段洪超

北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京 100871

DNA vs. RNA：到底誰(shuí)說(shuō)了算

段洪超?

北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京 100871

中心法則是現(xiàn)代生物學(xué)的理論基礎(chǔ)之一。絕大部分生命體將遺傳信息儲(chǔ)存在DNA中，遺傳信息通過(guò)轉(zhuǎn)錄流向RNA，再通過(guò)翻譯流向蛋白質(zhì)。隨著研究的深入，人們逐漸認(rèn)識(shí)到RNA不只充當(dāng)了遺傳信息由DNA流向蛋白質(zhì)的橋梁，RNA層面的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控過(guò)程還對(duì)基因表達(dá)進(jìn)行了更為精準(zhǔn)高效的調(diào)節(jié)，RNA在中心法則中的核心地位越來(lái)越突出。在轉(zhuǎn)錄后調(diào)控過(guò)程中，RNA修飾起到了至關(guān)重要的作用。對(duì)RNA修飾及其修飾酶、脫修飾酶和結(jié)合蛋白的研究已成為一個(gè)引人矚目的新方向——RNA表觀遺傳學(xué)/表觀轉(zhuǎn)錄組學(xué)。N6-甲基腺嘌呤(m6A)是目前研究最為深入的RNA修飾。本文著重介紹m6A修飾對(duì)干細(xì)胞的分化過(guò)程的調(diào)控，對(duì)病毒侵染宿主和自我復(fù)制過(guò)程的影響，以及m6A在果蠅性別決定中起到的關(guān)鍵作用。RNA修飾對(duì)于其他各種生命過(guò)程的影響也在不斷地被揭示出來(lái)，預(yù)示著RNA修飾的研究必將深刻地影響醫(yī)療、制藥，乃至農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

表觀遺傳學(xué)；轉(zhuǎn)錄后調(diào)控；RNA修飾；N6-甲基腺嘌呤

英國(guó)著名生物學(xué)家弗朗西斯?克里克提出中心法則(圖1)的時(shí)候[1]，一定想不到他的后輩們?cè)谏厦嫱娉鲞@么多新花樣。絕大部分生命體會(huì)把遺傳信息儲(chǔ)存在DNA中，遺傳信息通過(guò)轉(zhuǎn)錄流向RNA，再通過(guò)翻譯流向蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的主要執(zhí)行者。在RNA病毒中遺傳信息又會(huì)有RNA到DNA和RNA到RNA兩個(gè)流向，不過(guò)這并不是生命歷史發(fā)展的主要進(jìn)程。

隨著一代代生物學(xué)家的不懈努力，人們發(fā)現(xiàn)遺傳信息的流動(dòng)還被一些額外的化學(xué)修飾所操控，比如DNA的甲基化、羥甲基化，組蛋白的甲基化、乙?；鹊?，這些修飾導(dǎo)致在DNA序列沒(méi)發(fā)生改變的情況下，基因的表達(dá)卻改變了，這就是所謂的表觀遺傳修飾。

大家可能都會(huì)隱隱地有種感覺(jué)，就是在原版的中心法則中，RNA的地位是有些尷尬的，它既不是遺傳信息的儲(chǔ)存者，又不是生命活動(dòng)的主要執(zhí)行者，似乎就是一個(gè)兩頭跑的“打工仔”，雖然沒(méi)它不行，可在DNA和蛋白質(zhì)面前卻要矮上三分。實(shí)際上，RNA很可能是一位隱藏很深的大“Boss”，它的工作出一點(diǎn)偏差，分分鐘就能讓DNA“政令”不出細(xì)胞核——甚至是“政令”不出染色質(zhì)呢。

事情是這樣的。外邊世界太險(xiǎn)惡，生命體必須演化出一套復(fù)雜的表達(dá)調(diào)控機(jī)制，涉及DNA、RNA和蛋白質(zhì)各個(gè)層面。把它類比到一個(gè)生活化的場(chǎng)景中，針對(duì)DNA的轉(zhuǎn)錄調(diào)控就如同種糧食，這是一個(gè)最基本的環(huán)節(jié)，但是由轉(zhuǎn)錄得到的產(chǎn)物就好比剛從地里收獲的莊稼，還需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的質(zhì)控、精細(xì)的加工、高效的分銷，變成大米、面粉或者饅頭、面包才能進(jìn)入各家各戶，這就類似于RNA轉(zhuǎn)錄后調(diào)控的作用。外部環(huán)境的變化通常是快速而劇烈的，DNA水平的轉(zhuǎn)錄調(diào)控往往反應(yīng)不夠迅速，或者在精細(xì)程度上相對(duì)缺失，這就需要RNA水平的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控出來(lái)獨(dú)當(dāng)一面了。

由此產(chǎn)生的結(jié)果便是，同樣的轉(zhuǎn)錄水平，卻產(chǎn)生不同數(shù)量的蛋白質(zhì)，甚至同樣的基因序列，卻制造出不同序列的蛋白質(zhì)。RNA的可變剪接、轉(zhuǎn)運(yùn)出核、降解以及翻譯水平調(diào)節(jié)，這些復(fù)雜的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控過(guò)程，精準(zhǔn)操縱著遺傳信息的流動(dòng)，使生命體從容應(yīng)對(duì)千變?nèi)f化的外部環(huán)境(圖2)。

圖1 Francis Crick和他在1970年描繪的中心法則[1](其中DNA到蛋白質(zhì)的傳遞依然只在體外實(shí)現(xiàn)過(guò))

1 RNA修飾：穿上馬甲，你還認(rèn)得我么

與DNA相同，RNA也把最基本的遺傳信息承載于四種堿基上——只不過(guò)是胸腺嘧啶T換成了尿嘧啶U——那它是如何完成DNA無(wú)法做到的任務(wù)呢？一部分是通過(guò)各種或長(zhǎng)或短的非編碼RNA來(lái)起作用，但更主要的是通過(guò)豐富的RNA修飾來(lái)完成——事實(shí)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，穿上馬甲之后你就換了一個(gè)角色，隔壁的那個(gè)蛋白質(zhì)就不認(rèn)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)，其他的修飾是極少的。RNA的任務(wù)比較多，所以RNA就有好多“馬甲”。圖3為常見的RNA修飾。迄今為止，人們?cè)赗NA上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了100多種不同的修飾，而且其中很多修飾在進(jìn)化上十分保守。想到自己有一件十幾億年前就存在于地球上的“馬甲”，也是件令人激動(dòng)的事情。

穿上“馬甲”的RNA是怎樣扮演不同角色的呢？由于生命活動(dòng)的主要執(zhí)行者是蛋白質(zhì)，“馬甲”們也主要是通過(guò)影響特定的結(jié)合蛋白來(lái)完成的。這些結(jié)合蛋白大致可分為兩類：一類是識(shí)別特定RNA修飾的蛋白，這叫做“非你不可”型；另一類是識(shí)別特定的RNA結(jié)構(gòu)——RNA會(huì)通過(guò)堿基間的氫鍵和π-π相互作用修飾形成高度復(fù)雜有序的結(jié)構(gòu)，而RNA修飾會(huì)導(dǎo)致這種結(jié)構(gòu)的改變——這叫做“愛(ài)屋及烏”型。這樣，同一位點(diǎn)不同程度的修飾便會(huì)與不同水平的結(jié)合蛋白相結(jié)合，而這些結(jié)合蛋白將會(huì)招募相應(yīng)的分子機(jī)器，完成RNA的可變剪接、轉(zhuǎn)運(yùn)出核、降解以及翻譯水平調(diào)節(jié)等過(guò)程。穿上了不同的“馬甲”，就招呼來(lái)了不同的小伙伴，而正是這些小伙伴賦予了RNA修飾真正的意義。這也就使得對(duì)RNA修飾結(jié)合蛋白的研究成為這一領(lǐng)域中決定性的部分。

圖2 RNA轉(zhuǎn)錄后調(diào)控一層層控制著遺傳信息的傳遞

圖3 常見的RNA修飾

通過(guò)RNA修飾介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控，基因的表達(dá)在其序列沒(méi)有發(fā)生改變的情況下出現(xiàn)了差異，這使得RNA表觀遺傳學(xué)(RNA epigenetics)這一很先鋒的概念逐漸成型[2]。有些人不太想搞大新聞，他們更傾向于接受表觀轉(zhuǎn)錄組學(xué)(epitranscriptomics)這一溫和的說(shuō)法，但不可否認(rèn)的是，RNA修飾的研究正與傳統(tǒng)表觀遺傳學(xué)研究進(jìn)行著越來(lái)越深入的互動(dòng)，共同推動(dòng)著生命科學(xué)領(lǐng)域的一場(chǎng)風(fēng)暴。

2 N6-甲基腺嘌呤：最開始是因?yàn)橐蝗号肿?/h2>

2007年，不堪身體之重的歐洲人終于發(fā)表了第一個(gè)肥胖相關(guān)的SNP(單核苷酸多態(tài)性)。意外的是，這個(gè)SNP并不位于諸如瘦素或者瘦素受體等早已被克隆的肥胖相關(guān)基因，而是位于名不見經(jīng)傳的基因KIA1005上。這一基因隨后被命名為FTO(fat mass and obesity associated)，而對(duì)FTO分子功能的研究發(fā)現(xiàn)，它在體內(nèi)的底物是N6-甲基腺嘌呤(m6A)這一mRNA上最為豐富的修飾[3]—— 它可以通過(guò)氧化去甲基作用，讓RNA把穿上的“馬甲”脫下來(lái)。

早先人們通常認(rèn)為，當(dāng)RNA修飾完成時(shí)，這一條RNA的命運(yùn)便就此決定了，它將沿著確定的路線發(fā)揮功能直到降解。然而現(xiàn)在人們知道，至少有一種RNA修飾是可逆的。這表明RNA手里并非拿著單程票，而是往返票——脫下馬甲還可以做原來(lái)的角色。無(wú)巧不成書，其實(shí)就在那一年，人們也才第一次確認(rèn)，哺乳動(dòng)物DNA上的5-甲基胞嘧啶修飾是可逆的，成為與這一最重要表觀遺傳學(xué)標(biāo)記交相輝映的雙子星。這使得人們對(duì)RNA修飾，特別是m6A修飾的研究熱情突然間高漲起來(lái)。

3 N6-甲基腺嘌呤：說(shuō)沒(méi)就沒(méi)的干細(xì)胞

對(duì)RNA修飾的研究大體分為三個(gè)部分：第一是修飾酶，通常把它叫做writer，就是向RNA引入這一修飾的家伙；第二是脫修飾酶，就是脫馬甲的那個(gè)家伙，通常把它叫做eraser，它將RNA從被修飾狀態(tài)逆轉(zhuǎn)為非修飾狀態(tài)；第三是結(jié)合蛋白，通常把它叫做reader，前邊已經(jīng)講到，對(duì)RNA修飾結(jié)合蛋白的研究是這一領(lǐng)域中決定性的部分，而對(duì)結(jié)合蛋白的研究，也往往能為通過(guò)RNA修飾解決具體的生物學(xué)問(wèn)題提供一個(gè)模型或范式。m6A第一個(gè)被確認(rèn)的結(jié)合蛋白是YTHDF2，YTHDF2會(huì)介導(dǎo)其底物mRNA的降解。作為YTHDF2的底物，不含m6A修飾的mRNA會(huì)比含有這一修飾的mRNA更穩(wěn)定[4]。換句話講，m6A修飾關(guān)系到mRNA是“怎么沒(méi)的”。通常地，基于DNA的轉(zhuǎn)錄調(diào)控只能告訴我們RNA是怎么來(lái)的，可如果它該沒(méi)的時(shí)候還在，該在的時(shí)候卻沒(méi)了，就一定會(huì)出問(wèn)題。

干細(xì)胞分化過(guò)程就是一個(gè)這樣的例子。對(duì)于胚胎干細(xì)胞，分化或不分化，主要靠?jī)深惢蛘f(shuō)了算，一類是使其保持原始態(tài)多能性的基因(就是使其不分化的基因)，另一類是使其譜系定向調(diào)控基因(就是使其分化的基因)。兩類基因就如同天平的兩側(cè)，哪一側(cè)基因的表達(dá)量占優(yōu)，干細(xì)胞就會(huì)傾向于哪一側(cè)的狀態(tài)。兩類基因都能抑制對(duì)方的表達(dá)，干細(xì)胞就是通過(guò)這種方式維持狀態(tài)的持續(xù)性和穩(wěn)定性，而諸多原始態(tài)多能性保持和譜系定向調(diào)控基因的mRNA都存在m6A修飾，使得相關(guān)基因的mRNA處在一種“說(shuō)沒(méi)就沒(méi)”的狀態(tài)。根據(jù)細(xì)胞來(lái)源的胚胎發(fā)育時(shí)間，胚胎干細(xì)胞可以被分為原始態(tài)多能性和始發(fā)態(tài)多能性兩種狀態(tài)(圖4)。在原始態(tài)多能性狀態(tài)下，讓干細(xì)胞不分化的基因處于優(yōu)勢(shì)位置，m6A修飾的缺失使這些基因mRNA的穩(wěn)定性提高，賴著不走，又對(duì)譜系定向調(diào)控基因施加了持續(xù)的抑制作用，從而導(dǎo)致干細(xì)胞進(jìn)入一種“超原始”的狀態(tài)，阻止其分化；而在始發(fā)態(tài)多能性狀態(tài)下，讓干細(xì)胞分化的基因表達(dá)開始上升，m6A修飾的缺失使這些基因mRNA的穩(wěn)定性提高，最終導(dǎo)致干細(xì)胞加速分化或細(xì)胞死亡(圖5)[5]。

圖4 根據(jù)細(xì)胞來(lái)源的胚胎發(fā)育時(shí)間，胚胎干細(xì)胞可以被分為原始態(tài)多能性和始發(fā)態(tài)多能性兩種狀態(tài)。這兩種狀態(tài)的細(xì)胞在發(fā)育上相互聯(lián)系，具有不同的形態(tài)、信號(hào)依賴、發(fā)育性質(zhì)、基因表達(dá)及表觀遺傳學(xué)性質(zhì)，并且在特定的條件下可以相互轉(zhuǎn)化

圖5 原始態(tài)和始發(fā)態(tài)干細(xì)胞在敲除m6A writer后的不同命運(yùn)[5]

4 N6-甲基腺嘌呤：病毒相愛(ài)相殺的伴侶么

不僅僅是生物內(nèi)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(jīng)在諸如流感病毒、肉瘤病毒這樣的RNA病毒上發(fā)現(xiàn)了m6A修飾，不過(guò)其對(duì)病毒本身的影響最近才逐漸為人所知，而且有一點(diǎn)眾說(shuō)紛紜、莫衷一是的感覺(jué)[6]?？偟膩?lái)說(shuō)，對(duì)于HIV、流感病毒這樣的逆轉(zhuǎn)錄病毒(就是會(huì)鉆到宿主基因組中的那種RNA病毒)，由于不同結(jié)合蛋白的功能不同，在其沒(méi)整合進(jìn)基因組之前，m6A的存在對(duì)它們有抑制作用，但如果它已經(jīng)整合進(jìn)基因組，m6A就要老老實(shí)實(shí)幫病毒做事了(圖6)。對(duì)于寨卡病毒和丙肝病毒這樣的正義單鏈RNA病毒(就是不必進(jìn)入宿主基因組，在細(xì)胞質(zhì)中就把宿主搞死的RNA病毒)，m6A在其生命周期中起到了抑制的作用。乍看起來(lái)，m6A在幫著宿主虐病毒，然而測(cè)序結(jié)果顯示，丙肝病毒的m6A修飾位點(diǎn)在進(jìn)化中體現(xiàn)出較高的保守性，人家十萬(wàn)八千輩兒都穿著這個(gè)“馬甲”。由于病毒通常會(huì)面對(duì)很強(qiáng)的選擇壓力，保守的m6A修飾位點(diǎn)似乎又暗示其在丙肝病毒生命周期中的積極作用?？偠灾?，m6A修飾在RNA病毒中的研究方興未艾，由于許多RNA病毒均含有m6A修飾，以此通路為靶點(diǎn)有望開發(fā)出可抗擊多種病毒病的藥物。

圖6 在逆轉(zhuǎn)錄病毒的生命周期中，m6A修飾扮演了多重角色[6]

5 N6-甲基腺嘌呤：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(jīng)過(guò)剪裁和縫紉才能變成衣服，由DNA直接產(chǎn)生的RNA半成品中，很多是不會(huì)包含在成熟RNA中的，它們要在核內(nèi)由相應(yīng)的機(jī)制去除，這就是RNA的剪接。正如不同的人有著不同的體型，衣服的尺碼也會(huì)不同，RNA在不同的情況下，也會(huì)有不同的剪接方式。m6A修飾在這邊的角色，就如同裁縫手里的一把尺子，指示了RNA剪接發(fā)生的位置。它首先被結(jié)合蛋白所識(shí)別，隨后m6A結(jié)合蛋白會(huì)繼續(xù)召喚從事RNA剪接的小伙伴，所以剪接發(fā)生的位點(diǎn)通常在距m6A修飾不遠(yuǎn)的地方。

RNA的可變剪接影響了眾多生命過(guò)程，其中最膾炙人口的要數(shù)果蠅的性別決定了(圖7)。果蠅的性染色體也是XY型(雄性XY，雌性XX)，不過(guò)和哺乳動(dòng)物不同。哺乳動(dòng)物是男是女要看有沒(méi)有Y染色體，而果蠅則要看有多少X染色體，帶夠了兩條X染色體的可以做妹子，只有一條X染色體就只能做漢子了。通過(guò)許多代果蠅的不懈交配，人們認(rèn)識(shí)到，X染色體數(shù)量信號(hào)影響了一個(gè)叫Sxl(Sex lethal)基因mRNA的可變剪接。在雌果蠅當(dāng)中，Sxl基因的mRNA會(huì)被正常剪接，并產(chǎn)生正常的Sxl蛋白，而在雄果蠅中，Sxl基因的mRNA剪接異常，導(dǎo)致雄果蠅只能產(chǎn)生截短的Sxl蛋白。Sxl蛋白的不同會(huì)帶來(lái)一系列基因的差異表達(dá)，并最終決定雌雄果蠅的性征。在Sxl的mRNA前體中，可變剪接位置附近就包含了m6A修飾。當(dāng)m6A修飾的writer被移除之后(這樣可變剪接位置附近就沒(méi)有m6A了)，雌果蠅中出現(xiàn)像雄果蠅一樣的Sxl剪接體，而雌果蠅的存活率也大幅下降，存活下來(lái)的雌果蠅很多也出現(xiàn)了雄果蠅的性征。總結(jié)一下，如果沒(méi)有m6A修飾，好多果蠅漢子就會(huì)當(dāng)光棍，剩下的許多果蠅妹子也會(huì)長(zhǎng)出大胡子[7]。

圖7 果蠅的性別由X染色體的數(shù)量決定，這一信號(hào)在其胚胎發(fā)育的起始階段被轉(zhuǎn)化為Sxl(sex lethal)基因mRNA的可變剪接。當(dāng)移除果蠅的m6A修飾writer后，雌性果蠅亦會(huì)產(chǎn)生雄性的Sxl剪接體，并導(dǎo)致雌性存活率降低，而剩下的雌性果蠅也產(chǎn)生了“性梳”(sex comb)這一典型的雄性第二性征[7]

RNA修飾是一個(gè)內(nèi)容極其豐富的研究領(lǐng)域，限于篇幅只能擷取極為有限的內(nèi)容進(jìn)行介紹。事實(shí)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(duì)生物響應(yīng)外界刺激，維持自身內(nèi)部穩(wěn)態(tài)，都有著不可替代的作用。自二十世紀(jì)六七十年代發(fā)展至今，這一領(lǐng)域已發(fā)展出眾多獨(dú)到的研究方法，也積累了眾多重要的科學(xué)事實(shí)。近年來(lái)，借由高通量測(cè)序技術(shù)的進(jìn)步以及與其他學(xué)科交叉的成果，RNA修飾領(lǐng)域逐漸連點(diǎn)成線，連線成面，開始向世人展示出一幅極其絢爛的科學(xué)畫卷。該領(lǐng)域最新的研究結(jié)果，也在逐步揭示RNA修飾與流感、艾滋病、白血病、阿爾茨海默病密切的聯(lián)系。無(wú)獨(dú)有偶，在高等植物中，RNA修飾亦影響著其胚胎發(fā)育、開花結(jié)果，乃至于抗病、抗非生物脅迫的生命過(guò)程。這都預(yù)示著RNA修飾的研究必將深刻地影響醫(yī)療、制藥，乃至農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

編者按本文選自《知識(shí)分子》微信公眾號(hào)的“表觀遺傳學(xué)”專欄文章。

(2017年1月4日收稿)

[1] CRICK F. Central dogma of molecular biology [J]. Nature, 1970, 227: 561-563.

[2] HE C. Grand challenge commentary: RNA epigenetics? [J] Nat Chem Biol, 2010, 6: 863-865.

[3] JIA G, FU Y, ZHAO X, et al. N6-methyladenosine in nuclear RNA is a major substrate of the obesity-associated FTO [J]. Nat Chem Biol, 2011, 7: 885-887.

[4] WANG X, LU Z, GOMEZ A, et al. N6-methyladenosine-dependent regulation of messenger RNA stability [J]. Nature, 2014, 505: 117–120.

[5] YUE Y, LIU J, HE C. RNA N6-methyladenosine methylation in posttranscriptional gene expression regulation [J]. Genes & Dev, 2015, 29: 1343-1355.

[6] TIRUMURU N, ZHAO B S, LU W, et al. N6-methyladenosine of HIV-1 RNA regulates viral infection and HIV-1 Gag protein expression [J]. eLife, 2016, 5: e15528.

[7] HAUSSMANN I U, BODI Z, SANCHEZ-MORAN E, et al. m6A potentiates Sxl alternative pre-mRNA splicing for robust Drosophila sex determination [J]. Nature, 2016, 540: 301-304.

(編輯：沈美芳)

DNA vs. RNA: Who has the final saying

DUAN Hongchao
College of Chemistry and Molecular Engineering, Peking University, Beijing 100871, China

“Central dogma” is the theoretical basis of modern biology. In most cases, the genetic information is encoded by DNA. It flows from DNA to RNA via transcription, and from RNA to protein via translation. With the in-depth study, people have realized that RNA is likely the core of the central dogma. It not only acts as a bridge for genetic information from DNA to protein, but also tunes genes expression in more precise and efficient manners via post-transcriptional regulation. RNA modification plays the leading role in post-transcriptional regulation. The research on all kinds of RNA modifications and their modifiers, de-modifiers and binding proteins has been one of the most attractive area in biological science, known as RNA epigenetics or epitranscriptomics. N6-methyladenosine (m6A) is the best studied RNA modification so far. This article introduces the regulatory role of m6A in stem cell pluripotency and differentiation, virus infection and self-replication, and fruit fly sex determination. Meanwhile, the role of RNA modification in the regulation of other life processes is being revealed constantly, indicating that the research of RNA modification will affect the development of medical, pharmaceutical, even agriculture.

epigenetics, post-transcriptional regulation, RNA modification, N6-methyladenosine

10.3969/j.issn.0253-9608.2017.01.004

?通信作者，E-mail: duanhc@pku.edu.cn