陈雪梅：RNA——生物技术的前沿
2024-07-16 08:58:46
生命现象依赖于三大关键分子，即脱氧核糖核酸(DNA)、核糖核酸（RNA)和蛋白质。信使RNA在三者中承上启下，承担着将DNA中的生命密码传递给执行生命过程的蛋白质的重要任务。作为“DNA—RNA—蛋白”这一中心法则的中心分子，RNA自然具备影响生命活动的功能，也就意味着人类可以通过操控RNA产生推动医药及农业发展的新技术。
在2023青年科学家50²论坛上，美国科学院院士、北京大学生命科学学院院长陈雪梅给大家分享了核糖核酸（RNA）在生物医药以及绿色农业方面的应用。
包括人类在内的真核生物以DNA作为遗传物质，DNA存在于染色体中，染色体存在于细胞核中。DNA是非常长的双螺旋结构，两条链由碱基对连在一起的。DNA的化学结构非常简单，只有四个碱基，排列组合成生命的密码。可惜的是，生命的密码不是一成不变的。在细胞分裂、DNA复制的过程中，有可能发生错误。另外，细胞如果受到了外界的刺激，比如很强的紫外照射，也可能造成碱基的突变。这些突变积累下来，积累到足够多，就有可能造成细胞的癌变。是不是有了基因编辑，我们就可以随意改变、修复DNA的错误，来治疗疾病呢？这一方面的前景非常广阔，但目前困难也是很大的。首先，把DNA编辑器非常精准地递送到癌症细胞上是不容易的；另外，基因编辑虽然比较精准，但也不是100%的精准，只要有百万分之一的错误写入了DNA，就是永久的错误，存在一定的风险。所以我们一定要开发其他的生物技术，不能把所有鸡蛋放在一个篮子里。今天，我想与大家分享的生物技术是基于明星分子RNA的。DNA上承载了遗传密码，遗传密码是编码蛋白质的，蛋白质是执行生命过程的主要大分子。DNA不直接产生蛋白质，需要有一个中间物质来传递遗传信息，这就是核糖核酸RNA。RNA是传递遗传信息的，所以也叫信使RNA或mRNA。从RNA在分子生物学中心法则的中心位置来看，如果DNA上面发生了错误，RNA上也会发生错误，最后导致蛋白发生错误。我们如果改变了RNA，也可能绕过DNA的错误而改变蛋白质。所以RNA在生物、医疗及农业上有广泛的应用前景。一方面可以通过体外加入RNA，产生我们想要的蛋白，也就是把RNA作为一种药注入体内。另外一方面，可以通过手段来改变内源RNA，通过操控内源RNA产生我们想要的蛋白，即RNA可以作为药的靶点。RNA作为药物的典型例子就是RNA疫苗。产生疫苗主要有三种方法：用灭活的病原体；使用只触发免疫反应的蛋白；利用遗传物质。mRNA疫苗是利用遗传物质产生抗体。以新冠疫苗为例，我们知道编码新冠疫苗表面SPIKE蛋白的遗传序列后，就可以体外合成RNA，并包裹在脂质体中注入人体，脂质体中脂类的分子与细胞膜上的脂类分子融合，就可以把RNA注入细胞中。RNA进入到细胞后，可以借导细胞翻译产生很多SPIKE蛋白，从而产生抗体。
相对于灭活疫苗，mRNA疫苗有很多的优点。它比较快捷、简单，因为测序、体外合成RNA都比较容易。另外，mRNA进入到细胞后，可以多次被用来翻译成蛋白，因此可以产生很多蛋白，有放大效应。它的劣势在于，RNA不是很稳定，最早的一批RNA疫苗是要在-80℃保存，后来通过一些稳定的措施，可以在-20℃保存，但这方面还是需要更多地研发。mRNA疫苗的应用并不局限于新冠病毒疫苗，理论上来说，只要我们知道病原体表面抗原的序列，都可以产生mRNA疫苗。另外，mRNA疫苗也不局限于抵抗病菌，也可以用mRNA疫苗治愈人类的各种疾病。
以癌症疫苗为例。癌症细胞积累了很多的突变，相对于正常的组织来说，这些癌症细胞的表面就可能产生一些新的蛋白质，这些新的蛋白质就有可能是抗原，来激发免疫细胞的免疫性。为了要产生癌细胞疫苗，我们把癌症组织和正常组织进行DNA测序和RNA测序，通过大数据比对，找到在癌细胞表面有可能的蛋白，再去看这些蛋白免疫原性。针对这些免疫原性比较高的蛋白，就可以快速地产生出mRNA疫苗。
在此与大家分享一个带来希望的研究。该项研究产生了个性化的、针对胰腺癌的mRNA疫苗。在这项研究中，研究者通过对手术出来的胰腺癌组织和病人正常组织进行DNA和RNA测序，比对找到胰腺癌表面细胞有可能的抗原，并针对抗原产生mRNA疫苗。因为不同病人胰腺癌表面抗原可能是不一样的，经过比对后，可以很快地产生个性化的、针对每个病人的疫苗。从手术开始到第一针疫苗打入病人体内，只花了9个星期。在这项研究中，有8位患者对疫苗没有反应，十几个月后去世了；有8位患者对疫苗反应很好，经过18个月的观察，还没有达到死亡的中位数。所以癌症疫苗对今后癌症的治疗还是非常有希望的。
以反义寡核苷酸来干预内源RNA的方法为例。反义寡核苷酸是一个小核苷酸，它与我们想靶向的RNA是互补的、反义的，通过靶向RNA来改变这个RNA的剪切。有一种疾病叫脊髓性肌萎缩，患病儿童只能生活在轮椅上。科学家通过研究疾病的分子机理，发现患者缺失了SMN1基因，无法编码蛋白。人类体内有与SMN1相近的基因SMN2，由于RNA剪切的问题，SMN2产生的蛋白不稳定且很少，不能取代SMN1。科学家就设计了一个反义寡核苷酸来改变它的剪切，使得SMN2 RNA能够产生稳定的蛋白，从而治愈疾病。反义寡核苷酸药每几个月注入患者体内后，他们就可以完全正常地生活了。作为一名科学家，从基础理论研究，到最后研发出一款治病救人的药，是非常有成就的。
现在很多药物都是靶向蛋白的，实际上这些小分子药也可以用来靶向RNA，这个领域也会是未来一个很大的发展方向。人类基因组中有不到2%的序列是编码蛋白的，但是有超过70%的序列是可以编码RNA的。这些编码蛋白和不编码蛋白的RNA都可以成为小分子的靶点，从而通过改变RNA来改变生命活动。举例来说，同样是一款治疗脊髓性肌萎缩的药，它是一个靶向SMN2 RNA的小分子。既然有了反义寡核苷酸药，为什么还要开发RNA的小分子药呢？原因是相对于核苷酸药，小分子药可以跨过细胞膜，所以这款药可以口服，而反义寡核苷酸药需要注射到脊髓中，不是很方便。RNA是一个长链，由核糖和磷酸形成骨架。信使RNA比较长，至少长于200个碱基。小RNA比较短，只有几十个碱基。小RNA可以通过碱基对与mRNA互补，来调控靶基因的mRNA。小RNA有一个比较好的序列特异性，可以操控内源的RNA。
小RNA本身不编码蛋白，但是可以调节编码蛋白质的RNA，这是所谓的中心法则。第一步基因要变成RNA，才能产生蛋白，这个过程叫转录。转录过程中可能有调控，并不是所有基因都产生同样量的RNA。在RNA水平也是有调控的，比如可以有一些RNA结合蛋白，使得这个量并不是很多的RNA最后产生很多的蛋白。小RNA也是这样的，小RNA在转录后调控mRNA，让这个mRNA的量下降或者阻止它的翻译，从而抑制基因的表达。小RNA可以说是RNA世界中的暗物质。mRNA是20世纪五六十年代被发现的，小RNA约50年后才被人们认识到。它的发现是通过植物学家和动物学家的协同努力。20世纪八九十年代，植物学家想要把牵牛花的颜色变深，就往牵牛花里加了一个原本已有的产生色素的基因，希望通过增加拷贝数来加深牵牛花的颜色。结果事与愿违，反而使花变成白色了。也就是说，加进去的基因造成了内源与它序列相似基因的沉默。其中的分子机理是后来在线虫中发现的。科学家们发现在线虫中注射长链的双链RNA，可以让与它同源的mRNA降解。后来一名植物学家David Baulcombe在研究RNAi机制方面做了一个突破性的发现，他发现了小RNA。他发现长链的双链RNA首先要被剪切成小RNA，小RNA装载到AGO效应蛋白中，把AGO带到小RNA互补的转录RNA上，然后把这个RNA剪切，就造成了RNA的降解。由此可知，小RNA有非常强大的调控内源RNA表达丰度的作用。并不是只有外源的RNA才能产生小RNA，实际上内源有很多小RNA，我们就是用这些小RNA来调控生命过程。2001年，有三个课题组分别在线虫、人类、果蝇中发现了大量的小RNA。这项发现被Science杂志评为当年第二大重要的科学发现。我和其他两个课题组在2002年也发现了大量植物中的小RNA。既然小RNA有这么强大的调控基因表达的效果，就可以利用小RNA进行医疗及农业上的应用。第一个小RNA药物获批是在2018年，它是治疗外周神经疾病的。外周神经疾病是由TTR蛋白突变造成的，TTR蛋白突变后特别容易形成纤维状的聚集，这些纤维状聚集沉淀在外周神经系统及心脏造成疾病。小RNA通过抑制基因表达，可以缓解疾病。截至2022年底，已经有5款小RNA药被FDA获批。这些药都是靶向肝脏的，也就是说我们还需要开发其他的技术，能够让RNA药可以靶向其他器官。在农业方面，小RNA在20世纪80年代拯救了夏威夷的木瓜产业。20世纪70年代，有80%的木瓜受到木瓜环斑病毒的感染，夏威夷木瓜产业基本上要被摧毁。后来科学家们发现，如果把木瓜环斑病毒中的一段序列放到植物中，这些转基因木瓜可以抵抗病毒。因为植物体内的一种酶可以把转入的RNA变成双链RNA，随后又被剪切成小RNA，装载到AGO里面，去攻击入侵病毒的RNA。所以小RNA实际上是拯救了木瓜产业。在医疗上，RNA也有相当大的应用场景。虽然目前RNA药的数目还不是很多，但自1998年第一款RNA药面市以来，发展不断加速。据估计到2030年，RNA药产值可能会超过1000亿美元。在医疗领域，发展RNA技术还是非常需要理论研究和底层技术的开发。我们需要知道RNA怎样才能在体内稳定、更高地表达，怎么样把RNA送到不同的器官，还需要一些技术操控RNA，这也需要多学科交叉。
