Cell论文详解！RNA分子如何“主宰”自己的命运？
RNA:“我的命运我主宰！“
在人体大约30万亿个细胞中，DNA正在被“读取”成信使RNA（mRNA），这是DNA和蛋白之间的中间步骤，这一过程被称为转录。
科学家们对转录是如何开始的有了很好的了解：RNA聚合酶被招募到DNA分子的特定区域，并开始沿DNA链移动，边走边合成mRNA分子。但是，这个过程的一部分还不太清楚：细胞如何知道何时停止转录？
如今，在一项新的研究中，美国怀特海德生物医学研究所成员、麻省理工学院生物学教授Richard Young及其团队和麻省理工学院化学工程教授Arup K. Chakraborty及其团队发现RNA分子通过反馈回路调节它们自身的形成。RNA分子太少，细胞就会启动转录以产生更多的RNA分子。然后，在某个阈值，过多的RNA分子会导致转录停止。相关研究结果于2020年12月16日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“RNA-Mediated Feedback Control of Transcriptional Condensates”。
图片来自Cell, 2020, doi:10.1016/j.cell.2020.11.030
这一发现提供了关于成千上万种非编码RNA（ncRNA）的潜在作用的一些新见解。ncRNA不被翻译成任何蛋白，在哺乳动物中很常见，几十年来一直让科学家们感到神秘。
一个凝聚物的问题
Young实验室之前的研究工作主要集中在转录凝聚物（transcriptional condensate）上，转录凝聚物是一种小型的转录液滴，将DNA转录为RNA所需的分子聚集在一起。来自Young实验室的科学家在2018年发现了转录液滴，他们注意到它们通常在转录开始时形成，并在这个过程结束后的几秒钟或几分钟后溶解。
这些研究人员想知道，支配转录凝聚物溶解的力量是否可能与它们产生的RNA的化学性质有关---特别是它的高负电荷。如果是这样的话，这将是细胞过程通过反馈机制进行调节的最新例子---这是一种优雅、高效的系统，在细胞中用于控制红细胞产生和DNA修复等生物功能。
作为最初的测试，这些研究人员在体外开展实验来测试RNA的数量是否对转录凝聚物的形成有影响。他们发现，在细胞中观察到的生理水平范围内，低水平的RNA会促进转录液滴的形成，而高水平的RNA则会阻止它的形成。
跳出生物学的框框
考虑到这些结果，论文共同第一作者、Young实验室博士后研究员Ozgur Oksuz和Jon Henninger与论文共同第一作者、Chakraborty实验室研究生Krishna Shrinivas合作，研究了是什么物理力量在发挥作用。
Shrinivas建议团队构建一种计算模型来研究积极转录的RNA和转录蛋白形成的凝聚物之间的物理和化学相互作用。这种模型的目标不是简单地重现现有的结果，而是构建一个平台，用来测试各种情况。
Shrinivas说，“大多数人研究这类问题的方式是把分子的混合物放在试管中，摇晃它，看看会发生什么。人们可以想象这与细胞中发生的情况相差甚远。我们的想法是，‘我们能不能试着在生物学背景下研究这个问题，也就是这个失衡的复杂过程？’”
从物理学的角度研究这个问题可以让这些研究人员从传统的生物学方法中退一步来考虑。Henninger说，“作为一名生物学者，很难从现有的数据中提出新的假设和新的方法来理解事物如何运作。你可以做筛选，你可以确定可能参与一个过程的新的参与者、新的蛋白和新的RNA，但你仍然受到我们对所有这些东西如何相互作用的经典理解的限制。而当与物理学者交谈时，你所处的理论空间超出了现有数据所能提供的范围。物理学者喜欢思考在给定某些参数的情况下，某些东西会有怎样的表现。”
Henninger说，“一旦这种模型构建完成，这些研究人员可以向它提出关于细胞中可能出现的情况的问题---例如，当不同长度的RNA以不同的速度产生时，随着时间的推移，凝聚物会发生什么？然后在实验室的工作台上开展实验来跟进它。我们最终实现了模型和实验的很好融合。对我来说，这就像这种模型有助于提炼出这种类型系统的最简单特征，然后可以在细胞中做更多的预测性实验，看看它是否符合该模型。”
电荷在起作用
通过一系列的建模和实验室实验，这些研究人员能够证实他们的假设，即RNA对转录的影响是由于RNA分子的高负电荷。此外，据预测，初始低水平的RNA会增强转录蛋白形成的凝聚物（即转录凝聚物），随后较高的RNA水平会溶解这些凝聚物。鉴于电荷是由RNA的磷酸骨架携带的，因此一个给定的RNA分子的有效电荷与其长度直接成正比。
为了在活细胞中测试这一发现，这些研究人员对小鼠胚胎干细胞进行基因改造，使之产生发光的凝聚物，然后用一种化学物处理它们，以破坏转录的延伸阶段。与这种模型的预测一致的是，导致凝聚物溶解的RNA分子的不足增加了细胞中凝聚物的大小和寿命。相反，当他们对这些细胞进行基因改造使之诱导产生额外的RNA时，所产生的转录凝聚物就会溶解。Chakraborty说，“这些结果突显了理解非平衡反馈机制如何调节细胞中存在的生物分子凝聚物功能的重要性。”
这种反馈机制的确认可能有助于解答关于哺乳动物基因组的一个长期之谜：占遗传物质很大一部分的ncRNA的作用到底是什么。Young说，“虽然我们对蛋白的工作方式有很多了解，但是ncRNA有数万种，我们不知道这些分子中大多数的功能。RNA分子可以调控转录凝聚物的发现，让我们猜测许多ncRNA是否只是在局部发挥作用，以调整整个基因组的基因表达。这样，这些RNA起什么作用这个巨大的谜团就有了潜在的答案。”
这些研究人员乐观地认为，了解RNA在细胞中的这种新作用可能为多种疾病的治疗提供信息。Oksuz说，“一些疾病实际上是由单一基因的表达增加或减少引起的。我们如今知道，如果你调控RNA的水平，你对转录凝聚物有一个可预测的影响。因此，可以假设人为调高或调低疾病基因的表达，以恢复你想要的表达水平---而且可能恢复表型--以治疗疾病。”
Young补充说，对RNA行为的更深入理解可能为更广泛的治疗提供信息。在过去的10年里，已经开发出了多种成功地直接靶向RNA的药物。Young说，“RNA是一个重要的靶点。从机制上理解RNA分子如何调控基因表达，在疾病中的基因失调和靶向RNA的新治疗方法之间架起了桥梁。”
参考资料：
1.Richard A. Young et al. RNA-mediated feedback control of transcriptional condensates. Cell, 2020, doi:10.1016/j.cell.2020.11.030.
2.RNA molecules are masters of their own destiny
https://phys.org/news/2020-12-rna-molecules-masters-destiny.html