暗物質(Dark Matter) 比電子和光子還要小，是宇宙中無法被直接觀測的物質。2007年，美國加州理工學院的天文學教授Richard Massey等研究者利用哈勃望遠鏡首次繪制了浩瀚宇宙中暗物質的三維分布圖，并證明暗物質是恒星和星系所賴以支撐的框架。同年，美國好萊塢拍攝了電影《暗物質》，其中不乏劉燁、梅麗爾·斯特里普和艾丹·奎因等大牌影星，說明對暗物質的好奇和興趣已不僅僅局限于科學界。由此可見，被稱為21世紀初最大科學謎團的暗物質，的確實至名歸。殊不知，一群被稱為“非編碼RNA”的“暗物質”也存在于浩瀚的人類基因組中，同樣深深困惑著遺傳學家和分子生物學家?！胺蔷幋aRNA”作為基因組的暗物質，在調節(jié)機體發(fā)育、衰老和疾病等多種生命活動中都發(fā)揮著極為重要的作用。
本期“醉心科學”科普團隊將和大家一起走進生命“暗物質”的神奇世界。撰文麗萍、若通
基因組“暗物質”的發(fā)現(xiàn)歷程
DNA雙螺旋結構模型奠定了現(xiàn)代分子生物學的基礎，同時也幫助遺傳學實現(xiàn)了向分子遺傳學的歷史性跨越，而此后隨著中心法則的提出和遺傳密碼的破譯，人們已經不再滿足于單純探索基因如何調控生命進程，更想要循著造物主的軌跡，雄心勃勃地開始嘗試人工操縱基因，以實現(xiàn)健康和長壽的夢想。然而，科學家們發(fā)現(xiàn)要想徹底解開腫瘤和衰老等人類生命現(xiàn)象的謎題，首先要做的就是徹底掌握人類自身的遺傳信息。1985年，美國科學家率先提出了人類基因組計劃（Human genome project, HGP），并由美國、英國、法國、德國、日本和中國科學家最終于2003年完成，獲得了包含人體2.5萬個基因的30億個堿基對的人類基因組草圖。
DNA雙螺旋發(fā)現(xiàn)者沃森和克里克（左）；人類基因組計劃啟動前，紐約冷泉港實驗室舉行的班伯里會議（右）
人類基因組草圖的繪制完成，極大地幫助了科學家們認識疾病的基因根源，讓人們看到了攻克遺傳性疾病和腫瘤，以及實現(xiàn)健康長壽的希望。然而，在利用人類基因組草圖探索基因功能的過程中，科學家發(fā)現(xiàn)人類基因組中超過95%的區(qū)域是不編碼蛋白質的“非編碼”區(qū)域，而且隨著生物進化復雜程度的提高，基因組中“非編碼”區(qū)域所占的比例也越來越大。在人類基因組所轉錄的總RNA中，非編碼RNA（non-coding RNA， ncRNA）所占比例高達98%，無愧被稱為生命的“暗物質”。此外，隨著分子生物學和生物信息學等學科和技術的蓬勃發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)編碼生命活動信息的模式遠比“中心法則”要復雜的多。過去被認為由基因組中“垃圾序列”轉錄而成的非編碼RNA，其實廣泛參與了染色質結構變化、轉錄調節(jié)、轉錄后加工修飾、蛋白質識別，以及細胞核內外信號交流等多種細胞生理活動，是發(fā)育和衰老等生命過程的關鍵調控者。
Alexander Huttenhofer, et al. Trends in Genetics Vol.21 No.5 May 2005
近年來被研究最多的非編碼RNA是微小RNA（microRNA, 簡稱miRNA）和長鏈非編碼RNA（long non-coding RNA, 簡稱LncRNA），它們都屬于調節(jié)型非編碼RNA，在器官發(fā)育、組織修復、免疫、腫瘤以及衰老等過程中都發(fā)揮著重要的作用。miRNA是一類功能相對保守的內源性非編碼RNA，由17-25個核苷酸組成，能夠在轉錄和轉錄后水平實現(xiàn)對靶基因的表達調控，進而廣泛參與真核生物的發(fā)育、代謝、細胞凋亡、腫瘤發(fā)生及衰老等復雜的生理和病理過程。第一個被稱為lin-4的miRNA，是由miRNA領域的鼻祖Ambros教授于1993年在線蟲中發(fā)現(xiàn)的。2001年Ambros、Bartel和Tuschl領導的三個實驗室同時在《Science》雜志上報道了其在線蟲、果蠅和哺乳動物細胞中發(fā)現(xiàn)的一系列miRNA。自此，miRNA研究在全球便如火如荼地開展起來，而miRNA的發(fā)現(xiàn)也被評為2002年度Science十大科學突破之首，并于2008年榮獲具有“諾貝爾獎風向標”美譽的拉斯克獎。
2002年，microRNA的發(fā)現(xiàn)獲評Science年度十大突破之首；2008年，microRNA的發(fā)現(xiàn)和功能研究榮獲素有“諾貝爾獎風向標”之稱的拉斯克獎
相比于miRNA，目前人們對LncRNA的研究還尚未深入全面。然而， LncRNA對機體發(fā)育、衰老和疾病的調控作用已經引起越來越多研究人員的重視。LncRNA通常是指長度超過200個堿基的非編碼RNA。與miRNA相比，LncRNA既能夠抑制蛋白表達，也能夠激活基因的轉錄；也能夠像蛋白質那樣，與DNA，RNA和蛋白質等大分子發(fā)生相互作用進而發(fā)揮其調節(jié)功能。因此LncRNA對生命活動的調節(jié)作用可能更廣泛，其生物學意義也可能更加深遠。
非編碼RNA（如miRNA）的發(fā)現(xiàn)及研究的代表性事件
目前，越來越多的研究證據(jù)表明，miRNA和LncRNA等非編碼RNA都與人類重要疾病密切相關。盡管非編碼RNA研究領域已經建立了包括NONCODE（由中國科學院生物物理研究所陳潤生院士研究團隊建立）在內的多個非編碼RNA大型數(shù)據(jù)庫，但是發(fā)現(xiàn)和闡明新的非編碼RNA的功能仍然是該領域的重點和難點。正如陳潤生院士所說，目前對非編碼RNA尤其是LncRNA的研究還任重道遠，而如果對占人類基因組98%的非編碼區(qū)的認識和研究不夠，則當下提出的精準醫(yī)療所需的大數(shù)據(jù)目標就無從談起。
NONCODE數(shù)據(jù)庫
調控衰老的“暗物質”
在衰老研究領域，科學家們已經總結出衰老的九大標志性特征，包括基因組不穩(wěn)定性、端?？s短、表觀遺傳改變、蛋白穩(wěn)態(tài)失衡以及線粒體功能異常等。隨著非編碼RNA領域研究的深入，針對上述衰老的誘因，也提出了一系列miRNA和lncRNA與之一一對應，其中以miRNA對衰老進程的調控機制研究得更為明晰。
Carlos López-Otín, et al. The hallmarks of aging. Cell, 2013, 153:1194-1217.（左）; Xurde M. Caravia and Carlos López-Otín, Regulatory Roles of miRNAs in Aging. Adv Exp Med Biol. 2015; 887:213-30.（中）; Ioannis Grammatikakis, et al. Long noncoding RNAs (lncRNAs) and the molecular hallmarks of aging. Aging, 2014, 6(12):992-1009. （右）
作為最早被發(fā)現(xiàn)的miRNA，lin-4和let-7對線蟲的時序性發(fā)育發(fā)揮著重要的調控作用。不過更有趣的是，lin-4其實還能夠直接調節(jié)線蟲的衰老。2005年Slack等發(fā)現(xiàn)，突變lin-4會使線蟲的壽命顯著縮短，而過表達lin-4 則會延長線蟲的壽命，而lin-4 對線蟲壽命的調控是通過靶向轉錄因子lin-14，并經由胰島素信號通路實現(xiàn)的。此外，另一類高度保守的miRNA家族let-7也對線蟲壽命起到重要的調節(jié)作用。Shen等發(fā)現(xiàn)，當移除線蟲生殖腺后，let-7 家族的miRNA表達量都會顯著升高，同時導致線蟲壽命的延長，表明let-7家族成員是生殖腺信號調控衰老過程所必需的。進一步的研究表明，激酶pdk-1、akt-1 和轉錄因子lin-14 等都作為let-7家族成員的靶標直接參與了線蟲衰老的調控。
Boehm M, Slack F. Science, 2005, 310 (5756):1954-1957 (左); Shen Y, Wollam J, Magner D, et al. Science, 2012, 338(6113): 1472-1476 (右)
近年的研究表明，在小鼠、非人靈長類和人類不同組織的衰老過程中，miRNA呈現(xiàn)組織特異性的差異表達，這恰恰與衰老相關信號通路的組織特異性作用相符，說明miRNA 也能夠特異性調控哺乳動物細胞的衰老。核膜核纖層蛋白A （LaminA）的基因突變會導致兒童早衰癥 (Hutchinson-gilford progeria syndrome, HGPS)。兒童早衰癥（Zmpste24-/-）小鼠的壽命表現(xiàn)為顯著縮短。Niedernhofer等在兒童早衰癥小鼠的肝臟、腎臟和肌肉組織中發(fā)現(xiàn)，miR-1 的表達量顯著升高。miR-1可以調控IGF1 基因表達，最終經由胰島素信號通路實現(xiàn)對小鼠壽命的調控。
Marino G, Ugalde A P, Fernandez A F, et al. Proc Natl Acad Sci USA, 2010, 107(37): 16268-16273
Khanna 等的研究發(fā)現(xiàn)，在熱量（飲食）限制條件下，小鼠腦組織中miR-30、miR-34a和miR-181a 的表達量會降低，引起其靶基因BCL2表達上調，進而抑制細胞凋亡，延長小鼠神經元的壽命。
Khanna A, Muthusamy S, Liang R, et al. Aging (Albany NY). 2011 Mar;3(3):223-36.
在人類大腦的衰老過程中，miRNA 同樣發(fā)揮著重要的作用。Persengiev 等發(fā)現(xiàn)了一些在人類、黑猩猩和恒河猴大腦皮質及小腦組織衰老過程中表達上調的miRNA，而miR-144 則在上述三種物種腦組織的衰老過程中均表達上調。進一步研究發(fā)現(xiàn)，miR-144可靶向Ataxin-1 (脊髓小腦共濟失調1型相關基因)，從而阻止衰老伴隨的脊髓小腦共濟失調和多聚谷氨酰胺疾病的發(fā)生。
Persengiev, S., et al. (2011). Neurobiology of Aging 32(12).
2012年，人們發(fā)現(xiàn)miR-124 突變體線蟲色素沉積顯著增多，氧自由基生產速率加快，從而導致衰老進程加快，壽命縮短。2013年，Boon等研究發(fā)現(xiàn)，在小鼠心臟衰老的過程中miR-34a的表達量升高，敲除miR-34a可以減少衰老過程中的心肌細胞的死亡率，促進急性心肌梗死細胞的存活，并減少梗死后心肌細胞的纖維化。對于骨骼肌而言，衰老過程通常伴隨著肌肉干細胞（衛(wèi)星細胞）的數(shù)目減少或功能障礙。2015年，中國醫(yī)學科學院的朱大海教授發(fā)現(xiàn)miR-431能夠通過微調Pax7水平而調節(jié)衛(wèi)星細胞的異質性，從而增強成肌分化，加速肌肉再生。對于衰老相關的代謝改變，國家衛(wèi)計委老年醫(yī)學研究所的黎健教授近期闡明了miR-152在調節(jié)肝糖原生成中的潛在作用，并闡明肝臟miR-291b-3p可促進小鼠肝脂肪生成和脂質積累，為miRNA調節(jié)脂代謝紊亂和氧化應激提供了重要的佐證。此外中科院動物研究所的周琪院士和中科院遺傳發(fā)育研究所的王秀杰研究員等發(fā)現(xiàn)miRNA區(qū)段（Dlk1-Dio3）反饋調節(jié)對于維持干細胞的多能性至關重要。他們也發(fā)現(xiàn)，miRNA可以調控RNA的m6A甲基化水平，進而調節(jié)干細胞的重編程。這些研究均為闡釋miRNA的表達調控，及其建立與（干）細胞衰老之間的聯(lián)系提供新的證據(jù)和思路。
Lei Liu, et al. J Biol Chem. 2010 Jun 18; 285(25): 19483–19490 (左)；Tong Chen, et al. 2015, 5 March 6(3):289–301（右）
在“暗物質”中尋找光明？
近年來，非編碼RNA眾多的生物學功能正被一一揭示，那么這些基因組中的“暗物質”是否可以作為防治衰老相關疾病的靶標呢？
非編碼RNA可能成為延緩衰老和防治老年疾病的關鍵靶標（插圖：竹一賢）
越來越多的證據(jù)表明，miRNA可能在腫瘤、心血管疾病、糖尿病及神經退行等老年性疾病的發(fā)生發(fā)展過程中起到關鍵的調控作用。據(jù)Thomson Reuters Integrity的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，目前已有超過210個miRNA藥物正處在不同階段的研發(fā)過程中。這不僅涉及到病毒性肝炎（miR-122拮抗劑）、自身免疫疾?。╩iR-125a拮抗劑）和代謝性疾病（miR-122拮抗劑），而且涉及到腫瘤（Let-7模擬物）、糖尿?。╩iR-375）、心血管疾?。╩iR-208拮抗劑）、和神經退行性疾?。ò柎暮Ｄ习Y: miR-298 和miR-328；帕金森氏癥: miR-133b）等衰老相關疾病。與此同時，許多藥企和生物公司也紛紛涉足非編碼RNA研究領域。
2013年，美國Mirna Therapeutic公司開始推動第1個miRNA類似物-MRX34（靶向miR-34）進入臨床試驗，用于治療早期肝癌。2015年底阿斯利康公司啟動RG-125的臨床試驗，該候選藥物可通過靶向miR-103/107以用于II型糖尿病的治療。同年，miRagen公司啟動了利用MRG106和MRG201分別治療惡性造血系統(tǒng)疾病和病理性纖維化疾病的臨床試驗。此外，GSK和賽諾菲等大型藥企也在通過與Regulus公司開展成藥性合作，布局miRNA靶向藥物的研發(fā)。
更為有趣的是， 南京大學張辰宇教授近期的研究結果顯示，miRNA可能通過日常飲食攝取的方式進入人體血液和組織器官，并發(fā)揮其生物學功能。亦有其他學者從中草藥丹參和生地黃中分別鑒定出天然miRNA。我們不禁大膽試想一下，未來的生物醫(yī)學家們能否通過祖國傳統(tǒng)藥材甚至食物中的“暗物質”來實現(xiàn)人類健康長壽的夢想呢？讓我們拭目以待吧！
國際上已開展miRNA靶向藥物臨床試驗（左）；中草藥丹參，中草藥生地黃（右）
（請遵守醫(yī)囑服用任何藥物）
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