本刊記者 劉 佳

在蒙特利爾大學——結(jié)緣RNA生命起源學說

楊靜華最早師從于著名的分子進化學家、蒙特利爾大學Bob Cedergren教授，從事催化核糖核酸（ribozyme）結(jié)構(gòu)和功能的研究。1988年在Cedergren教授的推薦下認識了著名諾貝爾獎得主、哈佛大學Walter Gilbert教授，第一次了解到RNA生命起源學說并開始研究生命的編碼過程。

楊靜華介紹說，R N A生命起源學說的代表作是分子生物學先驅(qū)James Watson的專著The RNA World，其主要論點描述了從甲烷、碳、氫、氧、氮等還原性無機世界，過渡到含有生命組成單元核糖核苷、氨基酸等的原始有機世界，最后形成具有自身復制特征的雙鏈RNA世界，完成了生命的最早編碼過程。作為RNA生命起源的關(guān)鍵證據(jù)，是RNA可以完成自身復制所必須的催化功能。楊靜華在Cedergren教授的指導下，完全用化學合成的方法制造了具有生物催化功能的RNA以及RNA/DNA的混合多聚物，發(fā)表了多篇重要論文，在此基礎(chǔ)上提出了脫氧核糖酶或nucleozyme的概念并獲得一系列美國專利（US5652094/6140491/6713456），完善了RNA生命起源學說。

在博士研究期間，楊靜華積極組織和宣傳近代史上中國同行在tRNA化學合成方面對人類進化領(lǐng)域的卓越貢獻。20世紀六七十年代，中國舉全國之力完成了tRNA全化學合成，這是人類進化史上最精彩的一段歷史事實，特別是發(fā)生在西方宗教神學針對科學進化論的激烈博弈，要拿出“生命可以由無機分子化學合成”證據(jù)的時代，本來應該被西方進化學界熱捧的重大事件，但由于“文化大革命”等特殊原因卻很少被西方人提起。在楊靜華的建議下，Cedergren教授特別邀請了中國遺傳泰斗談家楨夫婦訪問加拿大，由楊靜華陪同走訪了眾多分子進化領(lǐng)域同行，進行了多場次演講，向西方介紹了中國在那段特殊時期“tRNA大會戰(zhàn)”的原因和中國同行對人類進化理論的卓越貢獻，特別是毛澤東主席在遺傳學領(lǐng)域拋棄當時蘇聯(lián)李森科主義而選擇接受西方的孟德爾學說的歷史背景。

在1992年獲得加拿大醫(yī)學研究總署杰出青年獎的授獎儀式上

楊靜華相信，生命現(xiàn)象的基礎(chǔ)一定遵循熱力學定律，他相信在探索生命現(xiàn)象的邏輯基礎(chǔ)的時候，常常會發(fā)現(xiàn)生命科學中的一些無法解釋的原始問題，而這些原始問題的答案往往具有重大的理論和現(xiàn)實意義。

在哈佛醫(yī)學院——探尋RNA功能的演化

值得強調(diào)的是，人類作為現(xiàn)代生物的代表卻是以蛋白質(zhì)作為催化功能的，并沒有看到RNA的催化作用。如果RNA起源學說是對的話，在現(xiàn)代生物體系應該可以找到原始RNA的催化作用。的確，1989年科羅拉多大學Tom Cech教授和耶魯大學的Sid Altman教授，也都是鮑勃的好朋友，分別證明了tRNA和rRNA成熟過程由RNA催化，由此獲得了諾貝爾化學獎。但是問題并沒有得到滿意的回答，在生命過程中最重要的信使核糖核酸(mRNA)中，卻遲遲找不到催化RNA的蹤影。

為了回答這個問題，楊靜華在1992年拿到博士學位以后來到了哈佛醫(yī)學院Bernado Nadal-Ginard教授實驗室繼續(xù)博士后的研究。經(jīng)過深入研究以后，楊靜華提出了由核小RNA U6/U4組成的復合體在mRNA成熟過程中起著催化作用的假說并拿出了有力證據(jù)，結(jié)果以第一作者發(fā)表在《科學》雜志上（Science 263:77,1994），從而確立了RNA在人類進化早期的催化功能，為RNA生命起源學說畫上了完美的句號。

在哈佛大學——開啟RNA編輯理論研究

然而，RNA生命起源學說與現(xiàn)代生命的細胞現(xiàn)狀還是具有很大差距。盡管低等生物中確實存在大量進化初期負責編碼的雙鏈RNA，但哺乳類動物——至少人類細胞內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)雙鏈RNA的存在。這是RNA生命起源學說的一個待解之謎，也是楊靜華研究生涯中的下一個目標。

1994年，經(jīng)過激烈競爭，楊靜華來到了世界著名生物學家、哈佛大學細胞生物學系教授Tom Maniatis的實驗室做研究員(Research Associate)。Tom是分子生物學領(lǐng)域的先驅(qū)，是DNA雙螺旋發(fā)現(xiàn)者James Watson的弟子，著作有《分子克隆》，被譽為分子生物學的圣經(jīng)，國內(nèi)外分子生物學領(lǐng)域?qū)W生無人不知的工具書。來到實驗室的第一天，Tom和他的鐵搭檔——也是楊靜華的第二導師、2015年諾貝爾獎得主Richard Axel教授，甩給楊靜華一個神經(jīng)生物學中的難題，說“now it’s your problem（現(xiàn)在就是你的事了）”就離開了。

楊靜華回憶說，導師提出的問題是這樣的：人類DNA編碼谷氨酸受體和實際測到cDNA序列總是不一樣，基因編碼的是腺嘌呤，而每次測到的卻是鳥嘌呤。這個變化就像是一個開關(guān)，決定著人類谷氨酸受體的“開”或“關(guān)”。經(jīng)過仔細研究，楊靜華設計了一個巧妙的RNA鏈接方案，把可能變化的腺嘌呤標記上了同位素，通過實驗解決了這一難題。

楊靜華的研究表明，哺乳動物細胞中都存在著一種未報道過的生物活性，能夠非常有效地把雙鏈RNA中的腺嘌呤通過脫氨反應變成次黃嘌呤。這個重要結(jié)果發(fā)表在《自然》雜志上（Nature 374:77,1995）。現(xiàn)在，這個過程已經(jīng)被定義為“RNA編輯”過程（RNA editing）。很快，楊靜華克隆并測定了催化這個過程的酶，現(xiàn)在被定義為RNA編輯酶（ADAR1/2/3）?，F(xiàn)在我們知道，RNA編輯廣泛存在于真核生物細胞中，是RNA轉(zhuǎn)錄以后對基因編碼進一步調(diào)控的重要生物環(huán)節(jié)，已經(jīng)成為一個嶄新的研究領(lǐng)域。

與導師Tom Maniatis合影

天道酬勤，這個ADAR1編輯酶正是楊靜華苦苦尋找的關(guān)于RNA生命起源之謎的正確答案?，F(xiàn)在我們知道，正是由于雙鏈RNA編輯酶的存在，哺乳動物細胞雙鏈RNA中的腺嘌呤被編輯，使得雙鏈RNA結(jié)構(gòu)被拆開，形成了次黃嘌呤RNA。所以，雙鏈RNA編輯酶的發(fā)現(xiàn)解釋了為什么哺乳動物細胞中檢測不到雙鏈RNA的重大疑問。現(xiàn)代基因組學研究表明，現(xiàn)代生物包括哺乳動物等高等生物基因組中編碼了大量雙鏈RNA，是RNA起源學說中原始生命形式的“活化石”，在現(xiàn)代植物、昆蟲、病毒等高低等生物中仍然廣泛存在。所以，雙鏈RNA編輯酶的發(fā)現(xiàn)也是對RNA生命起源學說的有力支持。

在耶魯大學——揭秘雙鏈RNA和“黑色物質(zhì)”

楊靜華在雙鏈RNA編輯領(lǐng)域的研究成果進一步演化為RNA生命起源學說中的另一個難題：既然哺乳動物包括人類基因組編碼大量雙鏈RNA基因，在雙鏈RNA編輯酶的作用下轉(zhuǎn)為次黃嘌呤RNA，那么為什么現(xiàn)代哺乳動物中并沒有發(fā)現(xiàn)大量的次黃嘌呤RNA？為此，生命科學領(lǐng)域同行常常把雙鏈RNA和次黃嘌呤RNA稱為哺乳動物中的“黑色物質(zhì)”。

1998年，楊靜華從上百個申請者中得到了耶魯大學醫(yī)學院獨立研究員和Assistant Professor的職位，擁有了自己獨立的實驗室，先后獲得了美國國立衛(wèi)生院NIH RO1研究基金、NIH KO2獨立職業(yè)發(fā)展基金，以及SusuanG Koman基金會乳腺癌研究基金的支持，成為耶魯大學癌癥中心的研究員。在此期間，楊靜華領(lǐng)導的團隊針對人類雙鏈RNA進行了深入研究，發(fā)表了一系列高水平研究論文，成為“黑色物質(zhì)”研究領(lǐng)域的學術(shù)帶頭人。

楊靜華領(lǐng)導的研究團隊證明哺乳動物細胞中廣泛存在雙鏈RNA編輯酶，弄清楚了雙鏈RNA編輯酶的蛋白質(zhì)功能結(jié)構(gòu)、細胞核內(nèi)外分布、表達轉(zhuǎn)運機制以及雙鏈RNA的加工、調(diào)控和信號轉(zhuǎn)導等。值得強調(diào)的是，哺乳動物雙鏈RNA編輯酶受到外界刺激過程中出現(xiàn)急劇應激反應，特別是受到病毒感染的時候表達急劇增加，說明雙鏈RNA信號在抗病毒過程中的重要作用。

研究結(jié)果與預測的完全一致，楊靜華研究團隊進一步證實了哺乳動物細胞在感染條件下不但產(chǎn)生了大量的次黃嘌呤RNA，而且主要產(chǎn)生在編碼蛋白質(zhì)的信使RNA（mRNA）中，反而在核糖體RNA(rRNA)和核內(nèi)小RNA(snoRNA)很少存在。次黃嘌呤RNA聚集在細胞核中轉(zhuǎn)錄活躍的核小體區(qū)域。這個結(jié)果又一次證實雙鏈RNA確實表達了，但是被定量地轉(zhuǎn)換成次黃嘌呤RNA了。

楊靜華進一步解釋說，從RNA生命起源學說的角度上來講，低等生物和高等生物在進化過程中對原始雙鏈RNA的遺傳功能做了不同的選擇。很多低等生物，特別是病毒仍然以雙鏈RNA作為遺傳物質(zhì)或成為DNA復制的中間體。相反，在哺乳動物細胞中，人類雙鏈RNA的遺傳功能已經(jīng)完全被DNA取代，而且雙鏈RNA的表達被雙鏈RNA編輯酶嚴格控制，正常情況下檢測不到雙鏈RNA的表達?，F(xiàn)在我們找到，正是利用這個差別，哺乳動物細胞通過識別雙鏈RNA來感知是否被低等生物侵犯。

楊靜華感慨地說，經(jīng)過進化選擇，作為最早生命形式的雙鏈RNA變成了哺乳動物細胞遭受低等生物侵犯的危險信號，說明生命形式的多樣性和可塑性。生命可以由一種形式轉(zhuǎn)化為另外一種形式。

在波士頓大學——迎接雙鏈RNA帶來的挑戰(zhàn)

2006年，楊靜華獲得波士頓大學副教授的位置，出任VA醫(yī)學中心腫瘤外科研究室和臨床蛋白質(zhì)組實驗室主任。同時，在探索生命編碼秘密的道路上，他也面臨更嚴峻的挑戰(zhàn)。

楊靜華在雙鏈RNA方面的研究成果給生命科學帶來了進一步的挑戰(zhàn)。首先，為什么在人類基因組和轉(zhuǎn)錄組研究中并沒有發(fā)現(xiàn)次黃嘌呤—RNA對應cDNA信息？其次，為什么人類蛋白組中并沒有由次黃嘌呤RNA帶來的非基因編碼氨基酸序列？

每當理論與現(xiàn)實產(chǎn)生分歧的時候，往往意味著存在新突破的機會。

2016年楊靜華在波士頓大學的研究團隊參加會議時與Azadzoi教授（左4）合影

楊靜華說，既然人類轉(zhuǎn)錄組中沒有發(fā)現(xiàn)大量的次黃嘌呤信使RNA，說明人們在認識基因組（DNA）到轉(zhuǎn)錄組（cDNA)的過程中存在漏洞。在現(xiàn)代生物技術(shù)中，DNA序列可以直接分析，但是RNA的序列必須經(jīng)過反轉(zhuǎn)錄成cDNA再經(jīng)過測序的。也就是說，人們并沒有直接測定過真正轉(zhuǎn)錄出來的RNA，當然也沒有測定過次黃嘌呤RNA的序列。

在波士頓大學期間，楊靜華領(lǐng)導的團隊發(fā)現(xiàn)，反轉(zhuǎn)錄酶在通常情況下并不能有效地識別RNA中的次黃嘌呤。經(jīng)過測量，正常情況下反轉(zhuǎn)錄酶通過次黃嘌呤的效率下降3個數(shù)量級。所以當RNA序列中含有多個次黃嘌呤的時候，反轉(zhuǎn)錄全長RNA的幾率幾乎忽略不計。所以，這就解釋了為什么現(xiàn)代測序技術(shù)不能正確地反映次黃嘌呤RNA的存在。為了徹底回答揭示哺乳動物中的“黑色物質(zhì)”，楊靜華解釋道，必須找到或人為制造一種可以識別次黃嘌呤的反轉(zhuǎn)錄酶突變體，這樣就能直接研究人類體內(nèi)這些看不見的遺傳物質(zhì)了。

對人類進化來講，雙鏈RNA已經(jīng)進化成為人類必須時時刻刻應對的危險信號。楊靜華解釋說，低等生物特別是病毒仍然依賴原始的雙鏈RNA作為它們賴以生存的生命特征，人類早已經(jīng)把雙鏈RNA作為病毒侵犯的直接證據(jù)，通常當作治病相關(guān)分子特征（pathogen associated molecular pattern, PAMP）。

根據(jù)這個特征，楊靜華提出了一種廣譜抗病毒理念并設計了一種抵抗病毒感染的“雙鏈RNA依賴型自殺多肽”(dsRNA-dependent caspase recruiter, dsCARE)。這個dsCARE對各式各樣的病毒感染，包括類薩斯病毒、禽流感病毒，口蹄疫病毒，甚至是死亡率極高的埃博拉病毒都有百分之百的抵抗作用，特別適用于預防那些突發(fā)性、高變異性和新型未知病毒感染（FASEB 25:1767, 2011；JVI 87:5384,2013;SciRep 6:22550, 2015）。毫無疑問，針對dsCARE進一步研究，有利于廣譜抗病毒疫苗的開發(fā)，其最終產(chǎn)物特別適用于類似薩斯那樣完全未知或尚未鑒定的病毒爆發(fā)情況下，對醫(yī)務人員和高危險人群提供有效防護。

熵的“意識”——雙鏈RNA的熱力學研究

雙鏈RNA的研究為楊靜華打開了探索生命秘密的大門，更進一步演化到對人類意識形態(tài)的思考。從雙鏈RNA作為最早的生命形式，到雙鏈RNA作為人類細胞的危險信號，再到雙鏈RNA為基礎(chǔ)的廣譜抗病毒理論，真正讓楊靜華困惑的卻是現(xiàn)代人意識的形成和分子進化基礎(chǔ)。既然意識也是生命的一部分，但又不像雙鏈RNA那樣具有可觀察的物理特性。那么，現(xiàn)代人類意識的生物化學基礎(chǔ)是什么？人類細胞對雙鏈RNA原始生命體的棄舍是不是就是在分子水平的生物意識？

于是，楊靜華提出了一個針對RNA生命起源學說具有挑戰(zhàn)性的假設，即雙鏈RNA作為原始生命形式應該具備生物意識的基本元素。假設在地球早期環(huán)境的RNA時期，一團RNA可以完成自我復制形成多個RNA子代，其過程一定遵循熱力學定律。那么，這團具有生命特征的雙鏈RNA和生成它之前的化學成分相比，就是一個特殊的能量狀態(tài)E=ΔH+ΔS。雙鏈RNA的化學能量狀態(tài)ΔH應該對應于生命體的復制，雙鏈RNA的熵能ΔS應該對應于生命體形成的意識狀態(tài)。

通過對RNA生命起源的深入研究，楊靜華認為，雙鏈RNA復制過程的熵變是原始生物生存意識的基本單元。按熱力學第二定律，自發(fā)過程一定是熵增過程，說明雙鏈RNA這個生命體就具有一種復制生命的天然傾向或“生存意識”，而生存意識正是現(xiàn)代復雜生命體意識形態(tài)背后的基本元素。按照這個假設推斷，復雜生命的意識應該是整個生物體熵的集合，是各個器官、組織和細胞中的每個生物化學過程熵的集中反映和意識疊加。

和學生們合影

對于意識和熵的關(guān)系還需要進行進一步的驗證。如何設計和測定雙鏈RNA復制過程的熵變，進一步解析熵的意識屬性和疊加規(guī)則是證實復雜意識的關(guān)鍵，也是解釋人類意識的本質(zhì)和制造具有自我意識人工智能的理論基礎(chǔ)。

回國——率先提出非編碼氨基酸概念

應該指出，RNA生命起源學說揭示了生命遺傳物質(zhì)的非唯一性。特別是雙鏈RNA編輯的發(fā)現(xiàn)給生命科學帶來了一個更加嚴肅的問題，基因編碼蛋白質(zhì)的可靠性。既然基因翻譯過程中經(jīng)過了RNA編輯，那么真正人類體內(nèi)的蛋白質(zhì)與基因編碼的蛋白質(zhì)序列應該存在很大差異。加上人類體內(nèi)具有各種非標準氨基酸和蛋白質(zhì)翻譯后修飾，可以想象，真正天然蛋白質(zhì)和基因編碼蛋白質(zhì)應該存在很大差別。但是，楊靜華解釋說，由于蛋白質(zhì)測序技術(shù)的限制，人們還不能大規(guī)模地測定蛋白組的序列。事實上，基因庫所收集的蛋白質(zhì)序列基本上是對DNA序列的理論翻譯。更廣泛地說，人們并不知道基因編碼的蛋白質(zhì)序列在多大程度上反映了真實的人類蛋白質(zhì)？

為了研究真實的蛋白質(zhì)，楊靜華首先提出了“非編碼氨基酸”的概念，即把天然蛋白質(zhì)中任何與基因理論編碼不一樣的氨基酸殘基定義為非編碼氨基酸（non-coded amino acids, ncAAs）。楊靜華決心利用蛋白質(zhì)質(zhì)譜技術(shù)解開非編碼氨基酸之謎。

在導師Tom Maniatis60歲生日的師生聚會上

其實，從1995年開始，還在哈佛大學Tom Maniatis實驗室做博士后的時候，楊靜華就使用了質(zhì)譜蛋白質(zhì)測定技術(shù)并確立了RNA編輯酶的序列（PNAS 94:4354,1997）。在耶魯大學期間，他繼續(xù)關(guān)注質(zhì)譜蛋白質(zhì)測定技術(shù)并且又確定了RNA編輯酶復合物中多個蛋白質(zhì)的序列。2006年到了波士頓大學以后，楊靜華獲得了兩臺蛋白質(zhì)譜設備專項基金的支持，創(chuàng)建了臨床蛋白組實驗室并兼任主任。在廣譜抗病毒理論研究受到嚴重干擾的時侯，楊靜華毅然邁向了挑戰(zhàn)非編碼氨基酸這個嶄新的領(lǐng)域。但是由于需要大量人類疾病組織樣本，這個項目在波士頓大學進展得非常緩慢。

2012年，為了解決人類疾病樣本資源的困難，楊靜華以特聘教授并兼任山東大學癌癥研究中心主任的身份，與山東大學展開了緊密合作。在楊靜華的領(lǐng)導下，他的研究團隊攻克了一個又一個技術(shù)難關(guān)，解決了準確測定非編碼氨基酸的技術(shù)難題。結(jié)果表明，人類精子蛋白組中至少存在600多種非編碼氨基酸，分布在將近4萬個蛋白位點上，大部分從未報道過。這個結(jié)果超出了人們的想象，說明真實的蛋白質(zhì)氨基酸序列和DNA編碼的理論蛋白質(zhì)氨基酸序列存在很大差別，也說明真實蛋白質(zhì)序列的多樣性。和單核苷酸多樣性相比，蛋白質(zhì)氨基酸多樣性更直接地影響著蛋白質(zhì)的功能，更可能參與生理病理過程，更有望成為藥物靶向和疾病標記物。可以說，繼基因水平上的單核苷酸多樣性，人類蛋白組非編碼氨基酸的大規(guī)模測定技術(shù)將在蛋白質(zhì)水平上的精準醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用。

目前，在非編碼氨基酸大規(guī)模測定技術(shù)方面，楊靜華團隊已經(jīng)申請了超過20多項發(fā)明專利，其中多項已經(jīng)獲得了國際專利。

任重道遠——助力人類重大疾病的精準醫(yī)療

研究生命起源不是目的，楊靜華解釋說，揭示生命奧秘的最終目標是造福于人類健康。

2017年，鄭州大學第一附屬醫(yī)院特別邀請楊靜華成立了一個臨床系統(tǒng)生物學研究中心，目標是建立一個大規(guī)模測定人類重大疾病非編碼氨基酸的質(zhì)譜平臺和一個世界一流的人類重大疾病組織樣本庫。通過與臨床一線醫(yī)生的緊密合作，針對臨床治療中的具體問題，建立疾病相關(guān)非編碼氨基酸數(shù)據(jù)庫，開發(fā)相關(guān)精準醫(yī)療檢測技術(shù)。

楊靜華解釋說，以蛋白組氨基酸多樣性為基礎(chǔ)的蛋白檢測技術(shù)為精準醫(yī)療開辟了更準確的醫(yī)療途徑，使精準醫(yī)療從基因組水平過度到了蛋白組水平。所以，研究和開發(fā)針對人類常見和重大疾病的蛋白檢測技術(shù)，具有深遠的理論意義和更大的市場價值。楊靜華的長期目標就是建立和完善人類重大疾病相關(guān)非編碼氨基酸數(shù)據(jù)庫，在蛋白水平上揭示人類重大疾病的致病機制，開發(fā)以蛋白質(zhì)多樣性為基礎(chǔ)的精準醫(yī)療技術(shù)。

可以預見，隨著人類疾病相關(guān)非標準氨基酸數(shù)據(jù)的完善，蛋白組氨基酸多樣性將在人類重大疾病的診斷、預后、用藥、治療等方面產(chǎn)生深遠的影響，成為精準醫(yī)療的重要組成部分。所以，以蛋白組氨基酸多樣性為核心，研究和開發(fā)人類重大疾病相關(guān)的非編碼氨基酸及其蛋白檢測技術(shù)，將帶動國內(nèi)外精準醫(yī)療市場的全面發(fā)展，有望成為精準醫(yī)療領(lǐng)域具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的引領(lǐng)企業(yè)。

任重道遠，楊靜華表示要盡力早日實現(xiàn)這個目標！