《自然—生物技術(shù)》在線發(fā)表我校活細(xì)胞RNA光遺傳學(xué)控制技術(shù)研究的突破性進展
近日，我校生物反應(yīng)器工程國家重點實驗室、光遺傳學(xué)與合成生物學(xué)交叉學(xué)科研究中心、藥學(xué)院、上海市細(xì)胞代謝光遺傳學(xué)技術(shù)前沿科學(xué)研究基地楊弋教授團隊在RNA光遺傳學(xué)控制技術(shù)研究中取得突破性進展，在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然—生物技術(shù)》（Nature Biotechnology）以長篇論文（article）形式在線發(fā)表題為“Optogenetic control of RNA function and metabolism using engineered light-switchable RNA-binding proteins” 的研究文章。
生物遺傳中心法則是指遺傳信息從DNA傳遞給RNA，再從RNA傳遞給蛋白質(zhì)，即完成遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯的過程。然而在過去的幾十年里，生命科學(xué)的舞臺一直被?DNA 和蛋白質(zhì)霸占。DNA 負(fù)責(zé)遺傳信息存儲，蛋白質(zhì)負(fù)責(zé)基因指令執(zhí)行，而?RNA只是承擔(dān)中間環(huán)節(jié)遺傳信息傳遞者的配角。隨著人類基因組信息的解析，人們發(fā)現(xiàn)只有2%的人類基因組編碼蛋白質(zhì)，更有約98%的基因組意義不明，甚至被認(rèn)為是“垃圾”DNA。隨著生命科學(xué)的不斷發(fā)展，這些看似“垃圾”的DNA卻能產(chǎn)生大量的非編碼RNA，而這些RNA發(fā)揮著至關(guān)重要的生物學(xué)功能，幾乎參與所有重要的細(xì)胞生命過程，與多種重大疾病的發(fā)生和發(fā)展密切相關(guān)。
細(xì)胞內(nèi)的RNA像蛋白質(zhì)一樣具有復(fù)雜的高級結(jié)構(gòu)與相互作用，具有特定的時間、空間分布及不同的轉(zhuǎn)錄后修飾狀態(tài)，復(fù)雜而精確地執(zhí)行豐富多彩的生物學(xué)功能。與蛋白質(zhì)研究相比，人們對細(xì)胞內(nèi)RNA時間空間分布及其功能的研究目前仍然有一定滯后，其中一個重要的原因是目前仍缺乏可以在活細(xì)胞內(nèi)對RNA分子進行實時監(jiān)測與精密控制的技術(shù)，這是深入研究RNA功能機制面臨的關(guān)鍵問題和重要技術(shù)挑戰(zhàn)，也是國際上RNA研究領(lǐng)域的前沿?zé)狳c。在RNA監(jiān)測技術(shù)研究方面，楊弋教授與朱麟勇教授組成的交叉學(xué)科聯(lián)合攻關(guān)團隊此前發(fā)展了Pepper系列高性能熒光RNA，在國際上首次實現(xiàn)了動物細(xì)胞內(nèi)不同種類RNA的標(biāo)記與無背景成像（Nature Biotechnology, 2019; Nature Chemical Biology, 2021），解決了活細(xì)胞RNA實時標(biāo)記與成像的難題。在RNA控制技術(shù)研究方面，楊弋教授團隊此前發(fā)展了系列LightOn/LightOff光控轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)，實現(xiàn)RNA生成的時間和空間精密控制（Nature Methods, 2012; Nature Communications, 2021; Cell Research, 2016; Nucleic Acids Research, 2016, 2020）。然而，活細(xì)胞RNA在轉(zhuǎn)錄后還有一系列的代謝行為，如剪接、修飾、運輸、翻譯、降解等，它們對RNA的正常生物學(xué)功能發(fā)揮同樣至關(guān)重要。因此，發(fā)展活細(xì)胞RNA轉(zhuǎn)錄后代謝精密控制技術(shù)將會極大促進人們對于RNA的復(fù)雜功能與調(diào)控機制的解析。針對這一亟需解決的技術(shù)挑戰(zhàn)，楊弋教授團隊歷經(jīng)多年辛苦耕耘，最終在活細(xì)胞RNA精密控制領(lǐng)域取得了突破性進展?；诤铣缮飳W(xué)及光遺傳學(xué)原理，他們成功構(gòu)建了系列光控RNA效應(yīng)因子，實現(xiàn)了動物細(xì)胞內(nèi)RNA生成、剪接、運輸、翻譯、降解等代謝活動的高時空分辨精密控制。
研究團隊首先基于合成生物學(xué)理性設(shè)計并結(jié)合全新的高通量篩選策略，構(gòu)建了國際上首個人工合成的光控RNA結(jié)合蛋白LicV。LicV由RNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域與LOV光敏結(jié)構(gòu)域融合構(gòu)成，分子量僅為23 kD。在黑暗條件，LicV是以單體形式存在，不能結(jié)合特定的RNA序列（RAT）；在藍光照射下，LicV形成同源二聚體并特異性識別結(jié)合RAT序列。研究團隊隨后將LicV與不同的RNA效應(yīng)結(jié)構(gòu)域融合，分別獲得光控RNA剪接因子、光控RNA定位因子、光控RNA翻譯因子以及光控RNA降解因子。他們利用這些光控RNA效應(yīng)因子實現(xiàn)了活細(xì)胞RNA剪接、運輸、翻譯、降解等轉(zhuǎn)錄后代謝的時間和空間精密控制。此外，研究團隊還將LicV與CRISPR-Cas系統(tǒng)結(jié)合起來，發(fā)展了全新的LA-CRISPR系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，含RAT序列的嵌合sgRNA可以招募光照誘導(dǎo)產(chǎn)生的LicV-VPR光控轉(zhuǎn)錄因子二聚體，從而啟動目的基因轉(zhuǎn)錄與表達。通過在sgRNA中引入多個拷貝的RAT序列，LA-CRISPR對目的基因的激活效率是前人發(fā)展系統(tǒng)的一到三個數(shù)量級。利用LA-CRISPR系統(tǒng)，研究團隊還實現(xiàn)基因位點的高亮度與可逆標(biāo)記。此外，LA-CRISPR系統(tǒng)具有很好的普適性，可應(yīng)用于多個物種來源的CRISPR-Cas系統(tǒng)。
論文第一作者為華東理工大學(xué)生物工程學(xué)院劉韌玫博士與楊菁博士，通訊作者為藥學(xué)院陳顯軍博士和楊弋博士。該前沿交叉學(xué)科研究得到了華東理工大學(xué)生物工程學(xué)院全舒教授與蔡海波教授的協(xié)助。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、上海市科委項目、上海市細(xì)胞代謝光遺傳學(xué)技術(shù)前沿科學(xué)研究基地、“111”計劃、生物反應(yīng)器工程國家重點實驗室基金、教育部基本科研業(yè)務(wù)費等經(jīng)費資助。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41587-021-01112-1
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