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曾以为它们毫无价值,现如今才发现它们性命攸关


编译:乌鸦少年

来源:原理(ID:principle1687)


我们通常认为,DNA脱氧核糖核酸是遗传学领域最具魅力的分子。来自DNA的遗传信息定义了一个人的外貌、性格和健康,而遵循DNA指令产生的蛋白质行使了细胞中的大部分功能。而RNA核糖核酸却常常被人忽视,即使偶尔提到RNA,它也仅仅被认为是DNA和蛋白质之间的信使,直到现在都仍是如此。


RNA是由一串被称为核苷酸的遗传字母组成的,它最为人熟知的功能是将我们DNA中的基因指令传递给核糖体——也就是细胞中制造蛋白质的机器。但是在过去十年左右的时间里,研究人员已经意识到越来越多RNA可以做的事,它们甚至还可以控制许多事情。而且,他们还意识到RNA会影响人类的健康和疾病,然而这一切都与信使这一功能完全无关。


那些不传递DNA指令来合成蛋白质的RNA被称为非编码RNA,这种RNA的数量之多与种类之丰富为它们的重要性提供了一些线索。到目前为止,研究人员已经在人类基因组中收录了25000多个带有非编码RNA指令的基因。这比数量估计在21000多个的编码蛋白质的基因还要多。


如今,那些无法在DNA和核糖体之间充当信使的RNA不再被科学家视作为毫无价值的垃圾。他们开始认识到,这些之前被忽视的分子有着自己的功能。事实证明,从开启和关闭基因,到调节最终的蛋白质产物,它们参与了基因活动的每一个步骤。在20年前,这些发现是不可想象的。


下面是其中5个非编码RNA的例子,科学家认为它们参与了人类身体中的许多活动,这当中既有好的,也有坏的。


1. lncRNA - 癌症疗法的克星


有时候,研究人员无法理解一些抗癌药物为什么会失效。例如,化疗药物阿糖胞苷通常是医生开给急性骨髓性白血病(AML)患者的第一药物,但最终对于30%到50%的AML患者,这种药物都会失效。


之前,研究人员一直试图寻找蛋白质缺陷来解释这种耐药性,却并没有对这个问题形成完整的理解。直到最近,一些证据表明,耐药性可能源于新发现的lncRNA(长链非编码RNA)。在研究lncRNA对癌症的影响时,研究人员发现当提高白血病细胞中几种lncRNA的产量时,这些细胞就会对阿糖胞苷产生抗药性。他们还发现,如果AML患者体内有两种lncRNA的含量高于正常水平,那么他们会更快地经历癌症复发。


2. microRNA - 肿瘤扩散的元凶


microRNA(微小核糖核酸)只包含20个出头的碱基,但这些看似微不足道的小东西在心脏病、关节炎和许多其他疾病中发挥着巨大作用。到目前为止,这种小分子最为确定的作用是促进癌症。


以胰腺癌这种致命的癌症为例,被确诊患有胰腺癌的病人在5年之后的存活率只有8.5%。生物学家发现,一些microRNA会引发这种致命癌症最初的攻击,并帮助肿瘤从胰腺扩散到其他器官。


microRNA是部分信使RNA(mRNA)的镜像,它们可以与更大的mRNA配对,然后将其摧毁,或者至少阻止它们的指令被翻译成蛋白质。一个microRNA或许会有数百个配对的目标,通过这种方式对许多不同的身体功能造成影响。


3. tRNA片段 - 病毒的帮凶


对于一些小孩和老年人而言,感染呼吸道合胞病毒(RSV)感觉就像是单纯的感冒一样。然而,每年都有许多5岁以下的儿童和65岁以上的老人生病因为这种病毒生病住院,甚至因此丧命。


研究人员在对感染这种病毒的细胞中的RNA进行测序后发现,与未感染RSV的细胞相比,感染了RSV的细胞中tRNA(转移RNA)的含量更高。tRNA会读取mRNA中的指令,并将合成蛋白质所需的氨基酸传递给核糖体。


在被感染的细胞中,研究人员发现了一些RNA片段,通常这些片段被认为是tRNA在完成任务后所剩余的片段。但新发现的这些片段的长度大约为30个碱基,它们是在当RSV病毒感染细胞时从tRNA上精确切割出来的。这些tRNA片段会以多种方式帮助病毒感染细胞,比如帮助病毒在细胞中进行自我复制。不仅如此,tRNA片段还可能促进人体对病毒的敏感性,从而使得更容易被感染。


4. SINE RNA - 防止病毒感染细胞


另一种RNA可能有助于防止某些病毒的感染,这种RNA与转座子有关。转座子是一类DNA序列,它能够在基因组中从一个位置跳到另一个位置。我们通常认为转座子是细胞中的寄生物,因为一些转座子是古老病毒的遗留,因此细胞总会试图将它们关闭。然而,尽管转座子最开始可能是有害的,但一些转座子事实上可能对我们很有用。


有一类被称为SINE(短散在元件)的转座子散布于整个基因组中,在人体中最为普遍的一种SINE转座子被称为Alu家族,它们在人体中的数量超过一百万个。在激活时,SINE转座子会产生自己的RNA,这些SINE RNA不携带制造蛋白质的指令,而且它们自身并不能让转座子在基因组中跳跃。因此它们的功能曾是一个谜。直到后来,病毒学家发现,一些SINE RNA或许可以保护细胞免于病毒感染。


5. piRNA - 保护大脑的屏障


对死于阿尔茨海默症的患者的尸检结果显示,他们的大脑中堆积许多的tau蛋白。研究人员通过基因工程让果蝇的神经细胞产生这种tau蛋白,结果发现,遭遇tau蛋白紊乱的果蝇会患上一种渐进性的神经疾病,这会导致运动问题并杀死神经,从而让果蝇的寿命缩短。而其中的部分原因是,一组能阻止因转座子在基因组中跳跃、干扰基因活动的守护基因组——piRNA,无法正常行使其功能。


细胞通常会通过阻止转座子产生mRNA来防止其跳跃,因为mRNA携带着制造蛋白质的指令,而正是这些蛋白质最终让转座子得以四处跳跃。如果转座子跨过细胞的防御并产生了自己的mRNA,那么piRNA将站出来与mRNA配对,摧毁这些mRNA。


当致病的tau蛋白在果蝇体内积聚时,一种反转录转座子会产生比平常更多的RNA,同时果蝇体内的piRNA也会低于正常水平。研究人员在寻找解决方案时发现,通过基因方式促进果蝇体内piRNA的产生,或者给果蝇服用一种阻止转座子跳跃的药物会减少神经细胞的死亡。


参考来源:

https://www.sciencenews.org/article/rna-molecules-crucial-roles-human-health-dise ase

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