DNA vs. RNA：生命的資訊流到底誰說了算？｜專欄
編者按：
在很多人看來，生命體的遺傳信息流，由DNA流向RNA，
撰文 | 段洪超（北京大學化學與分子工程學院博士生）
責編 | 葉水送
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英國著名生物學家法蘭西斯·克裡克提出中心法則的時候，一定想不到他的後輩們在上面玩出這麼多新花樣。絕大部分生命體會把遺傳信息儲存在DNA中，遺傳信息通過轉錄流向RNA，再通過翻譯流向蛋白質，蛋白質是生命活動的主要執行者。
隨著一代代生物學家的不懈努力，人們發現遺傳信息的流動還被一些額外的化學修飾所操控，比如DNA的甲基化、羥甲基化，組蛋白的甲基化、乙醯化等等，
我們可能隱隱約約地有種感覺，就是在原版的中心法則中，RNA的地位有些尷尬，它既不是遺傳信息的儲存者，又不是生命活動的主要執行者，似乎就是一個兩頭跑的打工仔，雖然沒它不行，可在DNA和蛋白質面前卻要矮上三分。實際上，RNA很可能是一位隱藏很深的大Boss，它的工作出了一點偏差，
事情是這樣的。外面世界太險惡，生命體必須演化出一套複雜的表達調控機制，涉及DNA、RNA和蛋白質各個層面。把它類比到一個生活化的場景中，針對DNA的轉錄調控就如同種糧食，這是一個最基本的環節，
由此產生的結果便是，同樣的轉錄水準，產生了不同數量的蛋白質，甚至同樣的基因序列，製造出不同序列的蛋白質。RNA的可變剪接、轉運出核、降解以及翻譯水準調節，這些複雜的轉錄後調控過程，精准操縱著遺傳信息的流動，使生命體從容應對千變萬化的外部環境。
RNA修飾：穿上馬甲，你還認得我麼？
與DNA相同，RNA也把最基本的遺傳信息承載於四種堿基上——只不過是胸腺嘧啶T換成了尿嘧啶U——那它是如何完成了DNA無法做到的任務呢，一部分是通過各種或長或短的非編碼RNA來起作用，但更主要的是通過豐富的RNA修飾來完成。——事實上，很多非編碼RNA上的修飾也極大地影響了它們的功能。修飾就好比穿馬甲，穿上馬甲之後你就換了一個角色，隔壁的那個蛋白質就不認得你了。DNA的馬甲就比較少，在絕大部分高等生物的DNA上，除卻5-甲基胞嘧啶（5mC）和5-羥甲基胞嘧啶（5hmC），其它的修飾極少見。RNA的任務比較多，所以RNA就有好多馬甲。迄今為止，人們在RNA上已經發現了一百多種不同的修飾，而且其中很多修飾在進化上都十分保守。試想一下，你我都有一件十幾億年前就存在於地球上的馬甲，也是件令人激動的事情。
穿上馬甲的RNA是怎樣扮演不同角色的呢？由於生命活動的主要執行者是蛋白質，馬甲也主要是通過影響特定的結合蛋白來完成的。這些結合蛋白大致可分為兩類，一類是識別特定RNA修飾的蛋白，這叫做“非你不可”型的，另一類是識別特定的RNA結構——RNA會通過堿基間的氫鍵和π-π相互作用修飾形成高度複雜有序的結構，而RNA修飾會導致這種結構的改變——這叫做“愛屋及烏”型的。這樣，同一位點不同程度的修飾便會與不同水準的結合蛋白相結合，而這些結合蛋白將會招募相應的分子機器，完成RNA的可變剪接、轉運出核、降解以及翻譯水準調節等過程。穿上了不同的馬甲，就招呼來了不同的小夥伴，而正是這些小夥伴賦予了RNA修飾真正的意義。這也就使得對RNA修飾結合蛋白的研究成為這一領域中決定性的部分。
通過RNA修飾介導的轉錄後調控，基因的表達在其序列沒有發生改變的情況下出現了差異，這使得RNA表觀遺傳學（RNA epigenetics）這一很先鋒的概念逐漸成型。有些人不太想搞大新聞，他們更傾向於接受Epitranscriptomics（表觀轉錄組學）這一溫和的說法，但不可否認的是，RNA修飾的研究正與傳統表觀遺傳學研究進行著越來越深入的互動，共同推動著生命科學領域的一場風暴。
N6-甲基腺嘌呤：最開始是因為一群胖子
2007年，不堪身體之重的歐洲人終於發表了第一個肥胖相關的SNP（單核苷酸多態性），意外的是，這個SNP並不位於諸如瘦素或者瘦素受體等早已被克隆的肥胖相關基因，而是位於名不見經傳的基因KIA1005上。這一基因隨後被命名為FTO（fat mass and obesity associated）。而對FTO分子功能的研究發現，它在體內的底物是N6-甲基腺嘌呤（m6A，這個馬甲在腺嘌呤的身上寫了個大大的M）這一mRNA上最為豐富的修飾——它可以通過氧化去甲基作用，讓RNA把穿上的馬甲脫下來。
早先人們通常認為，當RNA修飾完成時，這一條RNA的命運便就此決定了，它將沿著確定的路線發揮功能直到降解。然而現在人們知道，至少有一種RNA修飾是可逆的。這表明RNA手裡的並非拿著單程票，而是往返票，它脫下馬甲還可以行使原來的角色。無巧不成書，其實就在那一年，研究者第一次確認，哺乳動物DNA上的5-甲基胞嘧啶修飾也是可逆的，成為與這一最重要表觀遺傳學標記交相輝映的雙子星，人們對RNA修飾，特別是m6A修飾的研究熱情突然間高漲了起來。
說沒就沒的幹細胞
對RNA修飾的研究大體分為三個部分，第一是修飾酶，通常把它叫做Writer，就是向RNA引入這一修飾的傢伙；第二是脫修飾酶，就是脫馬甲的那個傢伙，通常把它叫做Eraser，它將RNA從被修飾狀態逆轉為非修飾狀態；第三是結合蛋白，通常把它叫做Reader，前邊已經講到，對RNA修飾結合蛋白的研究，是這一領域中決定性的部分，而對結合蛋白的研究，也往往能為通過RNA修飾解決具體的生物學問題，提供一個模型或範式。m6A第一個被確認的結合蛋白是YTHDF2，YTHDF2會介導其底物mRNA的降解，作為YTHDF2的底物，不含m6A修飾的mRNA會比含有這一修飾的mRNA更穩定。換句話講，m6A修飾關係到mRNA是“怎麼沒的”。通常地，基於DNA的轉錄調控只能告訴我們RNA是怎麼來的，可如果它該沒的時候還在，該在的時候卻沒了，就一定會出問題。
幹細胞分化過程就是一個這樣的例子。在胚胎幹細胞中，分化或不分化，主要靠兩類基因說了算，一類是使其保持原始態多能性的基因，另一類是使其譜系定向調控基因。兩類基因就如同天平的兩側，哪一側基因的表達量占優，幹細胞就會傾向於哪一側的狀態。兩類基因都能抑制對方的表達，幹細胞就是通過這種方式，維持狀態的持續性和穩定性。而諸多原始態多能性保持和譜系定向調控基因的mRNA都存在m6A修飾。這使得相關基因的mRNA處在一種“說沒就沒”的狀態。在原始態多能性狀態下，讓幹細胞不分化的基因處於優勢位置，m6A修飾的缺失使這些基因mRNA的穩定性提高，賴著不走，又對譜系定向調控基因施加了持續的抑制作用，從而導致幹細胞進入一種“超原始”的狀態，阻止其分化。而在始發態多能性狀態下，讓幹細胞分化的基因表達開始上升，m6A修飾的缺失使這些基因mRNA的穩定性提高，最終導致幹細胞加速分化或細胞死亡。
m6A是病毒相愛相殺的伴侶麼？
不僅僅是生物內源的RNA，像RNA病毒這種外源的入侵者也存在RNA修飾。很早之前人們就已經在諸如流感病毒、肉瘤病毒這樣的RNA病毒上發現了m6A修飾。不過其對病毒本身的影響最近才逐漸為人所知，而且有一點眾說紛紜，莫衷一是的感覺。總的來說，對於HIV、流感病毒這樣的逆轉錄病毒，由於不同結合蛋白的不同功能，在其沒整合進基因組之前，m6A的存在對它們有抑制作用，但如果它已經整合進基因組，m6A就要老老實實幫病毒做事了。
對於寨卡病毒和丙肝病毒這樣的正義單鏈RNA病毒，m6A在其生命週期中起到了抑制的作用。乍看起來m6A在幫著宿主虐病毒，然而測序結果顯示，丙肝病毒的m6A修飾位點在進化中體現出較高的保守性，人家十萬八千輩兒都穿著這個馬甲。由於病毒通常會面對很強的選擇壓力，保守的m6A修飾位點似乎又暗示其在丙肝病毒生命週期中的積極作用。總而言之，m6A修飾在RNA病毒中的研究方興未艾，由於許多RNA病毒均含有m6A修飾，以此通路為靶點有望開發出可抗擊多種病毒病的藥物。
到底是妹子還是漢子？
就好比織出的布不能直接穿在身上，而要經過剪裁和縫紉才能變成衣服，由DNA直接產生的RNA半成品中，很多是不會包含在成熟RNA中的，它們要在核內由相應的機制去除，這就是RNA的剪接。而正如不同的人有著不同的體型、衣服的尺碼也會不同，RNA在不同的情況下，也會有不同的剪接方式。m6A修飾在這邊的角色，就如同裁縫手裡的一把尺子，指示了RNA剪接發生的位置。它首先被結合蛋白所識別，隨後m6A結合蛋白會繼續召喚從事RNA剪接的小夥伴，所以剪接發生的位點通常在距m6A修飾不遠的地方。
RNA的可變剪接影響了眾多生命過程，其中最膾炙人口的要數果蠅的性別決定了。果蠅的性染色體也是XY型（雄性XY，雌性XX），與和哺乳動物不同的是，哺乳動物性別看有無Y染色體，而果蠅則要看有多少X染色體，帶夠了兩條X染色體為雌果蠅，只有一條X染色體就只能是雄果蠅了。通過果蠅的繁殖實驗研究者發現，X染色體數量信號，影響了一個叫Sxl（Sex lethal）基因mRNA的可變剪接。在雌果蠅當中，Sxl基因的mRNA會被正常剪接，並產生正常的Sxl蛋白，而在雄果蠅中，Sxl基因的mRNA剪接異常，導致雄果蠅只能產生截短的Sxl蛋白。Sxl蛋白的不同會帶來一系列基因的差異表達，並最終決定雌雄果蠅的性徵。而在Sxl的mRNA前體中，可變剪接位置附近就包含了m6A修飾。當m6A修飾的Writer被移除之後（這樣可變剪接位置附近就沒有m6A了），雌果蠅中出現了像雄果蠅一樣的Sxl剪接體，而雌果蠅的存活率也大幅下降了，存活下來的雌果蠅很多也出現了雄果蠅的性徵。總結一下，如果沒有m6A修飾，好多雄果蠅就會當光棍，剩下的許多雌果蠅也長出“大鬍子”。
RNA修飾是一個內容極其豐富的研究領域，限於篇幅只能擷取極為有限的內容進行介紹。事實上許多重要的RNA修飾，比如假尿嘧啶修飾（pseudo U）和N1-甲基腺嘌呤（m1A），都有著豐富而精彩的故事值得講述，它們對生物回應外界刺激，維持自身內部穩態，都有著不可替代的作用。自上世紀六七十年代發展至今，這一領域已發展出眾多獨到的研究方法，也積累了眾多重要的科學事實。
近年來，借由高通量測序技術的進步以及與其它學科交叉的成果，RNA修飾領域逐漸連點成線，連線成面，開始向世人展示出一副極其絢爛的科學畫卷，儘管其研究的深度在目前還不及DNA和染色質的表觀遺傳修飾，但其研究的廣度卻是後者遠不能及的，相信在不久的未來RNA在中心法則的核心位置將愈發顯現出來。該領域最新的研究結果，逐步揭示RNA修飾與流感、愛滋病、白血病、阿爾茨海默病密切的聯繫。無獨有偶，在高等植物中，RNA修飾亦影響著其胚胎發育、開花結果，乃至於抗病、抗非生物脅迫的生命過程。這都預示著RNA修飾的研究必將深刻地影響醫療、製藥、乃至農業的發展。
表觀遺傳學專欄：
20170112 生命之初，新在哪裡：我們為何生而不同
20170121 父母基因博弈，誰贏你像誰？
20170214 曾與諾獎失之交臂、人小鬼大的miRNA如何改變細胞命運？
20170303 人類克隆自己：還有什麼困難？
製版編輯：葉水送丨
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同樣的轉錄水準，產生了不同數量的蛋白質，甚至同樣的基因序列，製造出不同序列的蛋白質。RNA的可變剪接、轉運出核、降解以及翻譯水準調節，這些複雜的轉錄後調控過程，精准操縱著遺傳信息的流動，使生命體從容應對千變萬化的外部環境。RNA修飾：穿上馬甲，你還認得我麼？
與DNA相同，RNA也把最基本的遺傳信息承載於四種堿基上——只不過是胸腺嘧啶T換成了尿嘧啶U——那它是如何完成了DNA無法做到的任務呢，一部分是通過各種或長或短的非編碼RNA來起作用，但更主要的是通過豐富的RNA修飾來完成。——事實上，很多非編碼RNA上的修飾也極大地影響了它們的功能。修飾就好比穿馬甲，穿上馬甲之後你就換了一個角色，隔壁的那個蛋白質就不認得你了。DNA的馬甲就比較少，在絕大部分高等生物的DNA上，除卻5-甲基胞嘧啶（5mC）和5-羥甲基胞嘧啶（5hmC），其它的修飾極少見。RNA的任務比較多，所以RNA就有好多馬甲。迄今為止，人們在RNA上已經發現了一百多種不同的修飾，而且其中很多修飾在進化上都十分保守。試想一下，你我都有一件十幾億年前就存在於地球上的馬甲，也是件令人激動的事情。
穿上馬甲的RNA是怎樣扮演不同角色的呢？由於生命活動的主要執行者是蛋白質，馬甲也主要是通過影響特定的結合蛋白來完成的。這些結合蛋白大致可分為兩類，一類是識別特定RNA修飾的蛋白，這叫做“非你不可”型的，另一類是識別特定的RNA結構——RNA會通過堿基間的氫鍵和π-π相互作用修飾形成高度複雜有序的結構，而RNA修飾會導致這種結構的改變——這叫做“愛屋及烏”型的。這樣，同一位點不同程度的修飾便會與不同水準的結合蛋白相結合，而這些結合蛋白將會招募相應的分子機器，完成RNA的可變剪接、轉運出核、降解以及翻譯水準調節等過程。穿上了不同的馬甲，就招呼來了不同的小夥伴，而正是這些小夥伴賦予了RNA修飾真正的意義。這也就使得對RNA修飾結合蛋白的研究成為這一領域中決定性的部分。
通過RNA修飾介導的轉錄後調控，基因的表達在其序列沒有發生改變的情況下出現了差異，這使得RNA表觀遺傳學（RNA epigenetics）這一很先鋒的概念逐漸成型。有些人不太想搞大新聞，他們更傾向於接受Epitranscriptomics（表觀轉錄組學）這一溫和的說法，但不可否認的是，RNA修飾的研究正與傳統表觀遺傳學研究進行著越來越深入的互動，共同推動著生命科學領域的一場風暴。
N6-甲基腺嘌呤：最開始是因為一群胖子
2007年，不堪身體之重的歐洲人終於發表了第一個肥胖相關的SNP（單核苷酸多態性），意外的是，這個SNP並不位於諸如瘦素或者瘦素受體等早已被克隆的肥胖相關基因，而是位於名不見經傳的基因KIA1005上。這一基因隨後被命名為FTO（fat mass and obesity associated）。而對FTO分子功能的研究發現，它在體內的底物是N6-甲基腺嘌呤（m6A，這個馬甲在腺嘌呤的身上寫了個大大的M）這一mRNA上最為豐富的修飾——它可以通過氧化去甲基作用，讓RNA把穿上的馬甲脫下來。
早先人們通常認為，當RNA修飾完成時，這一條RNA的命運便就此決定了，它將沿著確定的路線發揮功能直到降解。然而現在人們知道，至少有一種RNA修飾是可逆的。這表明RNA手裡的並非拿著單程票，而是往返票，它脫下馬甲還可以行使原來的角色。無巧不成書，其實就在那一年，研究者第一次確認，哺乳動物DNA上的5-甲基胞嘧啶修飾也是可逆的，成為與這一最重要表觀遺傳學標記交相輝映的雙子星，人們對RNA修飾，特別是m6A修飾的研究熱情突然間高漲了起來。
說沒就沒的幹細胞
對RNA修飾的研究大體分為三個部分，第一是修飾酶，通常把它叫做Writer，就是向RNA引入這一修飾的傢伙；第二是脫修飾酶，就是脫馬甲的那個傢伙，通常把它叫做Eraser，它將RNA從被修飾狀態逆轉為非修飾狀態；第三是結合蛋白，通常把它叫做Reader，前邊已經講到，對RNA修飾結合蛋白的研究，是這一領域中決定性的部分，而對結合蛋白的研究，也往往能為通過RNA修飾解決具體的生物學問題，提供一個模型或範式。m6A第一個被確認的結合蛋白是YTHDF2，YTHDF2會介導其底物mRNA的降解，作為YTHDF2的底物，不含m6A修飾的mRNA會比含有這一修飾的mRNA更穩定。換句話講，m6A修飾關係到mRNA是“怎麼沒的”。通常地，基於DNA的轉錄調控只能告訴我們RNA是怎麼來的，可如果它該沒的時候還在，該在的時候卻沒了，就一定會出問題。
幹細胞分化過程就是一個這樣的例子。在胚胎幹細胞中，分化或不分化，主要靠兩類基因說了算，一類是使其保持原始態多能性的基因，另一類是使其譜系定向調控基因。兩類基因就如同天平的兩側，哪一側基因的表達量占優，幹細胞就會傾向於哪一側的狀態。兩類基因都能抑制對方的表達，幹細胞就是通過這種方式，維持狀態的持續性和穩定性。而諸多原始態多能性保持和譜系定向調控基因的mRNA都存在m6A修飾。這使得相關基因的mRNA處在一種“說沒就沒”的狀態。在原始態多能性狀態下，讓幹細胞不分化的基因處於優勢位置，m6A修飾的缺失使這些基因mRNA的穩定性提高，賴著不走，又對譜系定向調控基因施加了持續的抑制作用，從而導致幹細胞進入一種“超原始”的狀態，阻止其分化。而在始發態多能性狀態下，讓幹細胞分化的基因表達開始上升，m6A修飾的缺失使這些基因mRNA的穩定性提高，最終導致幹細胞加速分化或細胞死亡。
m6A是病毒相愛相殺的伴侶麼？
不僅僅是生物內源的RNA，像RNA病毒這種外源的入侵者也存在RNA修飾。很早之前人們就已經在諸如流感病毒、肉瘤病毒這樣的RNA病毒上發現了m6A修飾。不過其對病毒本身的影響最近才逐漸為人所知，而且有一點眾說紛紜，莫衷一是的感覺。總的來說，對於HIV、流感病毒這樣的逆轉錄病毒，由於不同結合蛋白的不同功能，在其沒整合進基因組之前，m6A的存在對它們有抑制作用，但如果它已經整合進基因組，m6A就要老老實實幫病毒做事了。
對於寨卡病毒和丙肝病毒這樣的正義單鏈RNA病毒，m6A在其生命週期中起到了抑制的作用。乍看起來m6A在幫著宿主虐病毒，然而測序結果顯示，丙肝病毒的m6A修飾位點在進化中體現出較高的保守性，人家十萬八千輩兒都穿著這個馬甲。由於病毒通常會面對很強的選擇壓力，保守的m6A修飾位點似乎又暗示其在丙肝病毒生命週期中的積極作用。總而言之，m6A修飾在RNA病毒中的研究方興未艾，由於許多RNA病毒均含有m6A修飾，以此通路為靶點有望開發出可抗擊多種病毒病的藥物。
到底是妹子還是漢子？
就好比織出的布不能直接穿在身上，而要經過剪裁和縫紉才能變成衣服，由DNA直接產生的RNA半成品中，很多是不會包含在成熟RNA中的，它們要在核內由相應的機制去除，這就是RNA的剪接。而正如不同的人有著不同的體型、衣服的尺碼也會不同，RNA在不同的情況下，也會有不同的剪接方式。m6A修飾在這邊的角色，就如同裁縫手裡的一把尺子，指示了RNA剪接發生的位置。它首先被結合蛋白所識別，隨後m6A結合蛋白會繼續召喚從事RNA剪接的小夥伴，所以剪接發生的位點通常在距m6A修飾不遠的地方。
RNA的可變剪接影響了眾多生命過程，其中最膾炙人口的要數果蠅的性別決定了。果蠅的性染色體也是XY型（雄性XY，雌性XX），與和哺乳動物不同的是，哺乳動物性別看有無Y染色體，而果蠅則要看有多少X染色體，帶夠了兩條X染色體為雌果蠅，只有一條X染色體就只能是雄果蠅了。通過果蠅的繁殖實驗研究者發現，X染色體數量信號，影響了一個叫Sxl（Sex lethal）基因mRNA的可變剪接。在雌果蠅當中，Sxl基因的mRNA會被正常剪接，並產生正常的Sxl蛋白，而在雄果蠅中，Sxl基因的mRNA剪接異常，導致雄果蠅只能產生截短的Sxl蛋白。Sxl蛋白的不同會帶來一系列基因的差異表達，並最終決定雌雄果蠅的性徵。而在Sxl的mRNA前體中，可變剪接位置附近就包含了m6A修飾。當m6A修飾的Writer被移除之後（這樣可變剪接位置附近就沒有m6A了），雌果蠅中出現了像雄果蠅一樣的Sxl剪接體，而雌果蠅的存活率也大幅下降了，存活下來的雌果蠅很多也出現了雄果蠅的性徵。總結一下，如果沒有m6A修飾，好多雄果蠅就會當光棍，剩下的許多雌果蠅也長出“大鬍子”。
RNA修飾是一個內容極其豐富的研究領域，限於篇幅只能擷取極為有限的內容進行介紹。事實上許多重要的RNA修飾，比如假尿嘧啶修飾（pseudo U）和N1-甲基腺嘌呤（m1A），都有著豐富而精彩的故事值得講述，它們對生物回應外界刺激，維持自身內部穩態，都有著不可替代的作用。自上世紀六七十年代發展至今，這一領域已發展出眾多獨到的研究方法，也積累了眾多重要的科學事實。
近年來，借由高通量測序技術的進步以及與其它學科交叉的成果，RNA修飾領域逐漸連點成線，連線成面，開始向世人展示出一副極其絢爛的科學畫卷，儘管其研究的深度在目前還不及DNA和染色質的表觀遺傳修飾，但其研究的廣度卻是後者遠不能及的，相信在不久的未來RNA在中心法則的核心位置將愈發顯現出來。該領域最新的研究結果，逐步揭示RNA修飾與流感、愛滋病、白血病、阿爾茨海默病密切的聯繫。無獨有偶，在高等植物中，RNA修飾亦影響著其胚胎發育、開花結果，乃至於抗病、抗非生物脅迫的生命過程。這都預示著RNA修飾的研究必將深刻地影響醫療、製藥、乃至農業的發展。
表觀遺傳學專欄：
20170112 生命之初，新在哪裡：我們為何生而不同
20170121 父母基因博弈，誰贏你像誰？
20170214 曾與諾獎失之交臂、人小鬼大的miRNA如何改變細胞命運？
20170303 人類克隆自己：還有什麼困難？
製版編輯：葉水送丨
本頁刊發內容未經書面許可禁止轉載及使用
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