非编码RNA并非 “垃圾”

引言

CRISPR技术针对RNA的研究显示，数百种非编码RNA对生物体至关重要，它们并非无用的“垃圾”。

基因中包含了制造蛋白质的指令，生物学中有一个基本信条，即遗传信息从DNA流向RNA，再流向蛋白质。然而，实际上只有2%的人类基因组负责编码蛋白质；其余98%的功能大多还是个谜。

在人类遗传学中，一个迫切需要解答的问题是：这些基因组区域究竟有什么作用——如果有的话。过去，有人甚至把这些区域称为“垃圾”。

现在，《细胞》杂志上的一项研究显示，一些非编码RNA并非无用的“垃圾”——它们具有功能，并在我们的细胞中扮演着重要角色，包括在癌症和人类发展中。

纽约大学和纽约基因组中心的研究人员利用一种针对RNA而非DNA的CRISPR技术，对整个基因组进行了搜索，发现了近800种对不同组织中多种人类细胞功能至关重要的非编码RNA。

“这项对功能性非编码RNA的调查增进了我们对人类基因组的理解，并证明了专门针对RNA的CRISPR筛选的潜力——即便是那些不编码蛋白质的RNA，”纽约大学生物学副教授、纽约大学格罗斯曼医学院神经科学和生理学副教授、纽约基因组中心核心成员以及该研究的资深作者Neville Sanjana表示。

CRISPR基因编辑技术彻底改变了生物医学研究，其应用范围从提高作物产量到通过编辑人体血细胞中的DNA来治疗血液疾病。

大多数CRISPR应用使用名为Cas9的酶在DNA层面上编辑基因。然而，一种较新的技术使用Cas13酶更精确地针对RNA，避免了对附近蛋白质编码基因和其他调控元素的干扰。

Sanjana的实验室之前展示了如何优化针对RNA而非DNA的CRISPR-Cas13平台，以筛选整个转录组，即遗传信息转录成RNA分子的过程。

许多研究已经利用测序技术来读取RNA的表达情况，但要弄清楚特定的RNA分子是否真的对细胞功能至关重要一直是个挑战。

“我们现在掌握了这项技术，但生物学上的问题依然存在：非编码基因组中哪些部分实际上是有功能的？”《细胞》研究的共同第一作者、Sanjana实验室的博士后助理Simon Müller问道。

利用CRISPR-Cas13编辑RNA并避免非目标效应，研究人员系统地分析了近6200对长非编码RNA（lncRNA）及其附近蛋白质编码基因在五种人类细胞系中的配对，包括肾脏、白血病和乳腺癌细胞。

他们使用CRISPR干扰或降低每个lncRNA的活性，观察细胞的反应——细胞是否会死亡、停止增殖，或者能够承受？——并确定lncRNA是否必需。

“有了Cas13，我们可以明确地问，‘这些转录本的功能是什么？’它们并非垃圾——我们发现它们对细胞的生长和分裂至关重要，”《细胞》研究的共同第一作者、Sanjana实验室的博士后助理Wen-Wei Liang表示。

研究人员鉴定了778种对细胞功能至关重要的lncRNA，包括一组46种普遍必需的核心lncRNA和732种特定于某些细胞类型的功能。

接着，他们将必需的lncRNA与蛋白质编码基因进行了比较。对于蛋白质编码基因，如果一个基因在五种细胞系中的一个中是必需的，那么它很可能在其他细胞系中也是必需的。相比之下，必需的lncRNA更具细胞类型特异性。

研究人员还好奇地探索了必需的lncRNA是否调控附近的蛋白质编码基因，这是一个从未对非编码RNA进行过检验的机制问题。在这里，他们发现绝大多数必需的lncRNA独立于最近的蛋白质编码基因运作。

研究小组还发现，关键的长非编码RNA（lncRNAs）能够调控细胞增殖的主要途径，这一途径在人类发育和癌症中都至关重要，它们的缺失可能会阻碍细胞的进程，甚至导致细胞死亡。

特别地，许多关键的 lncRNAs 在人类发育的早期阶段在各种组织中高度表达，而在发育后期表达量降低，这暗示了某些 lncRNAs 在发育过程中扮演着关键角色。

此外，在对约9000个肿瘤样本的分析中，研究人员发现了在特定肿瘤类型中表达发生变化的 lncRNAs，并识别出那些在肿瘤中的表达与不同癌症患者生存率好坏相关的 lncRNAs。

“这些非编码RNA可能成为癌症治疗的新生物标志物和治疗靶点，考虑到它们在不同细胞类型中的特异性表达，这为个性化医疗提供了可能的机会，”Sanjana 进一步指出。

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