當(dāng)Philip Bevilacqua決定研究一個(gè)活體植物細(xì)胞中所有核糖核酸（RNA）分子的形態(tài)時(shí)，他面臨兩個(gè)問題：首先，自從中學(xué)時(shí)代起，他就沒有研究過與植物相關(guān)的生物學(xué)；其次，生物化學(xué)家傾向于檢測(cè)單個(gè)RNA分子，因?yàn)樘幚硪粋€(gè)細(xì)胞內(nèi)的眾多RNA分子是個(gè)更加棘手的挑戰(zhàn)。

Bevilacqua是美國賓夕法尼亞大學(xué)帕克分校RNA化學(xué)家，他并沒有被這個(gè)難題嚇退。他知道，RNA分子是細(xì)胞生物學(xué)的重要調(diào)節(jié)器，它們的結(jié)構(gòu)可能會(huì)透露其工作機(jī)制的重要秘密。為此，他重新參加了本科生課程學(xué)習(xí)植物解剖學(xué)，同時(shí)與植物分子生物學(xué)家Sarah Assmann合作，研究一種可以大規(guī)模處理RNA的技術(shù)。

2013年11月，Bevilacqua和Assmann的團(tuán)隊(duì)成為首個(gè)描述單個(gè)活體細(xì)胞中成千上萬RNA的科學(xué)團(tuán)隊(duì)，并且揭示了真正意義上的野生擬南芥（又稱阿拉伯芥）各種不同的“雕塑花園”。1個(gè)月后，舊金山加州大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)發(fā)表了一項(xiàng)研究酵母和人類細(xì)胞的比較研究。該團(tuán)隊(duì)研究的RNA結(jié)構(gòu)數(shù)量是“史無前例”的，北卡羅來納大學(xué)教堂山分校（UNC）RNA生物學(xué)家Alain Laederach說。

過去幾年，科學(xué)家對(duì)RNA的態(tài)度已經(jīng)發(fā)生了轉(zhuǎn)變。從前，多數(shù)RNA被認(rèn)為是像“軟面條”一樣的乏味物質(zhì)，其主要作用是在重要的分子——如脫氧核糖核酸（DNA）和蛋白質(zhì)——之間傳遞信息?，F(xiàn)在，生物學(xué)家已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，RNA還發(fā)揮著許多其他重要的基礎(chǔ)功能：它們幫助蛋白合成，控制基因活動(dòng)，并修飾其他RNA。此外，還有研究顯示，至少有85%的人類基因組經(jīng)歷基因轉(zhuǎn)錄后成為RNA，而事實(shí)的確如此。

紛雜的結(jié)構(gòu)

然而，一直以來卻存在一個(gè)難解的謎題，即RNA紛繁復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。和形成可預(yù)測(cè)雙螺旋結(jié)構(gòu)的DNA不同，RNA由單纖維鏈條組成，而且會(huì)折疊成各種精妙的回路、凸起、假結(jié)以及“發(fā)卡”狀的三維結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)會(huì)以不同的形式翻轉(zhuǎn)和扭曲，它們被認(rèn)為是RNA發(fā)揮作用的關(guān)鍵所在，然而對(duì)于其具體工作機(jī)制目前尚不了解。“這就是丟失了的了解RNA如何運(yùn)轉(zhuǎn)的那塊拼圖?！鄙镂锢韺W(xué)家、酵母和人類RNA研究成果領(lǐng)頭人Jonathan Weissman說。

過去幾年，研究人員逐漸在這一研究領(lǐng)域站穩(wěn)腳跟。Bevilacqua、Weissman以及其他研究人員已經(jīng)發(fā)明出各種技術(shù)，可窺探到細(xì)胞內(nèi)大量RNA的配置概況。研究人員還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)RNA在人工條件下折疊時(shí)，這些分子和自然觀察中看到的完全不同。這項(xiàng)工作正在幫助科學(xué)家破譯控制RNA結(jié)構(gòu)的一些密碼，相關(guān)研究或有助于了解人類基因變異和疾病，甚至是改良農(nóng)作物。

“相關(guān)研究會(huì)觸及一些最基本的問題，例如生物如何演化、這些分子機(jī)制如何影響人類外表和人體功能等?！盠aederach，“作為一名生物學(xué)家，這樣的研究讓人興奮?！?/p>

對(duì)于RNA結(jié)構(gòu)的描述是UNC生化學(xué)家KevinWeeks提出的“RNA巖石”：在進(jìn)化過程中，序列或結(jié)構(gòu)發(fā)生細(xì)微改變的分子。它們包括轉(zhuǎn)移RNA和核蛋白體RNA（兩種RNA均參與蛋白質(zhì)合成）以及酶性核酸（或稱核酶）?！暗窃赗NA的世界中，這些可能都算是異常值。”Weeks說。

RNA的世界就像未被探索過的流沙地帶?！拔覀儗?duì)絕大多數(shù)RNA的結(jié)構(gòu)都不了解?！奔又荽髮W(xué)爾灣分?；瘜W(xué)家Robert Spitale說。當(dāng)它們從其DNA模板制備完成之后，RNA分子通常表現(xiàn)為由核苷酸組成的線性結(jié)構(gòu)。它們會(huì)迅速發(fā)生折疊，互補(bǔ)的核苷酸會(huì)相互結(jié)對(duì)。然后，它們會(huì)進(jìn)一步扭曲成復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，從而和蛋白質(zhì)以及其他RNA發(fā)生反應(yīng)，并根據(jù)不同的任務(wù)改變自身的結(jié)構(gòu)形狀。

大多數(shù)探測(cè)RNA結(jié)構(gòu)的技術(shù)都在利用核苷酸的反應(yīng)活性，或者利用核苷酸對(duì)一些酶的敏感性：那些結(jié)成對(duì)的RNA區(qū)域和那些維持單鏈結(jié)構(gòu)的區(qū)域會(huì)表現(xiàn)出不同反應(yīng)活性。接下來，科學(xué)家會(huì)利用計(jì)算機(jī)程序輔助模擬分子的整體結(jié)構(gòu)。但是這些實(shí)驗(yàn)極為艱苦費(fèi)力，因?yàn)檠芯咳藛T每次只能監(jiān)測(cè)一個(gè)分子的一小部分。

復(fù)雜的機(jī)理

然而，隨著RNA結(jié)構(gòu)平行分析技術(shù)（PARS）（由斯坦福大學(xué)遺傳學(xué)家Howard Chang和以色列魏茨曼科學(xué)研究學(xué)院計(jì)算生物學(xué)家Eran Segal研發(fā)）的到來，這一局面已經(jīng)在5年前發(fā)生了轉(zhuǎn)變。這種技術(shù)利用一種酶切斷單鏈條RNA，并利用另一種酶切割雙鏈RNA。研究人員分別用兩種酶處理一種RNA樣本，從而制造出兩個(gè)切斷的RNA的信息文庫；他們隨后對(duì)兩種RNA進(jìn)行了測(cè)序和分析，以了解哪種核苷酸可以結(jié)對(duì)，并且即便RNA結(jié)構(gòu)發(fā)生上千種變化依然可以立即結(jié)對(duì)。

Chang和Segal首先把PARS技術(shù)用于剛剛萌芽的釀酒酵母，以了解3000多種信使RNA的結(jié)構(gòu)，這些RNA掌握著構(gòu)建蛋白質(zhì)的密碼。盡管這些RNA的結(jié)構(gòu)稀奇古怪，科學(xué)家還是發(fā)現(xiàn)了解碼RNA結(jié)構(gòu)的一個(gè)線索：編碼蛋白質(zhì)的RNA區(qū)域普遍比那些非編碼區(qū)的旁側(cè)序列擁有更多結(jié)對(duì)RNA，而且這些RNA的結(jié)構(gòu)也更加復(fù)雜。Chang表示，這樣的模式有一定合理性，因?yàn)榉蔷幋a區(qū)經(jīng)常和調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)發(fā)生相互作用，所以需要處于一個(gè)更加開放、可及的定位。

去年，緊隨這項(xiàng)研究之后，一項(xiàng)由研究生Yue Wan主導(dǎo)的研究聚焦了人類信使RNA。研究人員檢查了采集自一對(duì)父母與其孩子血液細(xì)胞系中2萬多個(gè)信使RNA的結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，不負(fù)責(zé)編碼蛋白質(zhì)的RNA區(qū)域約有1900個(gè)單核苷酸變異，這些RNA的結(jié)構(gòu)也發(fā)生了改變?，F(xiàn)在的問題是，這些變化是否會(huì)影響RNA的功能，或者這些變異最多只是一些背景噪音。

至少有一些證據(jù)表明這些變異很重要。今年5月，Laederach和團(tuán)隊(duì)報(bào)告了非編碼區(qū)信使RNA變異和一種叫作成視網(wǎng)膜細(xì)胞瘤（或遺傳性眼癌）的罕見病存在關(guān)聯(lián)。在健康人群中，這種信使RNA會(huì)同時(shí)以3種結(jié)構(gòu)存在，但是在罹患該疾病的2名病人中，核苷酸變異迫使分子僅能以一種方式存在。Laederach認(rèn)為，類似的信使RNA折疊變異即便是一種普遍的發(fā)生機(jī)制，也可能是人類一些常見特征如身高變異的根源。

然而，PARS技術(shù)也有一個(gè)主要缺陷，這種技術(shù)采用的酶很難輕易滲入細(xì)胞膜，因?yàn)榭茖W(xué)家必須從細(xì)胞中提取RNA，而這樣做會(huì)擾亂其自然結(jié)構(gòu)。從原理上講，結(jié)對(duì)可以確保RNA反彈至它們?cè)谠嚬苤兄匦抡郫B時(shí)的形狀。但事實(shí)上，這種技術(shù)會(huì)除去與RNA結(jié)合的蛋白質(zhì)，這一過程會(huì)嚴(yán)重改變RNA的分子結(jié)構(gòu)。

研究新出路

為了得到活體RNA結(jié)構(gòu)，很多科學(xué)家把目標(biāo)轉(zhuǎn)向了硫酸二甲酯（DMS），這種化學(xué)物質(zhì)可以滲透至細(xì)胞內(nèi)部，在那里它可以和4種RNA的核苷酸中的2種——腺嘌呤和胞嘧啶——發(fā)生反應(yīng)，但其前提條件是核苷酸必須處于不結(jié)對(duì)的狀態(tài)。研究人員隨后把RNA轉(zhuǎn)化為DNA，并對(duì)其進(jìn)行了測(cè)序。研究發(fā)現(xiàn)，任何在DMS作用下發(fā)生改變的核苷酸都會(huì)阻止RNA轉(zhuǎn)化為DNA，因此，科學(xué)家可以事先利用DNA縮短的片段分辨沒有結(jié)對(duì)的核苷酸。

很多科學(xué)家希望可以看到更多折疊在一個(gè)細(xì)胞中的RNA，因?yàn)樗麄冋J(rèn)為互作蛋白會(huì)讓細(xì)胞內(nèi)的RNA結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)。但是，Weissman和團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)與此相反。現(xiàn)在他們認(rèn)為，這種現(xiàn)象可能是因?yàn)榧?xì)胞中的信使RNA在主動(dòng)生成蛋白質(zhì)——而更松散的分子對(duì)于細(xì)胞的蛋白合成機(jī)制來說更易于獲得。

然而，DMS方法也有缺陷，該方法僅能揭示出可以結(jié)對(duì)的2種核苷酸。為了獲得細(xì)胞內(nèi)每個(gè)RNA分子的結(jié)對(duì)信息，Chang和Spitale采用了一種叫作SHAPE的結(jié)構(gòu)探測(cè)技術(shù)。該技術(shù)可以讓他們推斷小鼠胚胎干細(xì)胞中的19000多種RNA分子結(jié)構(gòu)，相關(guān)研究成果于今年年初發(fā)表。研究人員表示，對(duì)信使RNA進(jìn)行常見的化學(xué)改性，就可以解開這種分子的結(jié)構(gòu)特征。他們還探測(cè)到一些獨(dú)特的結(jié)構(gòu)“簽名”——這些特征可預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)在哪里與RNA結(jié)合，從而控制RNA的形狀。

一些研究人員已經(jīng)開始采用這種技術(shù)。Assmann和Bevilacqua正在利用大米探測(cè)RNA的結(jié)構(gòu)，并計(jì)劃用其他重要農(nóng)作物開展同樣的實(shí)驗(yàn)。他們希望可以找到操控RNA形狀的方法，從而提高作物耐受性和產(chǎn)量。

與此同時(shí)，Rouskin正試圖研究果蠅的RNA，以便進(jìn)一步了解這些分子結(jié)構(gòu)如何影響胚胎發(fā)育?！艾F(xiàn)在，我們終于有了一種研究工具。”她說，“我們也終于可以就以前那些甚至不敢想象的問題發(fā)問了?！?/p>