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，即完成遺傳信息的轉錄和翻譯的過程。然而在過去的幾十年里，生命科學的舞臺一直被 DNA 和蛋白質霸占。DNA 負責遺傳信息存儲，蛋白質負責基因指令執行，而 RNA只是承擔中間環節遺傳信息傳遞者的配角。隨著人類基因組信息的解析，人們發現只有2%的人類基因組編碼蛋白質，更有約98%的基因組意義不明，甚至被認為是“垃圾”DNA。隨著生命科學的不斷發展，這些看似“垃圾”的DNA卻能產生大量的非編碼RNA，而這些RNA發揮著至關重要的生物學功能，幾乎參與所有重要的細胞生命過程，與多種重大疾病的發生和發展密切相關。

細胞內的RNA像蛋白質一樣具有復雜的高級結構與相互作用，具有特定的時間、空間分布及不同的轉錄后修飾狀態，復雜而精確地執行豐富多彩的生物學功能。與蛋白質研究相比，人們對細胞內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胞內對RNA分子進行高時空分辨精密控制的技術，這是深入研究RNA功能機制面臨的關鍵問題和重要技術挑戰，也是國際上RNA研究領域的前沿熱點。

針對這一亟需解決的技術挑戰，2022年1月3日，華東理工大學生物反應器工程國家重點實驗室、光遺傳學與合成生物學交叉學科研究中心楊弋教授團隊在Nature Biotechnology雜志上在線發表了題為Optogenetic control of RNA function and metabolism using engineered light-switchable RNA-binding proteins?的研究長文。該研究基于合成生物學及光遺傳學原理并結合全新的高通量篩選策略成功構建了系列光控RNA效應因子，實現了動物細胞內RNA生成、剪接、運輸、翻譯、降解等代謝活動的時空精密控制。

RNA結合蛋白在RNA生物學功能發揮過程中承擔著至關重要的作用，它們負責RNA的剪接、運輸、定位、降解等各類代謝活動。除了自然界存在RNA結合蛋白以外，人們基于合成生物學原理將具有不同功能的結構域與RNA結合蛋白結合起來，合成了具有全新功能的RNA結合蛋白。然而，無論是自然界存在或者是人工合成的RNA結合蛋白，它們的活性很難被調控。因此，發展活性可控的RNA結合蛋白將有望實現對活細胞RNA的控制。利用光來調控細胞的各種生命活動是生命科學研究的前沿領域，各種光遺傳學技術允許人們以前所未有的時間和空間精度調控生物體的多種生命活動。其中，利用合成生物學方法來進行光可控功能蛋白質分子的設計與篩選，并獲得簡單易用的光遺傳學技術，是光遺傳學前沿領域最重要的熱點之一。

圖：RNA光遺傳學控制概念圖

為了實現RNA結合蛋白的光遺傳學控制，研究團隊首先基于合成生物學理性設計并結合全新的高通量篩選策略，構建了國際上首個人工合成的光控RNA結合蛋白LicV。LicV由RNA結合結構域與LOV光敏結構域融合構成，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合RAT序列。研究團隊隨后將LicV與不同的RNA效應結構域融合，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效應因子實現了活細胞RNA剪接、運輸、翻譯、降解等代謝行為的時間和空間精密控制。

此外，研究團隊還將LicV與CRISPR-Cas系統結合起來，發展了全新的LA-CRISPR系統。在該系統中，含RAT序列的嵌合sgRNA可以招募光照誘導產生的LicV-VPR光控轉錄因子二聚體，從而啟動目的基因轉錄與表達。通過在sgRNA中引入多個拷貝的RAT序列，在光照條件下可以同時招募多個光控轉錄因子到啟動子附近，這使得LA-CRISPR系統對目的基因的激活效率是前人發展系統的一到三個數量級。利用LA-CRISPR系統，研究團隊還實現基因位點的高亮度與可逆標記，為基因組結構與功能研究提供和好的工具。此外，LA-CRISPR系統具有很好的普適性，可應用于多個物種來源的CRISPR-Cas系統。本研究通過對CRISPR系統的定時、定量精確控制，將來有望進一步降低CRISPR系統的脫靶效應，加速其臨床應用。

針對活細胞RNA的實時追蹤與精密控制的創新方法需求與技術挑戰。楊弋與合作者前期報道了Pepper高性能熒光RNA，它在親和力、穩定性、信噪比、活細胞熒光亮度等方面提升了一到三個數量級，首次在動物細胞上實現了各類RNA的標記與無背景成像（詳見BioArt報道：NBT | 楊弋/朱麟勇團隊開發Pepper擬熒光蛋白RNA ??；Nat Chem Biol | 新型RNA熒光適配體Pepper的結構以及配體識別機制）。此次該團隊報道的LicV系列光控RNA效應因子，又進一步實現了活細胞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。結合Pepper與LicV技術，可在活細胞上對RNA進行時間和空間尺度的閉環監測與控制，為深入探究單細胞內RNA的功能和復雜調控機制提供極具價值的創新研究工具。

論文第一作者為華東理工大學劉韌玫博士與楊菁博士，通訊作者為陳顯軍博士和楊弋博士。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41587-021-01112-1

責編 | 兮? 排版：BioArt

往期精品(點擊圖片直達文字對應教程)

機器學習

后臺回復“生信寶典福利第一波”或點擊閱讀原文獲取教程合集

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Nat Biotechnol | 杨弋团队报道RNA光遗传学工具，可时空精确操纵活细胞RNA代谢与功能...的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。