DNA vs.RNA：生命的信息流到底誰說了算？

編者按：

在很多人看來，生命體的遺傳信息流，由DNA流向RNA，再通過翻譯，流向蛋白質。中心法則中，RNA的地位有些尷尬，既不是遺傳信息的儲存者，又不是生命活動的主要執行者，似乎就是一個兩頭跑的打工仔，在DNA和蛋白質面前卻要矮上三分。實際上，RNA很可能是一位隱藏很深的大Boss，沒有它，DNA的政令不出細胞核，甚至不出染色質。本專欄由復旦大學教授於文強組織策劃，邀請了國內外表觀遺傳學領域工作者共同完成。了解表觀遺傳領域近年的發展概況以及解釋我們日常有意思的生命現象是我們開設此專欄的初衷。

撰文 | 段洪超（北京大學化學與分子工程學院博士生）

責編 | 葉水送

英國著名生物學家弗朗西斯·克里克提出中心法則的時候，一定想不到他的後輩們在上面玩出這麼多新花樣。絕大部分生命體會把遺傳信息儲存在DNA中，遺傳信息通過轉錄流向RNA，再通過翻譯流向蛋白質，蛋白質是生命活動的主要執行者。在RNA病毒中，遺傳信息又會有RNA到DNA和RNA到RNA兩個流向，不過這並不是生命歷史發展的主要進程。

隨著一代代生物學家的不懈努力，人們發現遺傳信息的流動還被一些額外的化學修飾所操控，比如DNA的甲基化、羥甲基化，組蛋白的甲基化、乙醯化等等，這些修飾導致在DNA序列沒發生改變的情況下，基因的表達卻改變了，這就是所謂的表觀遺傳修飾。

我們可能隱隱約約地有種感覺，就是在原版的中心法則中，RNA的地位有些尷尬，它既不是遺傳信息的儲存者，又不是生命活動的主要執行者，似乎就是一個兩頭跑的打工仔，雖然沒它不行，可在DNA和蛋白質面前卻要矮上三分。實際上，RNA很可能是一位隱藏很深的大Boss，它的工作出了一點偏差，分分鐘就讓DNA政令不出細胞核——甚至政令不出染色質。

事情是這樣的。外面世界太險惡，生命體必須演化出一套複雜的表達調控機制，涉及DNA、RNA和蛋白質各個層面。把它類比到一個生活化的場景中，針對DNA的轉錄調控就如同種糧食，這是一個最基本的環節，但是由轉錄得到的產物就好比剛從地里收穫的莊稼，還需要經過嚴格的質控，精細的加工，高效的分銷，變成大米麵粉，或者饅頭麵包才能進入各家各戶，這就類似於RNA轉錄後調控的作用。外部環境的變化通常是快速而劇烈的，DNA水平的轉錄調控往往反應不夠迅速，或者在精細程度上相對缺失，這就需要RNA水平的轉錄後調控出來獨當一面。

由此產生的結果便是，同樣的轉錄水平，產生了不同數量的蛋白質，甚至同樣的基因序列，製造出不同序列的蛋白質。RNA的可變剪接、轉運出核、降解以及翻譯水平調節，這些複雜的轉錄後調控過程，精準操縱著遺傳信息的流動，使生命體從容應對千變萬化的外部環境。

RNA修飾：穿上馬甲，你還認得我么？

與DNA相同，RNA也把最基本的遺傳信息承載於四種鹼基上——只不過是胸腺嘧啶T換成了尿嘧啶U——那它是如何完成了DNA無法做到的任務呢，一部分是通過各種或長或短的非編碼RNA來起作用，但更主要的是通過豐富的RNA修飾來完成。——事實上，很多非編碼RNA上的修飾也極大地影響了它們的功能。修飾就好比穿馬甲，穿上馬甲之後你就換了一個角色，隔壁的那個蛋白質就不認得你了。DNA的馬甲就比較少，在絕大部分高等生物的DNA上，除卻5-甲基胞嘧啶（5mC）和5-羥甲基胞嘧啶（5hmC），其它的修飾極少見。RNA的任務比較多，所以RNA就有好多馬甲。迄今為止，人們在RNA上已經發現了一百多種不同的修飾，而且其中很多修飾在進化上都十分保守。試想一下，你我都有一件十幾億年前就存在於地球上的馬甲，也是件令人激動的事情。

穿上馬甲的RNA是怎樣扮演不同角色的呢？由於生命活動的主要執行者是蛋白質，馬甲也主要是通過影響特定的結合蛋白來完成的。這些結合蛋白大致可分為兩類，一類是識別特定RNA修飾的蛋白，這叫做「非你不可」型的，另一類是識別特定的RNA結構——RNA會通過鹼基間的氫鍵和π-π相互作用修飾形成高度複雜有序的結構，而RNA修飾會導致這種結構的改變——這叫做「愛屋及烏」型的。這樣，同一位點不同程度的修飾便會與不同水平的結合蛋白相結合，而這些結合蛋白將會招募相應的分子機器，完成RNA的可變剪接、轉運出核、降解以及翻譯水平調節等過程。穿上了不同的馬甲，就招呼來了不同的小夥伴，而正是這些小夥伴賦予了RNA修飾真正的意義。這也就使得對RNA修飾結合蛋白的研究成為這一領域中決定性的部分。

通過RNA修飾介導的轉錄後調控，基因的表達在其序列沒有發生改變的情況下出現了差異，這使得RNA表觀遺傳學（RNA epigenetics）這一很先鋒的概念逐漸成型。有些人不太想搞大新聞，他們更傾向於接受Epitranscriptomics（表觀轉錄組學）這一溫和的說法，但不可否認的是，RNA修飾的研究正與傳統表觀遺傳學研究進行著越來越深入的互動，共同推動著生命科學領域的一場風暴。

N6-甲基腺嘌呤：最開始是因為一群胖子

2007年，不堪身體之重的歐洲人終於發表了第一個肥胖相關的SNP（單核苷酸多態性），意外的是，這個SNP並不位於諸如瘦素或者瘦素受體等早已被克隆的肥胖相關基因，而是位於名不見經傳的基因KIA1005上。這一基因隨後被命名為FTO（fat mass and obesity associated）。而對FTO分子功能的研究發現，它在體內的底物是N6-甲基腺嘌呤（m6A，這個馬甲在腺嘌呤的身上寫了個大大的M）這一mRNA上最為豐富的修飾——它可以通過氧化去甲基作用，讓RNA把穿上的馬甲脫下來。

早先人們通常認為，當RNA修飾完成時，這一條RNA的命運便就此決定了，它將沿著確定的路線發揮功能直到降解。然而現在人們知道，至少有一種RNA修飾是可逆的。這表明RNA手裡的並非拿著單程票，而是往返票，它脫下馬甲還可以行使原來的角色。無巧不成書，其實就在那一年，研究者第一次確認，哺乳動物DNA上的5-甲基胞嘧啶修飾也是可逆的，成為與這一最重要表觀遺傳學標記交相輝映的雙子星，人們對RNA修飾，特別是m6A修飾的研究熱情突然間高漲了起來。

說沒就沒的幹細胞

對RNA修飾的研究大體分為三個部分，第一是修飾酶，通常把它叫做Writer，就是向RNA引入這一修飾的傢伙；第二是脫修飾酶，就是脫馬甲的那個傢伙，通常把它叫做Eraser，它將RNA從被修飾狀態逆轉為非修飾狀態；第三是結合蛋白，通常把它叫做Reader，前邊已經講到，對RNA修飾結合蛋白的研究，是這一領域中決定性的部分，而對結合蛋白的研究，也往往能為通過RNA修飾解決具體的生物學問題，提供一個模型或範式。m6A第一個被確認的結合蛋白是YTHDF2，YTHDF2會介導其底物mRNA的降解，作為YTHDF2的底物，不含m6A修飾的mRNA會比含有這一修飾的mRNA更穩定。換句話講，m6A修飾關係到mRNA是「怎麼沒的」。通常地，基於DNA的轉錄調控只能告訴我們RNA是怎麼來的，可如果它該沒的時候還在，該在的時候卻沒了，就一定會出問題。

幹細胞分化過程就是一個這樣的例子。在胚胎幹細胞中，分化或不分化，主要靠兩類基因說了算，一類是使其保持原始態多能性的基因，另一類是使其譜系定向調控基因。兩類基因就如同天平的兩側，哪一側基因的表達量佔優，幹細胞就會傾向於哪一側的狀態。兩類基因都能抑制對方的表達，幹細胞就是通過這種方式，維持狀態的持續性和穩定性。而諸多原始態多能性保持和譜系定向調控基因的mRNA都存在m6A修飾。這使得相關基因的mRNA處在一種「說沒就沒」的狀態。在原始態多能性狀態下，讓幹細胞不分化的基因處於優勢位置，m6A修飾的缺失使這些基因mRNA的穩定性提高，賴著不走，又對譜系定向調控基因施加了持續的抑制作用，從而導致幹細胞進入一種「超原始」的狀態，阻止其分化。而在始發態多能性狀態下，讓幹細胞分化的基因表達開始上升，m6A修飾的缺失使這些基因mRNA的穩定性提高，最終導致幹細胞加速分化或細胞死亡。

m6A是病毒相愛相殺的伴侶么？

不僅僅是生物內源的RNA，像RNA病毒這種外源的入侵者也存在RNA修飾。很早之前人們就已經在諸如流感病毒、肉瘤病毒這樣的RNA病毒上發現了m6A修飾。不過其對病毒本身的影響最近才逐漸為人所知，而且有一點眾說紛紜，莫衷一是的感覺。總的來說，對於HIV、流感病毒這樣的逆轉錄病毒，由於不同結合蛋白的不同功能，在其沒整合進基因組之前，m6A的存在對它們有抑制作用，但如果它已經整合進基因組，m6A就要老老實實幫病毒做事了。

對於寨卡病毒和丙肝病毒這樣的正義單鏈RNA病毒，m6A在其生命周期中起到了抑制的作用。乍看起來m6A在幫著宿主虐病毒，然而測序結果顯示，丙肝病毒的m6A修飾位點在進化中體現出較高的保守性，人家十萬八千輩兒都穿著這個馬甲。由於病毒通常會面對很強的選擇壓力，保守的m6A修飾位點似乎又暗示其在丙肝病毒生命周期中的積極作用。總而言之，m6A修飾在RNA病毒中的研究方興未艾，由於許多RNA病毒均含有m6A修飾，以此通路為靶點有望開發出可抗擊多種病毒病的藥物。

到底是妹子還是漢子？

就好比織出的布不能直接穿在身上，而要經過剪裁和縫紉才能變成衣服，由DNA直接產生的RNA半成品中，很多是不會包含在成熟RNA中的，它們要在核內由相應的機制去除，這就是RNA的剪接。而正如不同的人有著不同的體型、衣服的尺碼也會不同，RNA在不同的情況下，也會有不同的剪接方式。m6A修飾在這邊的角色，就如同裁縫手裡的一把尺子，指示了RNA剪接發生的位置。它首先被結合蛋白所識別，隨後m6A結合蛋白會繼續召喚從事RNA剪接的小夥伴，所以剪接發生的位點通常在距m6A修飾不遠的地方。

RNA的可變剪接影響了眾多生命過程，其中最膾炙人口的要數果蠅的性別決定了。果蠅的性染色體也是XY型（雄性XY，雌性XX），與和哺乳動物不同的是，哺乳動物性別看有無Y染色體，而果蠅則要看有多少X染色體，帶夠了兩條X染色體為雌果蠅，只有一條X染色體就只能是雄果蠅了。通過果蠅的繁殖實驗研究者發現，X染色體數量信號，影響了一個叫Sxl（Sex lethal）基因mRNA的可變剪接。在雌果蠅當中，Sxl基因的mRNA會被正常剪接，併產生正常的Sxl蛋白，而在雄果蠅中，Sxl基因的mRNA剪接異常，導致雄果蠅只能產生截短的Sxl蛋白。Sxl蛋白的不同會帶來一系列基因的差異表達，並最終決定雌雄果蠅的性徵。而在Sxl的mRNA前體中，可變剪接位置附近就包含了m6A修飾。當m6A修飾的Writer被移除之後（這樣可變剪接位置附近就沒有m6A了），雌果蠅中出現了像雄果蠅一樣的Sxl剪接體，而雌果蠅的存活率也大幅下降了，存活下來的雌果蠅很多也出現了雄果蠅的性徵。總結一下，如果沒有m6A修飾，好多雄果蠅就會當光棍，剩下的許多雌果蠅也長出「大鬍子」。

RNA修飾是一個內容極其豐富的研究領域，限於篇幅只能擷取極為有限的內容進行介紹。事實上許多重要的RNA修飾，比如假尿嘧啶修飾（pseudo U）和N1-甲基腺嘌呤（m1A），都有著豐富而精彩的故事值得講述，它們對生物響應外界刺激，維持自身內部穩態，都有著不可替代的作用。自上世紀六七十年代發展至今，這一領域已發展出眾多獨到的研究方法，也積累了眾多重要的科學事實。

近年來，藉由高通量測序技術的進步以及與其它學科交叉的成果，RNA修飾領域逐漸連點成線，連線成面，開始向世人展示出一副極其絢爛的科學畫卷，儘管其研究的深度在目前還不及DNA和染色質的表觀遺傳修飾，但其研究的廣度卻是後者遠不能及的，相信在不久的未來RNA在中心法則的核心位置將愈發顯現出來。該領域最新的研究結果，逐步揭示RNA修飾與流感、艾滋病、白血病、阿爾茨海默病密切的聯繫。無獨有偶，在高等植物中，RNA修飾亦影響著其胚胎髮育、開花結果，乃至於抗病、抗非生物脅迫的生命過程。這都預示著RNA修飾的研究必將深刻地影響醫療、製藥、乃至農業的發展。

表觀遺傳學專欄：

20170112生命之初，新在哪裡：我們為何生而不同

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製版編輯：葉水送丨

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