【編者按】在上海市科學技術委員會資助（項目編號：22DZ2304300）下，澎湃新聞聯合《世界科學》對獲得國家及上海市科技獎勵的成果進行科普化報道。

本文圍繞2022年上海市自然科學獎一等獎項目“環形RNA生成和功能機制的研究”展開，該獎項由中國科學院分子細胞科學卓越創新中心陳玲玲研究員領銜獲得。

她在非編碼RNA領域深耕十余年，見證并推動了這個領域的發展。她領銜的團隊發現了不帶有多聚腺苷酸（polyA）尾巴或者N7-甲基鳥苷（m7G帽子）的非經典lncRNA新種類，包括sno-lncRNA、SPA RNA、circRNA等，并在闡明這些RNA的生物合成機制與功能、探索其生物醫學應用方面成績斐然。

陳玲玲說：“我現在45歲，我希望我的研究還能再有突破。”

在過去30年左右的時間里，非編碼RNA一直是非常活躍的研究領域。從獲得諾獎的小RNA干擾技術，到近年來備受關注的lncRNA，形形色色的非編碼RNA在各種各樣的生物學過程中發揮重要功能，并展現出多種多樣的生物醫學應用前景。

然而，究竟如何才能做好RNA研究？中國科學院分子細胞科學卓越創新中心研究員、分子生物學國家重點實驗室副主任、核糖核酸功能與應用重點實驗室主任陳玲玲與您一起走進RNA的世界。

RNA大家族：不只編碼蛋白質

非編碼RNA有哪些種類？這個領域的研究歷程大概是怎樣的？

非編碼RNA研究可以分為幾個階段。第一階段是從20世紀60年代到80年代。這一時期，人們陸續發現了不同類型的持家非編碼RNA，例如我們熟悉的核糖體RNA、轉運RNA、小核RNA、小核仁RNA等。這些持家非編碼RNA在細胞中的含量比較高，而且承擔著非常重要的生理功能。

第二個階段是從20世紀90年代初到2005年，這一時期人們陸續發現了一系列小非編碼RNA，包括能夠沉默基因表達的miRNA、與哺乳動物生殖有關的piRNA等。進一步的功能研究顯示，這些小非編碼RNA可以應用于基因表達調控、育種、基因治療等許多領域。

事實上直到現在，人們對小RNA的研究也仍然沒有停止。2006年，安德魯 · 法爾（Andrew Fire）和克雷格 · 梅洛（Craig Mello）兩位科學家因在小RNA干擾領域的研究獲得了諾貝爾生理學或醫學獎。2018年，美國食品藥品管理局（FDA）批準了第一款小RNA藥物，用于治療由轉甲狀腺素蛋白淀粉樣變性引發的神經損傷。

非編碼RNA研究的第三個階段大概是從2005年到2015年，是lncRNA等更多種非編碼RNA大規模發現的階段。這是因為在2005年左右，人們開始使用覆瓦式陣列（Tiling Array）等基因組學、轉錄組學的方法對基因組進行大規模測序，發現以前認為不轉錄的基因區域實際可以被轉錄，產生了眾多與編碼蛋白質的信使RNA類似——帶有5′端m7G帽子和3′端polyA尾巴——但不編碼功能蛋白質的長非編碼RNA。目前人們已經發現了數十萬條不同的lncRNA。后來，包括我們團隊在內，人們又發現具有特殊結構的長非編碼RNA分子家族，它們不帶m7G帽或者polyA尾巴，例如我們研究比較多的、兩端以小核仁RNA結尾的sno-lncRNA和circRNA等。

非編碼RNA的發現與研究歷程

從2010年到現在，人們開始更多地關注和研究lncRNA的生物學功能。對于形形色色的非編碼RNA，人們嘗試去研究它們在不同的細胞環境下與哪些蛋白質相互作用，折疊成怎樣的構象，又是以何種機制去發揮怎樣的生理學功能。對于這些問題，目前還不能用一個通用的法則來比較簡單地闡述相關機制和規律，因此我認為對于RNA研究者來說，目前是一個充滿挑戰、非常重要的階段。

將來還會發現新類型的非編碼RNA嗎？

我覺得可能會。按照非編碼RNA的長短，我們可以非常寬泛地把它分為長非編碼RNA和短非編碼RNA，而在這樣的大類之下，不同的RNA有不同的來源，它們來自不同的細胞，有不同的生物合成方式，折疊成不同的構象，運用不同的作用機制，發揮著不同的生理病理功能。我認為在目前研究比較少的體系中，比如極端生物、動植物生理病理以及人體內部的一些細胞亞型中，很可能還會發現由不同的生物合成途徑產生的新類型的非編碼RNA。

您是如何進入這一研究領域的？在領域中做了哪些比較好的工作？

我的研究經歷中有一些機緣巧合，但又是一脈相承、有跡可循的。

我2004年到美國讀研究生的時候，導師戈登 · 卡邁克爾（Gordon Carmichael）教授是做病毒學研究的，而我的研究對象是實驗室剛開始關注的基因元件Alu。Alu是靈長類動物基因組中特有的一類細胞核短重復序列（SINEs），它們在基因組中的占比可以達到10%~11%。我當時發現，mRNA 3′端區域含有反向重復的Alu元件，可以導致這樣的mRNA亞細胞定位發生改變，它們不再出核，而是停留在細胞核中一個名為paraspeckle的亞結構中，隨后我和其他的團隊研究發現，paraspeckle的結構組織者之一正是lncRNA，叫做m7G。這就是我與非編碼RNA最初的接觸。而巧合的是，在當時已經發現的一萬多種lncRNA中，只有兩種沒有polyA尾巴，而m7G就是其中之一。于是我就想問：轉錄組中是不是還有其他沒有polyA尾巴的新類型的非編碼RNA？

當時，我博士剛畢業就獲得了20萬美元的研究經費，利用這筆經費，我在博士畢業后仍然留在卡邁克爾實驗室，半獨立地開展研究工作。2011年，我們在《基因組生物學》（Genome Biology）雜志發表文章，報道了建立無polyA轉錄組分離純化的方法和我們在基因組范圍內搜索non-polyA RNA的結果，發現了大量源于內含子和外顯子的無polyA的RNA信號。

在這個時期，2010年底，我也在中國科學院分子細胞科學卓越創新中心（原中國科學院生物化學與細胞生物學研究所）建立了我的研究團隊。“什么機制導致這些無polyA外顯子和內含子序列穩定存在”是我建立實驗室之初想要回答的科學問題。

2012年，我們在《分子細胞》（Molecular Cell）上報道了兩端以小核仁RNA結尾的sno-lncRNA新家族。從sno-lncRNA出發，我們開始關注與之相關的細胞核亞結構，其中有兩個比較重要的工作：一個是發現多個sno-lncRNA及類似的SPA lncRNAs在小胖威利綜合征（PWS）患者體內缺失，除了解析它們可能的分子機制，我們最近也證實了它們的缺失可以作為檢測這種疾病的標志物；第二是我們對定位在核仁的一個sno-lncRNA——SLERT進行了一系列研究，解析了它在核糖體RNA轉錄調控和核仁結構維持中的重要作用，發現了新的致密纖維組分外側區域（PDFC），拓展了對于核仁的認識。

在2013、2014年發表的兩篇文章中，與計算生物學家合作，我們先后報道了內含子來源和外顯子來源的環形RNA。其中外顯子來源的環形RNA之所以能夠成環，是因為在外顯子兩側的內含子上有互補的順式作用元件Alu重復序列，Alu元件形成瞬時配對將外顯子的兩端拉近從而幫助其環化。這顯然又是一個巧合，正是因為我自己以前研究3′ UTR Alu元件，我們才能在幾年之后重新遇到它的時候，較快速地闡明這類環形RNA的產生機制。

從2013、2014年到現在的十年中，我們持續在研究環形RNA，通過系統闡明環形RNA加工、折疊和降解特性，將環形RNA的生成與作用機制相耦聯開展研究，從而揭示了其全新功能，并探索其與自身免疫疾病的關聯。

以上就是我在這個領域的主要研究經歷。從分子發現開始，到后面進行功能機制研究，再到發現它的臨床應用潛力，這是一個非常充實、非常有趣的科研經歷。

陳玲玲的RNA研究經歷

lncRNA研究：尚無規律認知，需要小心謹慎

非編碼RNA在生命系統中扮演著怎樣的角色？它們和蛋白質誰更重要？

首先持家非編碼RNA肯定是非常重要的，它們是維持生命活動所必需的。而其他類型的非編碼RNA，大部分更偏重于調控性的功能。如果非要比較它和蛋白質誰更重要，蛋白質的功能會更關鍵一些，但是非編碼RNA的參與及功能調控不可缺少。

值得強調的是，非編碼RNA在發揮功能的過程中常常是和蛋白質密不可分的，它們的合成既依賴蛋白質，也需要和蛋白質相互作用形成復合物，才能折疊成具有功能的構象，進而發揮生物學功能。另一方面，許多蛋白質同樣要依賴非編碼RNA作為其“分子伴侶”“腳手架”“適配體”等發揮功能。

RNA的折疊比蛋白質簡單嗎？

不，我認為和蛋白質相比，RNA的結構更加復雜多樣和多變。

蛋白質的折疊大致遵循安芬森法則（Anfinsen's rule），也就是蛋白質折疊的熱力學猜想：一級序列決定三維結構，三維結構決定功能。而單鏈的RNA，尤其是長的單鏈RNA，它的柔性非常強，單獨存在就很容易打結（形成knots），較難形成功能性的折疊構象。所以在細胞中，它就需要和不同的蛋白質以及其他生物分子相互作用，在它們的幫助下完成折疊。而且在RNA合成和發揮功能的不同階段，它還會和不同的分子相互作用、形成不同的構象。也就是說，RNA的折疊不只取決于它的序列本身，而是需要更多維地考慮細胞中的其他分子。這就意味著在當前的知識框架下，還沒有一個簡單的理論能夠概括RNA的折疊機制，因而很難對RNA的結構進行準確預測。

對于lncRNA，我們已經有比較深入和完整的認識了嗎？

lncRNA的種類非常多，參與各種生命活動。同時這個領域的研究也很難，可以說，直到目前為止，我們對lncRNA還缺乏規律性的認知。舉例來講，在20世紀90年代初，人們發現了一個非常重要的lncRNA，叫作Xist，它在哺乳動物雌性性染色體的隨機失活過程中發揮著非常關鍵的作用，因此也吸引了許多研究者的關注。甚至可以說，在2005年Tiling Array出現以前，是這一個RNA撐起了整個lncRNA研究領域。然而直到現在，三十多年過去了，圍繞Xist發揮功能的機制，學界仍然有許多爭論。

LncRNA非常多樣，有些只需要數百個堿基就可以發揮功能，而另一些則可以長達3.6萬個堿基——Xist就很長，有2.1萬堿基。如此長的lncRNA要發揮功能，可能是依賴于其中一些功能性的單元模塊從而與一些功能因子互作，但是這些關鍵單元如何形成、如何折疊、如何與蛋白質相互作用，目前還沒有發現一個普適性的規律。

具體到環形RNA，它和線性的lncRNA相比又有哪些特點？

RNA成環以后，它的結構就會變得更穩定，因此在細胞中它的降解和合成速率通常都很慢。但是在一些生理或病理條件下，它又可以被快速降解，它們的緩慢生成和快速降解使環形RNA能夠作為一個群體發揮調控功能。此外，小于500個核苷酸的短鏈環形RNA也很容易形成分子內的雙鏈結構，從而折疊為一類特殊結構的分子與蛋白質相互作用，如抑制免疫因子——雙鏈RNA活化的蛋白激酶（PKR），進而參與天然免疫的調控。這些研究提示環形RNA很適合被開發為RNA適配體，有望在生物醫藥領域應用。

LncRNA和circRNA的研究方法已經成熟了嗎？

人們一直在不斷拓展RNA的研究方法。目前，蛋白質研究中可以做的免疫沉淀、生物成像、結構解析等手段，在RNA中也可以做，但是相對來講，還不如蛋白質研究那么便捷，并且精度也尚不能達到蛋白質研究的程度。此外，研究環形RNA還會更難一點，因為研究者需要在細胞中把環形RNA和與它序列相同的線性RNA區分開來，而且在各種實驗中，也都需要做好對照——加入同序列線性RNA的對照組。

我認為做RNA研究，一方面要針對你所研究的RNA特性，找到最適合它的研究方法，另一方面也需要跳出現有的研究框架，去探索新的研究方法。

“跳出現有框架的新方法”可能會向哪些方向發展？

首先，因為RNA的結構柔性很高，也時常處于動態之中，所以需要更高的分辨率，更加實時動態地去捕捉它的狀態。如何實現？RNA功能研究需要整合跨學科方法，包括RNA化學、RNA生物物理學、基于RNA的細胞生物學等手段，最終目標是在單分子和原子分辨率上解析非編碼RNA及其與蛋白質形成的復合物的結構，闡明內在的RNA結構-功能聯系。

其次，我們將更加關注RNA在生物體內的真實狀態及其與功能分子的互作機制。目前很多研究都是在體外培養的細胞系中進行的，而這可能與生物體內的細胞狀態大相徑庭。

此外，我們還將更加細致地研究RNA的生理功能。RNA在物種間的保守性并不高，一種RNA可能只在特定的物種體內、在特定的生理病理條件下才能發揮某種特定的功能，這就需要我們在研究中非常小心。因此，未來研究有必要開發合適的動物模型和人類類器官研究體系，用于非編碼RNA相關的表型分析、疾病模型和體內治療潛力等研究。

對于想要投身非編碼RNA研究的其他領域研究者，您有什么建議？

非編碼RNA與生命活動息息相關，與腫瘤、神經、免疫等很多領域相聯系，因此這些領域的研究者也都開始涉足RNA研究或利用RNA研究手段促進相關領域發展。我認為最重要的是，研究者需要知道RNA不是蛋白質，需要認真解析所關注的那個特定的lncRNA特性，例如首先搞清楚它在基因組上的位置、它的生成途徑、它的亞細胞定位等基本信息，然后才能選擇適合它的研究方法，從而得到可信的研究結果。比如說，如果關注的lncRNA定位在細胞核中，而研究者像敲低蛋白質一樣簡單地用RNAi技術去敲低它，那么這些小RNA可能根本就不能進入細胞核，得出的實驗結論也就很可能是具有誤導性的。

臨床應用，曙光已現

有一些lncRNA和circRNA已經展現出臨床應用前景，能介紹一下這方面的情況嗎？

lncRNA和circRNA會參與一些疾病的發生，因此有可能用于這些疾病的診斷和潛在治療。

作為診斷的生物標志物，一個例子就是我剛剛提到的，利用一種sno-lncRNA的缺失，通過優化的PCR等手段，使我們能夠在微升血樣的水平或者使用干血斑的樣品很容易地檢測出它們在小胖威利綜合征中的缺失，可以作為一種便捷的手段輔助PWS檢測。如果后期能夠推向臨床，甚至可以在新生兒中做常規篩查，將有利于患兒和患兒家庭，因為如果能夠早診斷、早干預，通過補充生長激素，患兒是有機會像正常孩子一樣生活的。

在疾病治療方面，有些疾病是由具有調節功能的lncRNA發生異常導致的，所以補充這種RNA就可以產生治療效果。這種方式甚至不需要補充完整的長非編碼RNA，而是將lncRNA中發揮功能的元件 ——可能只有20個核苷酸 —— 做成RNA適配體藥物，進行潛在治療。而且，因為circRNA更加穩定，它要比lncRNA更適合做成適配體。我們研究組近期也在做相關工作，發現circRNA適配體具有治療PKR過度激活有關的炎癥性疾病的潛力。此外，體外合成的有正確折疊構象的環形RNA一般具有低免疫原性，也為下一代RNA藥物研發提供新的機遇。

這些年我自己的想法也在不斷變化。如果是在五年前，我們研究組做出一個原創發現，可能會側重考慮發表文章，然后就去研究下一個問題；而現在有了一個發現之后，我會進一步思考，想一想這個發現可能有怎樣的應用，能為人們的健康帶來怎樣的幫助。為此，我會去尋找合適的合作者，希望他們能夠幫我們把這些想法轉化為實際應用。

除了專注于基礎研究的探索，一些科學家也可以思考原創發現面向應用轉化的可能，這樣也許可以為研究經費的價值體現提供一個新的出口。

在生物醫學成果轉化方面，您認為中國目前還需要怎樣提高？

我覺得在從科技創新到技術應用的這條路上，我們還缺少各種類型的人才。因為在這個鏈條上，需要的不只是科學家，還需要政策上的扶持、社會力量的投入，需要經驗豐富的、具有生命科學素養的政策對接人和企業運營者。

在過去十年中，中國對非編碼RNA這個領域有比較大的投入，也培養了一批人才，我希望這批人不僅能成為RNA研究的中堅力量，也可以成為原創性RNA應用轉化的中堅力量，大家一起努力把這個領域越做越好。

女性做科研：逢山開路、遇水搭橋，絕不放棄

科學家應該承擔哪些社會責任？您自己會做些什么？

中國科學院認為科學家應該心系國家事、肩扛國家責。我覺得這句話說得特別好。我很開心能生活在一個尊重知識、尊重人才、尊重勞動、尊重創新的時代，讓我能夠去做自己想做的科研工作，也獲得精神上的回饋。

具體到我個人，首先就是要做好科研工作，我現在45歲，我希望自己不要在這里就停滯不前了，而是還能再有新發現、新突破。其次我希望能帶好團隊，為國家培養相關的人才。作為一個重點實驗室的主任，我會努力扶持青年人才，充分利用自己在RNA領域的研究經驗，多和他們交流，至少在他們回國初期最需要支持的一段時間里，能為他們提供支持和幫助。此外，我和我的團隊還會積極參與科普工作，提高全民尤其是青少年兒童對科研的興趣和熱情，把科研的種子播在他們幼小的心靈上，讓他們以成為科學家、從事科學相關的工作為榮。

對于年輕的科研人員，尤其是女性科研人員，您有什么建議？

做科研是一件很美好的事情。因為這是一項追求真理的工作，所以做科研也是一件很酷的事情，同時讓我們有機會去體驗很不一樣的人生。研究的英文叫作research，拆解一下就是re-search，這意味著它是一個曲折的但是會螺旋式上升的過程。所以我希望研究者在任何時候都要堅持，不要放棄，最終一定會有收獲。

對于女性科研人員，我有太多話想說。作為一名女性導師，我想對女生們說：不要讓你拿到博士學位的那一天成為你職業生涯的終點。在生命科學領域，研究生中女性比男性更多，但是她們中能夠堅持科研道路，最終成為教授、研究員的比例非常低。這種差異表明，許多女性科研工作者在職業生涯早期就離開了活躍的學術研究一線。

因此我想呼吁青年的女性科學家，不論多難，只要你喜歡做科研，就一定要堅持。作為女性，我十分理解我們還要承擔來自作為母親、作為子女的社會責任和壓力，但在遇到困難的時候，少些抱怨、不怕苦累，積極尋求家人、單位和社會的幫助，著力去解決問題，借助大家的力量幫自己度過最艱難的階段。哪怕是在生完孩子的最初兩年，確實因沒人幫忙而不得不離開，等這兩年克服過去，還可以重回崗位。一定不要輕易說“我不干了”，要堅定信念、堅持自我并激勵自我，不要輕易掐滅心中的科研火焰。

此外，作為在職業中期的一名女性科研人員，我同樣面臨著困難和壓力——要協調好自己作為團隊負責人、作為母親、作為子女、作為妻子的角色常常并不容易。但是同樣的，我們也可以多找渠道來紓解自己的壓力，采取更高效的方式，堅持自己對科研的初心。

術語對照

lncRNA.......................................................... long non-coding RNA

長非編碼RNA

snoRNA............................................................ small nucleolar RNA

小核仁RNA

sno-lncRNA.................................. 含有小核仁RNA的長非編碼RNA

SPA RNA................ 5′snoRNA capped and 3′polyadenylated RNA

5′端有小核仁RNA帽子、3′端有多聚腺苷酸尾巴的RNA

circRNA......................................................................... circular RNA

環形RNA

rRNA.......................................................................... ribosomal RNA

核糖體RNA

tRNA.............................................................................. transfer RNA

轉運RNA

snRNA................................................................. small nuclear RNA

小核RNA

miRNA............................................................................... microRNA

微小RNA

piRNA............................................................. Piwi-interacting RNA

Piwi相互作用RNA

mRNA...................................................................... messenger RNA

信使RNA

ADAR................................ Adenosine Deaminases Acting on RNA

RNA腺苷脫氨酶