RNA世界的新发现

发布时间：05年11月26日

托马斯 · 切赫编译饶新华

不久前，大多数人都还认为真正重要的核酸是DNA，RNA不过是其可以随意处理的一种拷贝。因为经常在杂志封面或电视屏幕上抛头露面的，毕竟是那种双螺旋状的DNA；而RNA(核糖核酸)只是DNA指令的拷贝，作为指导蛋白质合成的信使，它在完成其作用之后便被降解了。

RNA研究的重大进展

上世纪80年代初，我们在科罗拉多大学的研究组对发现由DNA、RNA的新功能活动起到了重要作用。与我共享1989年诺贝尔化学奖的耶鲁大学教授悉尼 · 奥尔特曼(Sidney Altman)也获得了自己的发现。我们俩都发现，RNA能折叠成各种复杂的形状并催化多种生物化学反应，而这种催化作用过去一直认为只是被称之为酶的蛋白质才具有的功能。由此看来，RNA并不仅仅是一个被动的信使，有时还是生命化学活动中的一个积极参与者。我们把这类具有催化功能的RNA命名为“核酶(ribozyme)”。

托马斯·切赫

近几年，有关RNA的研究达到了新的水平。现在很清楚，从生物学角度来说，RNA催化所起的作用比许多人所估计的要重要得多。此外，RNA还有另一个作用，它通常控制着基因的表达，而这种作用过去一直认为是属于“阻遏因子”和“转录因子”的蛋白质的功能领域。

合成蛋白质的RNA机器

核糖体是活细胞中最重要的分子“机器”之一。它将编码在mRNA(信使RNA)上的信息翻译出来，合成出在生物学上承担着大多数工作的各种特定蛋白质。在这些蛋白质中，有的可能是胰岛素或性激素之类的激素，有的直接参与了肌肉的收缩和心脏的跳动，还有些蛋白质则具有促进食物消化的作用。每个mRNA分子负责编码某种特定的蛋白质。而核糖体的功能则是非凡的，它能解码各种不同的mRNA分子。这就像放电影一样，同一台放映机能把任何一盘录像带“翻译”成电影。如果说这个放映机就是核糖体的话，那么录像带就是mRNA，而放出的电影则是蛋白质产物。

核糖体是一种很独特的催化剂，通常由3种(真核生物中是4种)RNA分子及许多蛋白质组成。近30年来，越来越多的证据表明，RNA很可能就在核糖体的催化“中心”，即活性部位，蛋白质则起着支持的作用。

在2000年，原子水平上的核糖体空间结构图终于出现，显示了由许多蛋白质支持和维系的RNA分子极为复杂的折叠形状。有一幅图表明，过去认为是由若干氨基酸链接在一起形成蛋白质(转肽酶的活性中心)的部位，实际上是由RNA组成的，附近并没有蛋白质。这项研究成果提供了核糖体确实是一种核酶，即RNA催化物的最直接证据。另外几幅图则分别显示了核糖体受抗生素抑制作用的机制、核糖体促进信使RNA和转运RNA之间相互作用的机制，以及这一完整组合的装配机制。

这项研究似乎有点深奥，但蛋白质合成毕竟是生命之必需，人类核糖体与微生物核糖体只是相似并不相同，所以，完全有可能找到只使病原微生物核糖体失活的药物。

核开关

作为生物活动之必需，基因的开启和关闭是最基本的生物学调控机制之一。当年弗朗西斯 · 雅各布(Francois Jacob)和雅克 · 莫拉德(Jacques Monod)在绘制细菌中调节一种单糖(乳糖)代谢的基因控制线路时曾一度认为，基因的阻遏因子可能就是RNA。但是不久，阻遏因子lac被分离出来，证明其不过是一种蛋白质，接着又有近百种阻遏因子得到了确认。因此，关于RNA是一种基因阻遏因子的想法被搁置了数十年。

然而，近几年，这个问题又被重新提起。有一类细菌，其构建信使RNA的RNA元件能直接感觉到小分子代谢物的浓度，并在反应中打开或关闭基因的表达。这些核开关往往折叠成能区别不同代谢物的复杂构象。现已表明，这种RNA元件对基因表达的调控有三种特殊的手段：一是导致mRNA转录的过早终止；二是阻止核糖体对mRNA的翻译；三是切断mRNA而将其破坏。最后这种调控活动涉及到直接束缚小分子代谢物的RNA单位，将RNA转换成一种能激活其内在自裂活动的形态。这种“核酶核开关”代表了一种新型的催化型RNA的生物学活动。

核糖体大亚基Starburst，位于蛋白质合成的活性部位。

RNA干扰

近几年的系列研究发现，在包括人在内的高等生物的基因表达中，双链RNA(dsRNA)是作为一种高效调节因子而出现的。以前，没有多少人关注过dsRNA。虽然动物染色体的DNA是著名的双链状，但只是用一条链作为合成RNA的模板，所以这样生成的RNA通常是单链的(由于RNA是单链状的，因此它只能通过自身的折叠而形成各种复杂形状)。过去对于dsRNA的研究，主要认为它是RNA病毒复制中的一种瞬间过渡物，一种能促使动物细胞启动抗病毒反应的中间产物，因为，双链状的RNA毕竟是“反常态的”。

但是现在我们发现，dsRNA根本就不是什么反常态的。不论是内源性的(由细胞本身基因转录生成的)dsRNA还是外源性的dsRNA，细胞均能用一种多重步骤的方法来进行处理。首先，由一种叫做“dicer”的酶把dsRNA切成20个碱基对长的片段；该片段两条链中的一条链随后被转移到mRNA一个相匹配的序列上，再由一种叫做“slicer”的酶在这个双联部位把mRNA切开；最后，切开的mRNA被迅速降解。在有些生物的细胞中，mRNA也可以不被切开降解而保留原样，但这种短RNA双联体的存在使它无法进行翻译，当然也就不能合成蛋白质产物了。

一方面，RNA干扰(RNAi)发现的证据说明，细胞中有许多小RNA(microRNA)，它们不进行蛋白质编码，而是参与其他基因表达的调控(人类基因组计划中忽视了这一证据)。这些microRNA的碱基对普遍都形成那种后来受RNAi作用的“折回”结构。

另一方面，科学家们根据RNAi现象为靶基因的失活开发出了许多行之有效的新技术。他们先是用与目标基因相匹配的序列合成出dsRNA，这种dsRNA通常被称之为siRNA(小干扰RNA)；然后把合成好的dsRNA(或能编码它的DNA)导入细胞，这一RNAi装置就能在细胞中运行并完成基因的失活作用。因此，RNAi已成为一种强有力的工具，可以用来查明在生物重要功能活动中哪些基因起了关键作用。当前，更加令人兴奋的是，这种研究工具将能使我们开发出直接针对致病基因的药物。

化学领域的核酶研究

在获得RNA世界所有这些新发现的同时，关于核酶特有功能的具体化学机制研究也在大踏步地前进。通常，化学家们都会在分子的具体原子结构的来龙去脉方面考虑所发生的化学反应，但是多年来，没有人对具有催化作用的RNA进行结构分析。RNA分子似乎不会形成适合于作X-射线衍射观测的规则结晶。这一难题的首次解决是针对一些较小的自剪切型核酶，这张核酶晶体结构图不仅显示了它那出乎人们意料之外的复杂折叠形状，而且反映出是RNA碱基用作加速化学反应的质子供体和受体。

今年，第一张分辨率良好的自接合型内含子结构图终于问世了。现在我们能够直接看到那些期望已久的催化型金属离子，它们与RNA磷酸基团结合，依次排列在复杂折叠状的RNA链上。这些位于活性部位的金属离子有助于稳定反应中点，即中和电荷反应和定向作用原子反应的“过渡态”。而今，振奋人心的部分核醣核酸酶P的晶体结构图也已公布了。因此，1989年诺贝尔化学奖成果的两个主题现在看来是在原子细节上，这将使其更好地接受机制分析的检验。