入，人们意识到，非编码序列经过广泛转录后生成的大量非编码 RNA 在个体生命中具有重要的生理调控功能。非编码 RNA 有着怎样的结构？如何发挥功能？认识这些，对于理解生命健康过程至关重要。

5 月 6 日，《自然》刊发了中国科学院生物物理研究所研究员薛愿超团队的最新成果。他们建立了能够捕获 RNA 原位高级结构和作用靶标的 RIC-seq 新技术，并利用该技术首次在细胞内全景式地捕获 RNA 的高级结构以及各种类型非编码 RNA 的作用靶标，为 RNA 领域发展提供了全新的实验工具。

“高级”RNA 有 “魔力”

非编码 RNA 在细胞中数量众多、无处不在。如今诸多研究表明，它不再是无用的 “垃圾”，反而处处 “刷存在感”。

已有相关研究表明，非编码 RNA 参与了胚胎发育、细胞增殖、分化、凋亡、感染以及免疫应答等几乎所有生理或病理过程的调控，与恶性肿瘤、心血管系统疾病、神经系统疾病、代谢疾病等相关的突变约 90% 定位在非编码区。

论文通讯作者薛愿超告诉《中国科学报》，与编码蛋白质的 mRNA 不同，虽然非编码 RNA 也携带遗传密码，但是它们往往不具有蛋白质编码潜能。非编码 RNA 的调控功能主要是通过形成高级结构，并在 RNA 结合蛋白的介导下与其他 mRNA 或者非编码 RNA 相互作用而实现。因此，解析细胞内 RNA 的原位高级结构及相互作用靶标是探究非编码 RNA 功能机制的关键。

所谓高级结构，是指三级及以上的结构。“过去，可能很多人认为 RNA 仅仅是由 A/U/C/G 四种碱基所组成的线性序列，它的外观是像意大利面一样的条状分子。” 薛愿超说。

事实上，RNA 在细胞内通过 A—U、C—G 或 G—U 配对先形成二级结构，进而在 RNA 结合蛋白的协助下折叠成复杂的三级结构。而特定的 RNA 分子在形成复杂的三级结构后便具有了神奇的 “魔力”，比如可以像蛋白质一样具有酶的催化活性。上世纪 80 年代初，美国科学家托马斯 · 切赫和西德尼 · 奥尔特曼正是因为发现具有催化活性的 RNA 分子而获得 1989 年诺贝尔化学奖。

然而，在整个转录组范围内研究 RNA 的三级结构是 RNA 领域的世界性难题，难就难在利用现有的酶学和化学方法不能准确解析远距离的、非互补配对的 RNA—RNA 相互作用。

此外，非编码 RNA 发挥功能需要跟其他的 RNA 分子互作，这些互作被称为 “靶标”。而只有准确地鉴定靶标才能推导非编码 RNA 跟其他 RNA 分子作用的规律，以及作用后如何影响靶标 RNA 的稳定性、翻译和定位等。

薛愿超表示，过去，我国在 RNA 结构及相互作用的技术研发原创性方面有所欠缺，现有技术也存在一定的局限性，比如得到的单链和双链信息不完整、在体外做近端连接假阳性率高等。

2015 年，从美国加州大学圣地亚哥分校博士后出站，薛愿超入职中国科学院生物物理研究所并建立实验室。那时，他开始思考，是否能开发新技术来系统性地研究非编码 RNA 的高级结构和作用靶标。

新技术实现 “一网打尽”

2015 年 9 月，薛愿超的第一位博士生、该研究的第一作者蔡兆奎进入课题组，年轻的 “师徒” 开始携手构建理想中的新技术。

考虑到 RNA 结构在细胞内和细胞外存在一定的差别，他们在对 RIC-seq 技术进行原理性设计时，重点突出了 “原位” 的概念。“原位是指在保持细胞完整性的前提下，对所有空间上邻近的 RNA 进行近端连接、筛选和测序。”薛愿超说。

任何新技术诞生后都需要做大量验证以确定其准确度、可重复性和假阳性率。研究人员首先评估了 RIC-seq 技术的相关指标，比较和实验验证表明，与现有非编码 RNA 二级结构和三级结构相比，RIC-seq 技术均表现得更好。此外，它还可 “一网打尽” 看清细胞内各种 RNA—RNA 空间相互作用，包括以前看不到的 RNA 三级空间邻近相互作用。

基于此，研究人员构建了 RNA 三维作用图谱，通过解析发现了非编码 RNA 在细胞内的拓扑结构域和反式作用规律。

研究人员并未就此止步。“我们想尝试用 RIC-seq 技术来看看启动子 RNA 和增强子 RNA 之间是否存在互作。” 薛愿超说。

基因什么时候表达、在什么组织里表达，均由增强子和启动子控制。在一个细胞里，大概有 5 万个启动子，而增强子至少有 10 万个，它们之间的对应调控关系是现代生物学研究的热点和难点。

同时，由于启动子和增强子区都可转录产生 RNA，且增强子和启动子在空间上邻近配对后才能激活转录，这使得新开发的 RIC-seq 技术能够派上用场。

令他们意外的是，研究表明，启动子 RNA 和增强子 RNA 之间确实存在相互作用。“90% 左右可以利用实验进行验证，有意思的是，我们进一步证明了增强子和启动子 RNA 之间的相互作用，这对染色质构象的形成和基因的激活很重要。” 蔡兆奎说。

这也在国际上率先证明了启动子和增强子非编码 RNA 之间的互作可用于推导其调控网络。RIC-seq 技术被认为是 RNA 结构和靶标研究方面的一个飞跃。“如果说 RNA 二级结构研究方面我们处于跟跑状态，那么这次在 RNA 高级结构和靶标研究方面，我们在国际上应该算是处在领跑位置。” 薛愿超说。

诊疗病毒新 “利器”

艾滋病病毒、埃博拉病毒、禽流感病毒等均属于 RNA 病毒，它们带来的疾病正在全球肆虐，威胁人类健康。

薛愿超指出，利用 RIC-seq 技术能够在病毒侵入人体细胞的过程中解析病毒 RNA 的结构和靶标，这将有助于理解 RNA 病毒的致病机制。同时，根据解析的结构，还可设计出更为有效的小干扰 RNA 来切割病毒，达到治疗的效果。

此外，利用 RIC-seq 技术还可系统分析重大疾病相关突变对 RNA 高级结构和作用靶标的影响，这将有望揭示非编码区突变的致病机理，并为临床诊断和治疗奠定基础。

不过，新技术应用仍面临诸多挑战。薛愿超表示，把 RIC-seq 技术得到的 RNA 空间位置信息转变为可视化的 RNA 高级结构是当前最大的挑战。

“解决这一问题，需要与计算模拟和算法开发的专业团队合作。当然，我们自己也在做各种尝试，希望近几年会有成果。” 薛愿超说。

下一步，他们希望从 RNA 结构和相互作用的角度入手，探究非编码区的疾病相关突变的致病机理，并对 RNA 拓扑结构域的功能机制等 RIC-seq 技术引出的科学问题进行探索。

原始出处：

Cai， Z.， Cao， C.， Ji， L. et al. RIC-seq for global in situ profiling of RNA–RNA spatial interactions. Nature (2020). https：//doi.org/10.1038/s41586-020-2249-1.