當Philip Bevilacqua決定研究一個活體植物細胞中所有核糖核酸（RNA）分子的形態(tài)時，他面臨兩個問題：首先，自從中學時代起，他就沒有研究過與植物相關的生物學；其次，生物化學家傾向于檢測單個RNA分子，因為處理一個細胞內(nèi)的眾多RNA分子是個更加棘手的挑戰(zhàn)。

Bevilacqua是美國賓夕法尼亞大學帕克分校RNA化學家，他并沒有被這個難題嚇退。他知道，RNA分子是細胞生物學的重要調(diào)節(jié)器，它們的結(jié)構(gòu)可能會透露其工作機制的重要秘密。為此，他重新參加了本科生課程學習植物解剖學，同時與植物分子生物學家Sarah Assmann合作，研究一種可以大規(guī)模處理RNA的技術。

2013年11月，Bevilacqua和Assmann的團隊成為首個描述單個活體細胞中成千上萬RNA的科學團隊，并且揭示了真正意義上的野生擬南芥（又稱阿拉伯芥）各種不同的“雕塑花園”。1個月后，舊金山加州大學的一個團隊發(fā)表了一項研究酵母和人類細胞的比較研究。該團隊研究的RNA結(jié)構(gòu)數(shù)量是“史無前例”的，北卡羅來納大學教堂山分校（UNC）RNA生物學家Alain Laederach說。

過去幾年，科學家對RNA的態(tài)度已經(jīng)發(fā)生了轉(zhuǎn)變。從前，多數(shù)RNA被認為是像“軟面條”一樣的乏味物質(zhì)，其主要作用是在重要的分子——如脫氧核糖核酸（DNA）和蛋白質(zhì)——之間傳遞信息。現(xiàn)在，生物學家已經(jīng)認識到，RNA還發(fā)揮著許多其他重要的基礎功能：它們幫助蛋白合成，控制基因活動，并修飾其他RNA。此外，還有研究顯示，至少有85%的人類基因組經(jīng)歷基因轉(zhuǎn)錄后成為RNA，而事實的確如此。

紛雜的結(jié)構(gòu)

然而，一直以來卻存在一個難解的謎題，即RNA紛繁復雜的結(jié)構(gòu)。和形成可預測雙螺旋結(jié)構(gòu)的DNA不同，RNA由單纖維鏈條組成，而且會折疊成各種精妙的回路、凸起、假結(jié)以及“發(fā)卡”狀的三維結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)會以不同的形式翻轉(zhuǎn)和扭曲，它們被認為是RNA發(fā)揮作用的關鍵所在，然而對于其具體工作機制目前尚不了解?！斑@就是丟失了的了解RNA如何運轉(zhuǎn)的那塊拼圖。”生物物理學家、酵母和人類RNA研究成果領頭人Jonathan Weissman說。

過去幾年，研究人員逐漸在這一研究領域站穩(wěn)腳跟。Bevilacqua、Weissman以及其他研究人員已經(jīng)發(fā)明出各種技術，可窺探到細胞內(nèi)大量RNA的配置概況。研究人員還發(fā)現(xiàn)，當RNA在人工條件下折疊時，這些分子和自然觀察中看到的完全不同。這項工作正在幫助科學家破譯控制RNA結(jié)構(gòu)的一些密碼，相關研究或有助于了解人類基因變異和疾病，甚至是改良農(nóng)作物。

“相關研究會觸及一些最基本的問題，例如生物如何演化、這些分子機制如何影響人類外表和人體功能等?！盠aederach，“作為一名生物學家，這樣的研究讓人興奮?！?/p>

對于RNA結(jié)構(gòu)的描述是UNC生化學家KevinWeeks提出的“RNA巖石”：在進化過程中，序列或結(jié)構(gòu)發(fā)生細微改變的分子。它們包括轉(zhuǎn)移RNA和核蛋白體RNA（兩種RNA均參與蛋白質(zhì)合成）以及酶性核酸（或稱核酶）?！暗窃赗NA的世界中，這些可能都算是異常值。”Weeks說。

RNA的世界就像未被探索過的流沙地帶?！拔覀儗^大多數(shù)RNA的結(jié)構(gòu)都不了解?！奔又荽髮W爾灣分?；瘜W家Robert Spitale說。當它們從其DNA模板制備完成之后，RNA分子通常表現(xiàn)為由核苷酸組成的線性結(jié)構(gòu)。它們會迅速發(fā)生折疊，互補的核苷酸會相互結(jié)對。然后，它們會進一步扭曲成復雜的三維結(jié)構(gòu)，從而和蛋白質(zhì)以及其他RNA發(fā)生反應，并根據(jù)不同的任務改變自身的結(jié)構(gòu)形狀。

大多數(shù)探測RNA結(jié)構(gòu)的技術都在利用核苷酸的反應活性，或者利用核苷酸對一些酶的敏感性：那些結(jié)成對的RNA區(qū)域和那些維持單鏈結(jié)構(gòu)的區(qū)域會表現(xiàn)出不同反應活性。接下來，科學家會利用計算機程序輔助模擬分子的整體結(jié)構(gòu)。但是這些實驗極為艱苦費力，因為研究人員每次只能監(jiān)測一個分子的一小部分。

復雜的機理

然而，隨著RNA結(jié)構(gòu)平行分析技術（PARS）（由斯坦福大學遺傳學家Howard Chang和以色列魏茨曼科學研究學院計算生物學家Eran Segal研發(fā)）的到來，這一局面已經(jīng)在5年前發(fā)生了轉(zhuǎn)變。這種技術利用一種酶切斷單鏈條RNA，并利用另一種酶切割雙鏈RNA。研究人員分別用兩種酶處理一種RNA樣本，從而制造出兩個切斷的RNA的信息文庫；他們隨后對兩種RNA進行了測序和分析，以了解哪種核苷酸可以結(jié)對，并且即便RNA結(jié)構(gòu)發(fā)生上千種變化依然可以立即結(jié)對。

Chang和Segal首先把PARS技術用于剛剛萌芽的釀酒酵母，以了解3000多種信使RNA的結(jié)構(gòu)，這些RNA掌握著構(gòu)建蛋白質(zhì)的密碼。盡管這些RNA的結(jié)構(gòu)稀奇古怪，科學家還是發(fā)現(xiàn)了解碼RNA結(jié)構(gòu)的一個線索：編碼蛋白質(zhì)的RNA區(qū)域普遍比那些非編碼區(qū)的旁側(cè)序列擁有更多結(jié)對RNA，而且這些RNA的結(jié)構(gòu)也更加復雜。Chang表示，這樣的模式有一定合理性，因為非編碼區(qū)經(jīng)常和調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)發(fā)生相互作用，所以需要處于一個更加開放、可及的定位。

去年，緊隨這項研究之后，一項由研究生Yue Wan主導的研究聚焦了人類信使RNA。研究人員檢查了采集自一對父母與其孩子血液細胞系中2萬多個信使RNA的結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，不負責編碼蛋白質(zhì)的RNA區(qū)域約有1900個單核苷酸變異，這些RNA的結(jié)構(gòu)也發(fā)生了改變?，F(xiàn)在的問題是，這些變化是否會影響RNA的功能，或者這些變異最多只是一些背景噪音。

至少有一些證據(jù)表明這些變異很重要。今年5月，Laederach和團隊報告了非編碼區(qū)信使RNA變異和一種叫作成視網(wǎng)膜細胞瘤（或遺傳性眼癌）的罕見病存在關聯(lián)。在健康人群中，這種信使RNA會同時以3種結(jié)構(gòu)存在，但是在罹患該疾病的2名病人中，核苷酸變異迫使分子僅能以一種方式存在。Laederach認為，類似的信使RNA折疊變異即便是一種普遍的發(fā)生機制，也可能是人類一些常見特征如身高變異的根源。

然而，PARS技術也有一個主要缺陷，這種技術采用的酶很難輕易滲入細胞膜，因為科學家必須從細胞中提取RNA，而這樣做會擾亂其自然結(jié)構(gòu)。從原理上講，結(jié)對可以確保RNA反彈至它們在試管中重新折疊時的形狀。但事實上，這種技術會除去與RNA結(jié)合的蛋白質(zhì)，這一過程會嚴重改變RNA的分子結(jié)構(gòu)。

研究新出路

為了得到活體RNA結(jié)構(gòu)，很多科學家把目標轉(zhuǎn)向了硫酸二甲酯（DMS），這種化學物質(zhì)可以滲透至細胞內(nèi)部，在那里它可以和4種RNA的核苷酸中的2種——腺嘌呤和胞嘧啶——發(fā)生反應，但其前提條件是核苷酸必須處于不結(jié)對的狀態(tài)。研究人員隨后把RNA轉(zhuǎn)化為DNA，并對其進行了測序。研究發(fā)現(xiàn)，任何在DMS作用下發(fā)生改變的核苷酸都會阻止RNA轉(zhuǎn)化為DNA，因此，科學家可以事先利用DNA縮短的片段分辨沒有結(jié)對的核苷酸。

很多科學家希望可以看到更多折疊在一個細胞中的RNA，因為他們認為互作蛋白會讓細胞內(nèi)的RNA結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)。但是，Weissman和團隊的發(fā)現(xiàn)與此相反?，F(xiàn)在他們認為，這種現(xiàn)象可能是因為細胞中的信使RNA在主動生成蛋白質(zhì)——而更松散的分子對于細胞的蛋白合成機制來說更易于獲得。

然而，DMS方法也有缺陷，該方法僅能揭示出可以結(jié)對的2種核苷酸。為了獲得細胞內(nèi)每個RNA分子的結(jié)對信息，Chang和Spitale采用了一種叫作SHAPE的結(jié)構(gòu)探測技術。該技術可以讓他們推斷小鼠胚胎干細胞中的19000多種RNA分子結(jié)構(gòu)，相關研究成果于今年年初發(fā)表。研究人員表示，對信使RNA進行常見的化學改性，就可以解開這種分子的結(jié)構(gòu)特征。他們還探測到一些獨特的結(jié)構(gòu)“簽名”——這些特征可預測蛋白質(zhì)在哪里與RNA結(jié)合，從而控制RNA的形狀。

一些研究人員已經(jīng)開始采用這種技術。Assmann和Bevilacqua正在利用大米探測RNA的結(jié)構(gòu)，并計劃用其他重要農(nóng)作物開展同樣的實驗。他們希望可以找到操控RNA形狀的方法，從而提高作物耐受性和產(chǎn)量。

與此同時，Rouskin正試圖研究果蠅的RNA，以便進一步了解這些分子結(jié)構(gòu)如何影響胚胎發(fā)育?！艾F(xiàn)在，我們終于有了一種研究工具?！彼f，“我們也終于可以就以前那些甚至不敢想象的問題發(fā)問了。”