《细胞》封面重磅:我们可把RNA想得太简单了
在对人类基因组进行解读后,科学家们曾大失所望。自诩为“万物之灵”的我们,基因组中居然只有区区两万多条基因,没比不起眼的果蝇多多少。在编码DNA的序列之外,更有约98%的基因组意义不明,看似没有任何作用。为此,也有人说我们的基因组里都是“垃圾DNA”。
然而随着生命科学的不断发展,人们也逐渐意识到自己曾经的目光短浅。即便基因组中的不少序列并不编码蛋白质,但相应产生的RNA却有着自己不可或缺的功能。先前,已经有很多研究指出非编码RNA参与了大量基因的调控,控制基因的开关,缔造了各式各样的细胞。而顶尖学术期刊《细胞》杂志最近发表的一篇封面论文,则揭示了RNA的另一项重要功能——在细胞核内划分不同空间,影响DNA之间的接触,异染色质的组装,以及基因的调控。
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这项研究来自加州理工学院的Mitchell Guttman教授课题组。其官方新闻稿对该研究有个很形象的比喻:假设人类的细胞核是一个硕大无比的图书馆,两万多条基因就类似于两万多本书。就像在图书馆中,主题接近的书要放在一起那样,在细胞核里,不同的基因也需要在空间上进行整理。
但这并不是一件容易的事。如果将人类一个细胞内的DNA首尾相接,拉成一条直线,可以长达数米。而细胞核内的空间,却只有在显微镜下才能看清。这些基因要如何在狭小的空间里整理到位呢?又比如,当细胞需要调控特定基因的表达,细胞内的元件又要怎么配合到位,找到合适的基因呢?
答案可能就在RNA上。在这项研究中,科学家们开发了一种特殊的工具,能看清细胞核内的RNA。具体来说,这种工具能给不同位置的RNA打上不同的标签。事后,只要回溯这些标签,就知道RNA原本在细胞内处于什么位置。
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▲本研究的图示(图片来源:参考资料[1])
而实验结果令人惊讶。利用这一工具,科学家们发现细胞核的空间里,存在由数百条非编码RNA搭建出的一个个“人工岛”,将细胞核划分成不同的区域。这些特殊的RNA还会招募其它关键调节因子,将它们聚集到一个精准的范围内。回到前面的比方,这些RNA就好像是图书馆里的书架,将细胞核里的信息整理到位。
“这个工具改变了我们看RNA世界的方式,” Guttman教授说道,“这就像开发一种新的显微镜那样,你能够看到原来看不到的东西。发现RNA与空间组织之间的关系,只是冰山一角。未来我们将找到更多数据。”
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▲细胞核内充斥着由非编码RNA组成的“人工岛”(图片来源:参考资料[2];Credit: Courtesy of Inna-Marie Strazhnik)
研究人员们指出,理解遗传物质在空间上如何组合,是理解生命的关键一步。相应的,如果细胞核中的空间组合出现异常,就可能会引起多种疾病。未来,他们也计划对比健康细胞和疾病细胞的细胞核差异,了解它们在空间组成上是否具有不同,从而理解细胞核内的空间结构与基因表达之间的关系。
参考资料:
[1] Sofia A. Quinodoz et al., (2021), RNA promotes the formation of spatial compartments in the nucleus, Cell, DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.10.014
[2] The Vast Little Library Inside of Your Cells, Retrieved November 18, 2021, from https://www.caltech.edu/about/news/the-vast-little-library-inside-of-your-cells