摘要
总的来说, 科学, 尤其是生命科学, 为我们提供了一条引人入胜的探索之路。 随着对某个特定主题钻研得越来越深, 你会意识到某些刚开始时完全没注意到的东西。有时, 这种新的认知甚至会促使你重新考虑并重新定义之前学过的一些极为基础的概念。这正是我们发现 RNA 剪接机制后的感受。在 RNA 剪接中, 遗传指令片段被剪切并拼接在一起, 形成用于生产蛋白质的最终指令。RNA 剪接机制的发现促使我们重新思考先前关于基因（生物学中最基本的信息单位）的理解。在本文中, 我将回顾 RNA 剪接的发现过程, 并讲述它如何影响了我们对基因的看法, 以及我们现在如何利用这些知识来显著改善人们的生活。
凭借关于断裂基因的发现, 菲利普 ⋅ 夏普 (Phillip Sharp) 教授与理查德 ⋅ 罗伯茨 (Richard Roberts) 教授共同获得 1993 年诺贝尔生理学或医学奖。
从基因到蛋白质—— DNA 如何指挥细胞工作
最基本的生命过程之一涉及读取以 DNA 形式储存在细胞中的遗传信息（或称"指令"）, 并将这些指令转化为生物体的结构和功能（图 1）。DNA 代码中的指令用于指导生产蛋白质——这些微小的生物机器在体内执行许多至关重要的功能。从 DNA 中生产蛋白质需要一个中间步骤, 称为转录。在转录过程中, DNA 序列（称为基因）中的一套指令被制成一个可移动的副本, 该副本可移动到细胞中的蛋白质生产工厂。这种驱动蛋白质生产的 DNA 副本被称为信使 RNA（mRNA）。细胞根据 mRNA 中的指令生产蛋白质的过程称为翻译。
- 图 1 - DNA 包含制造蛋白质的信息。
- 活细胞主要通过两个步骤, 利用 DNA 中的遗传信息生产蛋白质。首先, DNA 中的信息通过一种称为"转录"的过程被复制, 为特定蛋白质的指令创建一个可移动的 mRNA 副本。然后, mRNA 移动到细胞的蛋白质生产工厂, 在那里通过一种称为"翻译"的过程生产特定蛋白质。
在进化过程中, 从 DNA 制备 mRNA 的过程变得更加复杂。在转录和翻译之间出现了一个全新的中间阶段, 称为 RNA 剪接。在这个阶段中, 独立的 mRNA 片段被剪切并拼接在一起, 以产生最终版本的 mRNA。下文将讲解 RNA 剪接机制、发现过程和积极意义, 以及如何利用这些知识来帮助患有某些疾病的人们。
细胞核对 RNA 剪接至关重要！
地球上最古老的物种是无细胞核的单细胞生物[1], 因此它们的遗传物质没有被膜与细胞其他内容物隔开。细胞核是在大约 10–15 亿年的进化之后才出现的, 无细胞核的生物称为原核生物, 而细胞中有细胞核的生物称为真核生物。细菌是一种著名的原核生物。相比之下, 包括人类在内的所有哺乳动物都是真核生物。
蛋白质生产过程最初是在细菌中发现的。研究人员注意到, mRNA 副本是从一段连续的 DNA（一个基因）上制造出来的, 然后被翻译成特定的蛋白质（图 2, 左）[2]。当时, 大多数研究人员认为真核细胞中差不多也是这样的过程。但几年后, 我们发现真核细胞在转录之后、翻译之前多了一个步骤[3]。在这个步骤中, 通过转录产生的 mRNA 被剪接（剪切和拼接）以产生参与翻译的最终 mRNA。最初的 DNA 副本称为前体 mRNA, 而剪接后的最终版本称为成熟 mRNA（图 2, 右）。
- 图 2 - 原核细胞与真核细胞中的蛋白质生产。
- （左）在像细菌这样没有细胞核的原核细胞中, mRNA 通过转录从 DNA 中产生, 然后直接翻译成特定蛋白质。（右）在真核细胞中, 前体 mRNA 通过转录在细胞核内产生。然后, 前体 mRNA 经历一个称为 RNA 剪接的额外加工阶段。只有在那之后, mRNA 才会离开细胞核并前往蛋白质生产工厂, 在那里进行翻译（图片改编自可汗学院）。
剪接—— RNA 的剪切与拼接
不妨将 RNA 剪接（即前体 mRNA 变为成熟 mRNA 的过程）想象成编辑一本图书。假设你有一本书, 其中有一些有意义的只言片语, 接着是一大堆无意义的胡言乱语, 然后又是一些有意义的词语。要使这本书可读, 你必须删掉那些胡言乱语, 并将有意义的词语拼接起来, 构成了具有实际意义、能读懂的句子。回到 mRNA, 事实证明, 前体 mRNA 由有义和无义的 DNA 序列共同创建。有义序列称为外显子, 无义序列称为内含子。前体mRNA分子被剪接时, 有义片段被连接在一起, 而无义片段则被移除并降解。这种"剪切与拼接"过程产生了用于生产蛋白质的成熟 mRNA。
但为什么真核生物的 DNA 中首先会有这些无义的内含子呢？嗯, 科学家们也在思考这个问题, 目前还没有确切答案。我们知道人类大约有 23, 000 个基因, 几乎所有基因都由多个外显子组成。这些外显子在不同的细胞中, 或在同一细胞的不同时期, 以不同的组合方式被剪接在一起。这意味着, 通过选择将哪些外显子连接在一起, 便可从同一个基因中创造出多种蛋白质（因此也就有多个功能）。这被称为选择性剪接（图 3）。一些科学家提出, 选择性剪接是人类这样的复杂生物得以进化的原因。选择性剪接使DNA得到高效利用—— 采用选择性剪接的生物能够用更少的基因合成复杂的蛋白质并执行复杂的功能。
- 图 3 - 选择性剪接。
- 在选择性剪接中, 外显子以不同的组合方式连接在一起, 产生不同的 mRNA, 进而从同一个基因内产生具有复杂功能的不同蛋白质。这可能是人类这样的复杂生物得以进化的优势所在（图片改编自维基百科）。
病毒帮助我们发现 RNA 剪接
为了在实验室中研究 mRNA 剪接, 我们使用了一种称为 2 型腺病毒的病毒[3]。这种病毒的 DNA 相对较短, 会利用动物细胞非常迅速地复制自身 DNA。这两点意味着该病毒在科研中相对容易使用, 因为它是一个简单的系统, 可自行制造大量副本。
选择 2 型腺病毒作为研究系统后, 我们决定对比它的 DNA 与 mRNA 分子。如果某个 mRNA 与某段特定的 DNA 完全匹配, 则表明该 mRNA 是直接从 DNA 复制而来, 没有经过剪接 — — 就像细菌中发生的那样。但如果 mRNA 与那段特定的 DNA 不匹配, 则表明成熟 mRNA 的形成经过了剪接。
在 DNA-mRNA 对比中, 我们选择了 2 型腺病毒中最常见的 mRNA, 它为一种称为六邻体的蛋白质编码。通过比较该 mRNA 与 DNA 的相关部分, 我们发现两者之间存在两个不匹配的区域。一个区域称为 mRNA 链的 3′ 端（图 4, 绿圈）, 我们已知该区域是为了保护 mRNA 在细胞中移动而添加的特殊" 尾"端。另一个不匹配的区域位于mRNA链的另一端, 称为 5′ 端（图 4, 蓝圈）, 其中包含了一段与特定 DNA 片段不匹配的长 mRNA, 来历不明, 让我们很惊讶。
- 图 4 - 从腺病毒的 DNA 与 mRNA 对比中我们发现了 RNA 剪接。
- (A) 在研究中, 我们使用腺病毒来探索真核细胞内的 mRNA 剪接机制。通过对比相关的 DNA 片段（黑色粗线；黑色细线是分开的另一条 DNA 链）与编码六邻体蛋白的 mRNA（红线）, 我们发现了两个不匹配的区域: mRNA 的 3′ 端和 5′ 端（绿色和蓝色圆圈）。看到 mRNA 5′ 端的一个长片段不与 DNA 结合, 我们非常惊讶, 这表明 mRNA 的生成涉及另一个过程。 (B) 图中显示当两条 DNA 链在实验中分离时, 一条 RNA 链如何与一条 DNA 链结合[图片改编自 Berk [4]]。
为了解开这个谜团, 我们必须找出 mRNA 5′ 端那个不匹配区域的来源。经过多次讨论, 我们提出了一个想法: 不匹配的片段可能来自 DNA 中的其他位置。这意味着, 有一段连续的 DNA 编码了六邻体 mRNA 的大部分区域, 而 DNA 中另一处不同的片段编码了 5′ 端。为了验证这个想法, 我们从第一次实验中与六邻体 mRNA 大部分匹配的 DNA 区域附近选出另一段 DNA 片段, 与六邻体 mRNA 进行了比较。结果简直令人惊叹: 六邻体 mRNA 的 5′ 端以四个独立的片段连接到 DNA 上, 并且在这些片段之间有三个 DNA 环（图 5）。这意味着 5′ 端是由四个独立的外显子剪接而成, 并且这四个外显子被三个内含子隔开。
- 图 5 - 六邻体 mRNA 的剪接。
- (A) 六邻体基因（DNA）的一部分包含四个外显子和三个内含子, 六邻体 mRNA 的 5′ 端由这些外显子和内含子剪接而成。前体 mRNA 是 DNA 的直接副本, 但成熟 mRNA 经过剪接, 去除了内含子。 (B) 在我们的实验中, 腺病毒 DNA 的某些部分与六邻体 mRNA（红色）的 5′ 端结合, 而 DNA 的其他部分则未结合, 形成了三个称为 a、b 和c的环。附着的部分是外显子, 环是内含子。 (C) 完全剪接的六邻体 mRNA 与腺病毒 DNA 结合[图片来源: (A, B) 改编自 Berget 等人[3]； (C) Phillip A. Sharp]。
这确实是一个全新的发现, 因为此前从未有人提出过 mRNA 可由独立的 DNA 片段剪切并拼接而成。RNA 剪接的发现改变了我们对基因的认知方式！
重新思考"基因"的含义
在了解 RNA 剪接之前, 我们认为基因是一段连续的、编码特定蛋白质的 DNA 片段。但 RNA 剪接的发现告诉我们, 许多基因是断裂基因, 即它们由不同的、非连续的 DNA 片段（外显子）组合而成。此外, 我们还知道这些片段可被"混合搭配", 产生许多不同的蛋白质。甚至有一组特定的外显子编码成千上万种不同蛋白质的例子[5]！
那么, 如果基因不是一段编码一种蛋白质的连续 DNA 序列, 那么它究竟是什么？我们至今还没得出完整的答案。正如科学世界中经常发生的那样, 我们面临着令人难以置信的复杂性, 或许永远没法知道所有答案。尽管如此, 我们依旧努力扩展认知, 并充分利用已掌握的知识。正如下文所述, 关于RNA剪接的知识正被用来帮助改善病人（包括与你们同龄的儿童）的生活。
造福人类的 RNA 剪接
RNA 剪接是所有生物（包括人类）的一个基本过程, 使生物体能够"开启"或"关闭"某些基因, 从而帮助执行生命所需的许多复杂过程。正如每一个重要的生物过程, 一旦出现问题, 就可能导致疾病。要治疗这些疾病, 我们必须了解受损的生物过程是如何运转的, 然后找出修复它的方法。
一些激动人心的医学进展正是基于 RNA 剪接机制。就在几年前, 我们历史上首次成功治疗了患有一种名为"脊髓性肌萎缩症"的遗传病的儿童。这种疾病由 DNA 中的突变引起, 该突变使特定基因的 RNA 剪接失效, 导致一个重要的外显子被遗漏, 进而导致患者脊髓中控制肌肉的细胞逐渐丧失。随着脊髓细胞和肌肉的退化, 患者的肌肉功能逐渐丧失, 造成严重残疾并降低生活质量。在我们发现 RNA 剪接前, 脊髓性肌萎缩症是一种绝症。现在, 凭借对 RNA 剪接的了解, 我们可以操纵剪接过程, 将缺失的外显子补入成熟 mRNA 中, 使细胞能够生产出功能正常的蛋白质, 从而让患有脊髓性肌萎缩症的个体能够更正常地发育, 并过上相对正常的生活。
这仅仅是利用 RNA 剪接知识帮助改善人们生活的一个例子。我还创办了两家公司, 利用 RNA 剪接知识来开发重要的医疗应用。这两家公司分别是渤健（Biogen）和阿尔尼拉姆制药（Alnylam Pharmaceuticals）, 可通过这里的链接了解详情。
发现 RNA 剪接、研究整个剪接过程、思考其意义和潜在用途, 然后在 30–40 年后看到这一科学知识转化为改善幼儿生活的治疗方法, 真的让人无比振奋。这在科学世界中很常见, 也是搞科研（尤其是生物医学）如此有成就感的因素之一。科学家们不仅发现了生物系统的深层秘密, 并且这些洞见有时会带来帮助他人的方法。人一生中最有意义的事情之一就是帮助他人, 包括帮助他们更多地了解世界、了解自己是谁以及自己与他人的关系。这种理解正是人类的独特与有趣之处。
给年轻人的建议
我想与你们分享我在成长、求学与确定职业方向过程中的一些感悟。我发现, 只要我追随自己的兴趣和热爱, 就会受到激励, 去尽可能多地学习相关主题知识, 这让我能够为社会做出重要贡献。如果在人生中过于看重现实, 不花时间憧憬未来, 可能就无法看到足够多的可能性, 让梦想变为现实。不过, 若是一味沉溺于空想, 那便永远无法脚踏实地, 在不断解决问题的过程中向目标迈进。所以, 请追随自己的好奇心, 如果它能引领你走向自己热爱的事情, 那就全身心投入其中。你无法预知二三十年后的世界会是什么样子, 只需去做那些能激励自己学习的事情, 并享受其中的乐趣。
还要记住, 人生并非一马平川——它往往不是以可预测的步骤推进, 而是存在许多可能的分支。在人生的某些时刻, 你会遇到需要做出决定的节点。一个决定会带你走向一条路, 另一个决定则会带你走向另一条路。这些道路可能彼此大相径庭, 尤其是在做出影响深远的决定时, 但没关系。所以, 走到人生的岔路口时, 只管选一条路走吧！请记住, 选择时一定要遵循本心, 然后享受其中。
术语表
DNA: ↑ 储存在所有细胞中的遗传信息。
蛋白质 (Proteins): ↑ 微小的生物机器, 参与体内许多关键功能, 如肌肉运动、消化和免疫。
转录 (Transcription): ↑ DNA 被复制为 mRNA 的过程。
基因 (Gene): ↑ 一段或几段包含蛋白质生产指令的 DNA。
信使 RNA (mRNA) (Messenger RNA (mRNA)): ↑ 用于生产蛋白质的 RNA。
翻译 (Translation): ↑ 根据 mRNA 的指令生产蛋白质的过程。
原核生物 (Prokaryote): ↑ 细胞没有细胞核的生物, 例如细菌。
真核生物 (Eukaryote): ↑ 细胞有细胞核的生物, 例如人类和其他哺乳动物。
外显子 (Exon): ↑ 用于生产蛋白质的"有义"基因片段。
内含子 (Intron): ↑ 从前体 mRNA 中被移除以产生成熟 mRNA 的"无义"基因片段。
选择性剪接 (Alternative Splicing): ↑ 使用不同的外显子组合, 从同一个基因中创造出多种蛋白质。
致谢
感谢 Noa Segev 为本文进行访谈并参与撰稿, 同时感谢 Zehava Cohen 制作图表。
补充资料
RNA 剪接: 什么是基因？— Phillip A. Sharp。
诺贝尔奖得主演讲: 断裂基因与 RNA 剪接— Phillip A. Sharp。
利益冲突声明
作者声明本研究不涉及任何潜在商业或财务关系。
参考文献
[1] ↑ Cooper, G. M. 2000. “The cell: a molecular approach,” in The Origin and Evolution of Cells, 2nd Edn (Sunderland, MA: Sinauer Associates). Available online at: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9841/
[2] ↑ Jacob, F., and Monod, J. 1961. On the regulation of gene activity. Cold Spring Harb. Symp. Quant. Biol. 26:193–211. doi: 10.1101/SQB.1961.026.01.024
[3] ↑ Berget, S. M., Moore, C., and Sharp, P. A. 1977. Spliced segments at the 5′ terminus of adenovirus 2 late mRNA. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 74:3171–5. doi: 10.1073/pnas.74.8.3171
[4] ↑ Berk, A. J. 2016. Discovery of RNA splicing and genes in pieces. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 113:801–5. doi: 10.1073/pnas.1525084113
[5] ↑ Schmucker, D., Clemens, J. C., Shu, H., Worby, C. A., Xiao, J., Muda, M., et al. 2000. Drosophila Dscam is an axon guidance receptor exhibiting extraordinary molecular diversity. Cell 101:671–84. doi: 10.1016/S0092-8674(00)80878-8