Science重大突破：新技術解開RNA世界的奧秘

日期：2011-08-02 08:57:43

1962年科學家們首先在水母體內發現了綠色熒光蛋白(GFP)，從那以后，這種神奇的蛋白質成為生物學功能研究的重要工具之一。在綠色熒光蛋白的幫助下，研究人員不僅能夠成像觀測基因表達和蛋白質動態，還可以檢測細胞內離子和小分子濃度、酶活性，標記細胞或分子亞群，實現復雜的動力學時空分析。這一突破性的科學成果以其在后續數十年的生命科學研究中發揮的巨大作用，而因此獲得了2008年度的諾貝爾化學獎。

近日來自美國威爾康乃爾醫學院（Weill Cornell Medical College ）的研究人員稱他們開發了一種可以跟GFP蛋白媲美的新型熒光工具，這種被命名為“Spinach”的RNA-熒光基團復合物可用于追蹤細胞內各種RNA的功能動態。這一新技術將幫助推動科學家們揭開與人類生命活動及疾病相關的RNA的神秘面紗。

“Spinach為我們提供了一個重要的研究工具，幫助了解RNA在生物學中的各種功能，”文章的資深作者、威爾康乃爾醫學院藥理學系副教授Samie Jaffrey博士說。

近年來，隨著生物學研究的飛速發展，RNA在生命活動中所行使的多種生物功能及作用機制不斷獲得深入解析。“過去科學家們認為RNA的功能僅僅是參與蛋白質生物合成，蛋白質是細胞所有生命活動的唯一物質基礎，”Samie Jaffrey說：“然而現在我們知道細胞中存在多種不同類型的RNA，其中一些RNAs并不參與蛋白質的合成，而主要是對細胞內信號傳導和基因表達起重要的調控作用。”

在過去的幾年里，RNA分類研究不斷取得突破性進展，在揭開編碼蛋白質的信使RNA(mRNA)之后，研究人員又發現了多種影響翻譯及基因表達的“非編碼”RNAs，并證實某些情況下這些RNAs可直接與蛋白質結合對其功能進行調控。然而一直以來科學家們對于這些RNAs的作用機制卻知之甚少。

鑒于GFP蛋白在細胞內蛋白質功能研究中的廣泛應用，Jaffrey研究小組提出了一個奇妙的設想：能否開發出一種具有GFP相似功能的熒光RNA復合物，用于細胞內RNAs動態研究。

在新研究中，Jaffrey研究小組的科研人員利用RNA能夠折疊形成復雜三維形狀的特性，構建了兩個新實體（entities，生物通譯）：一段顯示特異形狀的合成RNA序列，以及一個與RNA結合后發射熒光的小分子。“在這一研究中，我們面臨著兩個巨大的挑戰，”Jaffrey博士說：“第一是要獲得能夠激活小分子的RNA序列，第二則是要找到能夠進行時間控制且對細胞無毒性作用的熒光小分子。

Jaffrey等對多種分子進行了嘗試性實驗，其中大部分由于會與細胞膜上的油脂結合發射熒光或本身具有細胞毒性而無法將其用于構建理想的熒光分子。最終，研究人員發現GFP蛋白中就包含了他們一直想尋找的分子——一種熒光基團。于是研究人員根據這一熒光基團的形狀合成了一些化學分子，并在隨后構建了一條能夠銜接這些化學分子的人工RNA序列。研究人員將他們第一個成功構建的“RNA-熒光基團”復合物命名為“Spinach”。在進一步的實驗中，研究人員再度成功構建出與Spinach發射不同熒光波長的多個“RNA-熒光基團”復合物。

目前威爾康乃爾醫學院的研究人員已開始利用Spinach追蹤細胞中的非編碼RNAs。“我們實驗室長期以來致力于解析RNA運輸及移位缺陷與兒童發育性疾病之間的關系，通過Spinach，我們觀察到在細胞壓力應激反應中一種非編碼RNA發生了快速的積聚。”Jaffrey博士說：“我們希望通過Spinach能夠更深入地了解細胞中的RNA運輸機制，以及它們在疾病中的受累情況。”