小分子RNA基因表达调控和人类疾病研究的进展与思考

　　摘要
　　RNA是生物体内最重要的物质基础之一。本文在总结小分子RNA研究进展的基础上，提出小分子RNA可能参与调控真核细胞基因转录表达及生物的发育、进化、死亡的全部生命代谢过程，提出了生物中心法则的新构思。但它的科学性还有待于未来的探讨和证实。

　　RNA是生物体内最重要的物质基础之一。近年来的一系列研究表明，小分子RNA（microRNA, miRNA）实际上操纵着许多细胞的功能，它可以通过互补序列的结合反作用于DNA，从而关闭或调节基因的表达，甚至可以通过指导基因的开关来调控细胞的发育时钟^[1]。这些发现，颠覆了以往人们对于RNA只是DNA“转录信使”的认识，促使生物学家重新反思他们对细胞及进化的理解和认识。

　　目前，RNAi技术已经或正在成为基因组学研究的革命性工具，成为药物靶基因和致病基因筛选平台的有力支撑，成为基因治疗的有效手段，成为研究真核细胞基因表达调控理论的新手段！将对医学科学和人类健康，甚至对生物高科技和国民经济的发展产生深远的影响。本文在简要总结小分子RNA研究进展的基础上，对真核细胞基因表达的小分子RNA调控理论提出了一点设想，也可能不正确，但无论如何，希望能得到大家的共同探讨和批评指正。

　　（一）关于小分子RNA基因调控理论的假设

　　目前的基因调控学说，已经滞后了功能基因组学的研究和发展。功能基因组学就是要解析基因的功能和调控机制，揭示基因组依次、精确、和谐完美的时空表达和调节模式。瞎子摸象式的研究应该被最先进理论指导的探索所取代。生物工程和生物医学领域当前最重要的课题之一应该是探索最先进和最真实的基因调控理论。

　　目前对小分子RNA研究成果，我们归纳起来，主要有以下几个方面：
 Å　RNA可能为最早最原始的生命形式^[1]。
 Å　小分子RNA具有核酸酶的作用，其与蛋白质结合可以剪切mRNA的非必须序列^[4]。
 Å　小分子RNA首先在转录后水平上影响基因表达，导致同源mRNA降解^[7]。
 Å　RNAi同样也可在染色质结构水平上影响基因表达^[6，7]。
 Å　内源性的RNAi诱导物，如lin-4, 能在蛋白质合成水平上阻断基因表达^[8]。
 Å　RNAi能通过甲基化作用，调节异染色质的沉默^[9]。小分子RNA可以关闭线虫的基因。RNA干扰现象高度保守，在人类也存在^[10]。
 Å　小分子RNA参与线虫与果蝇的发育^[11]。RNA干扰帮助引导基因外遗传（epigenetics）这一奇特而普遍的遗传现象^[1]。
 Å　RNA干扰是生物基因组的“免疫系统”，能保护基因组免受有害DNA或病毒的破坏。这在植物和动物实验中已逐步得到证实^[12]。

　　在总结sRNA十大进展的基础上，如小分子RNA干涉（RNAi）不仅在染色质结构水平上影响基因的转录表达^[4]，在RNA^[4，7]和蛋白质^[8]水平上进行基因调控，RNA还具有核酶的功能。最近研究表明，RNA可能是比蛋白质更早的生命形式；在病毒研究中已知，RNA病毒中是RNA调节生命代谢活动，而DNA病毒需要依赖RNA才能起作用；对裂殖酵母的研究表明，缺失小分子RNA的突变细胞，不能在着丝粒位置形成正确的异染色质^[9]。这表明缺失小分子RNA，细胞分裂将无法正确地进行。最近还发现，RNAi可能是生物体中存在的一种普遍现象，它的显著特点是进化保守，在线虫、果蝇和哺乳动物（包括人）细胞中均有同源物，它代表了一种古老的细胞反应通路。这种最原始最保守的生命调节形式，也就是最重要的基因调控形式。

　　目前的基因调控理论不能解释许多生命现象，结合我们既往的研究工作，本课题大胆设想，提出了真核细胞小分子RNA基因调控理论的假设，即：基因组是生物遗传信息的综合，DNA是遗传信息的储存形式，蛋白质是遗传信息的表现形式，RNA是二者的联系方式和调控形式。小分子RNA参与调控基因的转录表达，控制着遗传信息的流向，也控制着RNA自身的消亡（如mRNA水平上的RNA干扰作用）。也许正是这种RNA依赖的RNA消亡，同时偶联着对新基因的启动，循环往复，参与控制着生物发育、进化和死亡的全部生命代谢过程。

　　这一假设的提出，可能不仅对探索和证实基因调控理论的客观真实性，对推动功能基因组学研究，探讨衰老与疾病的遗传学机制有参考价值，而且对探讨整个生命时钟的基因调控机制有一定的参考价值。

　　在此基础上，我们还提出了新的生物中心法则，强调了小分子RNA的主导调控作用。在RNA调控理论的基础上，重新设想新的生物中心法则成为必要（如下图）。

　　旧法则忽略了基因外遗传，即可能依赖蛋白质的遗传现象；不能完全反映基因表达的调控过程和RNA的调控作用。新法则提示，不仅遗传信息从DNA传向RNA和蛋白质，从RNA传向DNA和蛋白质，更重要的是遗传信息有可能从蛋白质传向RNA和DNA。这一点似乎可以用有些生物的生活特征和个性特征的遗传倾向来说明。生物的有些特征是从生活中获得的，可以遗传到子代中。这可能就是蛋白质到RNA或DNA的过程，很可能与基因外遗传有关，也可能存在一种依赖蛋白质的RNA聚合酶或DNA聚合酶。另外，这种遗传倾向是否与学习记忆有关也值得考虑。从图示中看到，RNA居高临下，有“八”字形两个箭头，分别指向DNA和蛋白质，这是RNA作用的体现，是RNA通过RNA依赖的RNA自身消亡，来控制着每个基因的转录表达，控制着胚胎发育和细胞分化及遗传信息流向。

　　我们还提出了基因调控过程中被抑制基因的关闭和新基因启动偶联的假设，即在小分子RNA降解同源mRNA，抑制已完成使命的基因表达或结束胚胎发育和生命时钟链上的一个环节时，同时要偶联启动新基因和开始新环节。因此，旧基因阻断和新基因启动，势必存在偶联机制。我们称之为“基因调控偶联现象”。所以，寻找小分子RNA对基因的启动方式，就显得格外突出和重要。这种在mRNA水平上的RNAi作用，很可能反馈影响基因的激活或mRNA的转录，造成新基因的启动。所以，探索小分子RNA对新基因的启动方式，应该成为我们研究的一个重要方面。

　　我们还提出了反RNA干扰（anti-RNAi）的新概念。这一假设是根据矛盾双方相对立而存在的这哲学原理提出的，有RNA干扰，就可能存在反干扰的一方，这对极其严密的基因调控机制的运行和平衡是必需的。反RNA干扰主要是针对RNAi发挥作用的Dicer和RISC两个主要层次上的抵抗作用，使Dicer不能形成小分子RNA，使RISC不能降解同源mRNA。

　　在后基因组时代，探索真核细胞基因表达调控的新机制、新理论，对推动功能基因表达与个体发育、生长代谢、衰老和疾病关系的研究，对开展生物防病、基因治疗和生物制药等都有极其重大的理论和现实意义。

　　（二）RNA调控理论对一些生命科学问题的设想和解释

　　下面将对现有理论不能解释的一些生命及病理现象试图作进一步的解释或设想。

 Å　对生物体发育过程的设想：从生物体胚胎发育到生命终止的整个时钟调节链上，小分子RNA很可能调节链上的每一个环节。旧基因被阻断，新基因被启动，新的环节又重新开始。如果小分子RNA缺失或被阻断，完成使命的基因不能被抑制，旧的过程不能结束，新的过程就不能开始，细胞生命就不可能延续。裂殖酵母缺失小分子RNA的突变细胞，细胞分裂无法正确地进行^[9]，也说明了这一点。

 Å　对肿瘤毒素和肿瘤转移的设想：可能存在这样一个机制，即小分子RNA的调节正处于生命时钟链上某一个环节时，它抑制其它环节或者下一个环节基因的转录和表达，抑制非同步发生或增生的其它细胞生命调节链的向前滑行和生长代谢。这可能就是为什麽肿瘤细胞分泌的“肿瘤毒素”能致人于死地，能使整个生物体的生命活动走向衰竭和死亡。这种肿瘤毒素很可能就是小分子RNA调控物质，它抑制了正常组织细胞生命代谢活动的进行。人们过去一直忽略了小分子RNA的作用，所以肿瘤的病因一直没有搞清楚。也许从此方向上进行研究，有可能找到答案。同样，肿瘤转移可能是肿瘤的小分子RNA对其它组织的诱变作用所致。

 Å　对肿瘤发生的设想：如果基因调控机制在旧环节中循环往复，就有可能导致细胞分化发育停止，并保持某一较原始状态不断增生，从而演化成肿瘤。如果这种调控机制退回到胚胎发育的环节之中，肿瘤的恶性程度就会更高，且表达胚胎抗原。所以，小分子RNA可能与肿瘤发生有关。

 Å　对病毒感染的设想：高等进化的真核细胞被低等生命形式的病毒感染后，能接受病毒的遗传物质并受其操纵，表达并装配病毒的遗传物质和蛋白颗粒，原因可能在于病毒原始的基因调控物质------小分子RNA，对细胞调控基因的抑制和启动病毒基因的转录和表达。针对病毒调控基因的小分子RNA能抑制病毒的感染也证明了这一点。

 Å　对艾滋病的设想：艾滋病毒这种原始的生命形式，感染后为了自身生命代谢活动的需要，它产生的调控物质小分子RNA，同样也抑制机体免疫细胞正常的基因转录表达过程，使机体单核巨噬细胞系统的生命代谢活动停止而死亡。

 Å　对克隆动物生命的设想：克隆动物（刚出生）的端粒酶活性和端粒长度类似于被克隆动物，其生理年龄、生命代谢活动也相似于被克隆动物（如多莉羊），也完全说明了其生命时钟的调节活动没有因为被克隆而停止。也许有两套控制生命活动的调节机制在他们的细胞中并行传递，一套是原来生命的被克隆动物的调节机制，另一套是克隆后新生生命开始的调节过程，所以，克隆动物的生命代谢活动和表现形式类似于二者之间，或以某一方为主。多莉羊被克隆时是六岁，活了六年，正常羊的寿命是十二年左右，多莉羊得的肺病是老年羊易患疾病，说明多莉的生命调节系统是以被克隆前的羊的调节为主。而有些被克隆动物表现跟非克隆动物一样，以生命重新开始时的调节方式为主。如果真是这样的话，在一条生命时钟控制链上可有两个调控操作系统同时起作用，我们就可以完全设法启动早期的比较原始的基因调控系统，使终末分化细胞重新开始新的分化增生。

 Å　对生命起源的设想：由RNA调控理论，我们也可以推测生命的起源过程。可能首先有了单链RNA 的形式，然后才从简单蛋白质到复杂蛋白质的进化。为了使遗传性状更稳定，才逐渐出现了由单链DNA到双连DNA、双螺旋DNA的这种稳定结构的遗传信息储存形式的进化发展。这些都可在现存生命形式中看得到。但RNA是最原始最保守的遗传信息储存和调节形式，小分子RNA的调节活动，决定了生物体的生命代谢活动。

　　综上所述，小分子RNA可能参与调节生命代谢活动，参与调控生物个体的发育进化、生老病死等种种生命现象。这就是小分子RNA基因调控理论的中心思想。

　　这种假设是建立在当前研究和大胆超前科学设想的基础上，它可能对科学研究提出了一条线索，指出了一个方向，它能够初步解释有些我们至今仍然不能解释的生命科学问题。在此基础上提出的新的生物中心法则，在某种程度上体现了DNA、RNA和蛋白质三大生命物质之间遗传信息交流、相互联系、相互制约的过程及RNA的调控作用。但所有这些仅仅是设想而已，究竟有多大的科学性，还有待于未来科学研究的探讨和证实。

　　参考文献：
　1．Jennifer Couzin, Science 2002;298:2296
　2．Paddison PJ, et al. Nature 2004;428:427-431
　3．Berns K, et al. Nature 2004;428:431-437
　4．Matter N, et al. Nature 2002 Dec 12;420(6916):691-5
　5．Jones L. et al. Curr. Biol 2001;11:747-757
　6．Pal-Bhadra M. et al. Mol. Cell 2002;9:315-327
　7．Dudley NR, et al. PNAS 2002;99:4191-4196
　8．Wightman B, et al. CELL 1993;75:855-862
　9．ThomasA.Volpe, et al. Science 2002;297:1833-1837
　10．Kamath RS, Nature 2003 Jan 16;421(6920):231-7
　11．Bernstein E, et al. Nature 2001;409:363
　12．Jacque JM, et al. Nature 2002;418(6896):435-8

　　作者简介：
　　杨水祥，主任医师、教授，医学博士，美国哈佛医学院博士后，霍普金斯大学医学院Faculty。北京世纪坛医院心内科主任，大内科主任。十余年来一直从事心血管疾病的分子生物学研究。主持和参加研究项目八项，发表论文七十余篇，外文杂志十余篇。获美国国际会议优秀论文二等奖一项，中美司贵宝医学论坛优秀论文三等奖一项，《中国临床康复》杂志年度优秀论文一等奖一项。任《中华临床医学荟萃杂志》主编、《中国心血管病研究》《中国临床康复》等多本本杂志的编委和常务编委。目前正在进行干细胞和小分子RNA等方面的研究。美国科学协会和心脏病协会会员。

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