非编码RNA（non-coding RNA, ncRNA）包括小RNA（small RNA）和长非编码RNA（long non-coding RNA, lncRNA），因不能编码蛋白质而被称为基因组中的“暗物质”或“垃圾RNA”。近些年的研究证明，非编码RNA在许多生命活动过程中扮演着重要角色。该领域的研究也是近期最热的生物学课题之一，曾被Science杂志评选为本世纪前10年的十大科学突破之一，层出不穷的研究结果不断地刷新着人们对非编码RNA的认识。

　　目前，多种ncRNA以及它们的功能已被发现：包括已被熟知的转运RNA（tRNA），核糖体RNA（rRNA）和微小RNA（miRNA），以及知之甚少的Piwi蛋白互作RNA（piRNA）和lncRNA。当越来越多有关ncRNA的谜团被揭开，科学家们正寻求新的方法和技术进一步探究ncRNA的神秘仙境。著名生物学家林海帆和戚益军向《国家科学评论》（National Science Review，NSR）讲述了他们关于ncRNA的研究和见解。

　　记者王玲

　　翻译 李娟

　　生物学研究的一个热点

　　NSR：从发表论文数量上来看，ncRNA的研究呈现了爆炸式的增长，为什么这个领域变得这么热？

　　林海帆：确实，“爆炸”这个词生动地形容了这个现象。 过去十年内，对这个领域的研究扩展得很迅速，这归因于深度测序技术的发展和多个基因组计划的完成。深度测序技术给我们提供了机会，去有效地捕捉这类易被忽视的ncRNA，并研究它们的特征。当诺贝尔奖得主Robert W. Holly首次发现tRNA的时候，他用了140公斤烘焙用的酵母，最后只提纯到1克可用于测序tRNA，而且只分析了70几个核苷酸。相比之下，如今仅需1微升的溶液就足以进行百万核苷酸的深度测序。而且，人类基因组计划以及其他基因组计划的完成，为基因研究提供了地图和坐标。

　　戚益军：过去的十年，基因芯片和深度测序的高通量测序技术的分析结果显示，大多数基因组DNA序列都发生RNA转录，但只有不到2%的序列是用于编码蛋白质的。换句话说，我们染色体中98%的DNA是不编码蛋白质的。这些序列之前被认为是“垃圾DNA”或“暗物质”，如今已是奇妙的宝藏，正是它们诞生出了参与广泛生物学过程的、大量的小RNA和lncRNA。

　　林海帆：这就是科学进步的一个非常典型的例子。当观察到新现象，它会引领你去探究其潜在的决定机制，继而提出合理的假设，再去全面系统地验证它。

　　方法学：条条大路通罗马

　　NSR：林教授，您关于干细胞的工作始于激光束和突变果蝇的研究，现在您在研究piRNA调控干细胞潜能和发育的分子机制。这是研究ncRNA的代表性思路吗？

　　

　　林海帆，耶鲁大学干细胞研究中心教授。（供图：Terry Dagradi, Yale University)

　　林海帆：我们关于ncRNA的研究思路是从生物学功能开始，或者说是自上而下地进行。我们首先尝试去发现一个重要的生物学问题，就是干细胞自我更新的机制。然后用遗传学方法去确定参与这个过程的关键基因。 遗传学方法之所以非常有效，是因为当一个基因越重要，通常它的表型就越明显，因此也就越容易被发现。

　　我们的研究是这样做的。为了研究干细胞，首先需要确定哪些细胞是干细胞。为此，我们把一只果蝇的卵巢尖移植到另一只果蝇体内，结果甚至可以在雄性果蝇中长出卵巢，这证明了卵巢尖里有干细胞。然后我们把这种移植技术与激光消除技术相结合，使我们可以在卵巢生殖系里找到干细胞并观察干细胞分裂现象。接着我们想知道是什么在控制干细胞分裂，为此我们首先找到了参与这个生物学过程的基因。我们的假设是，对干细胞分裂或分化至关重要的基因，如果不是表达在干细胞内部，就是表达在干细胞外部，或者两者皆有。如果这些基因的任何一个发生突变，应该就能导致干细胞分裂或分化，出现相应的缺陷。由此我们发现了数个对干细胞自我更新或分化很重要的基因，其中的一个就是Piwi。在不同物种中，关于Piwi-like基因的研究使我们发现了Argonaute/Piwi基因家族，它是第一个、也是目前唯一的一个已知的在动植物界干细胞自我更新都必需的基因家族。然后我们用遗传学方法进一步明确了与Piwi基因互相作用的其他调控干细胞的基因。在确定的8个互作基因中，之后发现有4个编码piRNA。

　　除了遗传学方法，ncRNA研究中还有其他三个重要的常用方法：生物化学方法、基因组学法，和方法学开发。

　　生物化学方法旨在找到细胞或组织中的特定分子并分析其功能。可以说是一种自下而上的研究方法。当使用这种方法时，人们更多会发现那些稳定的或有足够丰度的分子，但最初并不知道其生物学意义。尽管如此，生物化学法仍是一种跟进遗传学发现的重要方法。

　　基因组学方法包括用电脑协助搜寻基因组，定位ncRNA，获取与它们可能的调控功能相关的信息。但并不局限于这些。

　　方法学开发同样很重要。比如DNA测序技术的进步就已帮助发现了更多的ncRNA。

　　这四类方法其实是互相交织使用的，它们都有一个共同的目的：解释生物学问题。益军是一个非常出色的榜样，他的研究有效的结合了这些方法，使他在ncRNA领域做出了重要的发现。

　　戚益军：使用对的实验系统，提出重要的问题，开发新的技术，是能做出新发现的重要因素。ncRNA领域比如piRNA的发现就是一个非常好的例子。

　　林海帆：必须指出，合作和交流在ncRNA的研究中也是必不可少的。在过去几年，我们从与结构生物学家和其他专家的紧密合作中受益匪浅。此外，ncRNA研究的初期，在冷泉港有一个里程碑式的会议叫Banbury会议，由Gregory Hannon和David Baulecomb举办。会议上有几位生物学家（包括我自己）分享了他们未发表的结果，促进了该领域后续的快速发展。

　　NSR：体细胞的ncRNA和干细胞的ncRNA有什么不同呢？

　　林海帆：并没有本质上的不同，许多人在研究体细胞ncRNA。因为我的兴趣是干细胞和生殖细胞系发育研究，我主要致力于去发现干细胞或生殖细胞中的ncRNA。由于这些细胞具备全能性或多能性，ncRNA在其中更有可能参与发育相关的重要机制。

　　NSR：ncRNA研究是一项涉及多学科的研究，有各个领域的科学家参与。它仍是一个让人着迷的仙境吗？

　　林海帆：是的。科学家们会形成一个社区，有生物学专家，化学专家，信息学专家等等。研究人员时有新发现，但仍然有许多未解决的问题。例如，当我们第一个发现piRNA，对其功能却一无所知，它甚至可能只是某种“垃圾RNA”，直到挖得更深一些才了解到它的功能。还有一个例子，益军的有关小ncRNA在DNA修复中的作用是个新奇的发现。几年前我们无法想象RNA还有这样的功能，但益军做了出色的工作来展示RNA扮演的这个角色。

　　戚益军：尽管许多实验室已作出了巨大努力，我觉得我们离充分认识ncRNA仍然还很远。比如关于小RNA（我们称为diRNA）参与DNA损伤修复的发现，也是我们没想到的，这着实令人惊讶，也让我们非常兴奋，于是我们非常努力地去了解小RNA到底是如何接触到DNA损伤修复的。鉴于ncRNA研究有着意想不到的复杂性，必须在深度和宽度上去全面发展新的研究策略、方法学和各种技术。

　　林海帆：我完全同意，我们面临着类似的困境。对于一个ncRNA研究领域内出色的科学家来说，提出一个好问题可能并不像解决问题那么难。我认为事物的存在自有其理由，ncRNA在漫长的进化过程中为何变得如此普遍存在，一定是有其原因的。

　　

　　戚益军，清华大学生命科学学院教授。（供图：Xiaoling Yu, NSR）

　　中国的ncRNA研究进展迅速

　　NSR：在中国有许多优秀的研究人员。

　　林海帆：对，他们的工作很漂亮！像益军这样，具有在美国或欧洲出色的研究经历的科学家，回到中国，走在本研究领域的最前列。他们充满活力、热爱创新，没有比他们早先回国的同行当初所面临的研究条件的限制。例如，我读到一篇印象深刻的论文，是上海的刘厚奇实验室发表在Developmental Cell的文章，揭示了一类lincRNA能够维持人类胚胎干细胞自我更新的机理，这类lincRNA像海绵一样吸收一种miRNA，而该miRNA能够抑制多能性核心调控因子Oct4、Nanog和Sox2的蛋白质翻译。像益军的工作一样，这项工作说明，如果得到好的支持，中国科学家有能力做出最前沿的发现。

　　戚益军：在过去的10年或20年，中国科技经费的投入显著增加。10多年前我回国建立了自己的实验室，有足够的资源做我喜欢的科学，我感到幸运和感恩。 中国的RNA研究团队发展得非常快，我们已经组织了全国性的RNA俱乐部，每年举行两次研讨会，以交换信息和讨论想法。国家自然科学基金委员会已经启动了针对RNA研究的重大研究计划，我们希望国家能通过重点研发计划等渠道继续对RNA研究进行专项资助，大力地推动中国RNA研究领域的发展。

　　林海帆：这很好！我是中国科技部干细胞研究战略计划项目指导委员会的成员，我希望研究经费支持能做出突破成绩的优秀研究人员。

　　有待探索的谜题

　　NSR：您觉得ncRNA研究领域面对的最大挑战是什么？

　　林海帆：生物学功能、分子机制，以及基础研究如何向临床应用转化，这些仍然是ncRNA研究的挑战性领域。

　　戚益军：是的，我想补充的是，我们也非常需要开发新的研究策略和研究方法去解决以上问题。

　　NSR：公众更感兴趣的是ncRNA研究在临床中的应用。这方面有没有取得一些进展？

　　林海帆：是的。有公司在开发小分子RNA药物或诊断工具。随着进一步的发展，我相信ncRNA将是下一代医学的重要组成部分。

　　本文英文原文发表于《国家科学评论》(National Science Review, NSR) (June 2014) 1 (2): 230-232,原标题为“Non-coding RNAs: a new RNA world.”。NSR是科学出版社旗下期刊，与牛津大学出版社联合出版。《赛先生》获授权在微博和微信刊发该文章中文翻译。如需阅读英文版，请点击“阅读原文”。

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