环形RNA的新发现：免疫分子调控与疾病治疗应用前景”
标题：环形RNA生成和功能机制的研究获上海市自然科学奖一等奖
导语：在上海市科学技术委员会的资助下，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心研究员陈玲玲领导的研究团队，凭借其深入探索环形RNA生成和功能机制的工作，荣获2022年度上海市自然科学奖一等奖。该奖项表彰了他们在这一领域的重要贡献。
正文：
1. 神秘的SC35核斑
1989年的秋天，哈佛医学院汤姆·马尼亚蒂斯（Tom Maniatis）实验室的博后付向东在筛选了几百株单克隆细胞系后，终于鉴定出了一个全新的剪切因子——SC35。付向东发现，SC35在细胞核中的分布呈现出有规律的斑点状。经过与冷泉港实验室的大卫·斯佩克特（David Spector）的合作，他们发现SC35组成的斑点与大卫早先发现的“核斑”结构高度重合。他们推测，SC35核斑为RNA分子的剪切提供了特殊的活动场所。
2. NEAT1和NEAT2的发现
将近20年以后，借着基因组学技术发展的东风，哈佛医学院的安德鲁·切斯（Andrew Chess）团队发现了两条名为NEAT1和NEAT2的长链非编码RNA。顾名思义，非编码RNA本身并不能编码产生蛋白质，但能以其他方式调节细胞活动。安德鲁团队发现，NEAT2（人类肺腺癌转移相关转录本1，简称MALAT1）集中在SC35核斑内部，而NEAT1分布在SC35核斑外围的一处名为“旁斑”（paraspeckle）的结构之中。
3. 陈玲玲的研究
陈玲玲彼时正是戈登·卡迈克尔（Gordon Carmichael）指导的博士研究生，她在博士阶段研究发现NEAT1是旁斑的形成所必需的RNA，在人胚胎干细胞发育分化的过程中，NEAT1能通过影响旁斑的形成，进而对信使RNA转移出细胞核的效率进行调控。她关注到了一个有趣的现象：在当时已经鉴定出的上万种长链非编码RNA之中，NEAT1和NEAT2是唯二在末端不存在多聚腺嘌呤“poly（A）尾巴”的例外。这令她不禁好奇：在茫茫的基因组中，“poly（A）尾巴”缺失的NEAT1和NEAT2是否还有其他“亲戚”呢？
4. 对“poly（A）尾巴”缺失的长链非编码RNA的研究
从sno-lncRNA的发现到“滴血验病”的临床可能，陈玲玲作为独立研究员获得康涅狄格州干细胞研究的种子基金，与当时在同一研究机构工作的杨力博士（现任复旦大学教授）合作，开始对“poly（A）尾巴”缺失的长链非编码RNA进行了系统性研究。2010年陈玲玲回国，在中国科学院原上海生物化学与细胞生物学研究所组建了自己的研究团队。随着研究进展，陈玲玲和杨力推测，NEAT1和NEAT2这两个特例的背后很可能还隐藏着一类新型的RNA分子。经过两年的研究，他们一共找到了超过300种 “poly（A）尾巴” 缺失的长链非编码RNA。有趣的是，其中表达量比较高的几个有代表性的RNA分子，在基因组中的位置竟然也非常集中，都坐落于15号染色体q11到q13间一段跨度为100kb左右的区域之中。这几个 “poly（A）尾巴” 缺失的新类型RNA分子，由于在它们的头尾都具有snoRNA的特征序列，因此被陈玲玲命名为“sno-lncRNA”。随后的研究中，陈玲玲团队又揭示了一类特别的分子家族，称为SPA（5’snoRNA capped, 3’polyadenylated RNA），它们特别之处在于：5’末端是snoRNA ，但3’末端则具有poly（A）尾巴。
5. 环形RNA的发现及其功能
随后的研究发现，sno-lncRNA和SPA，为一种名为“小胖威利症”罕见遗传病的临床诊断提供了新的希望。这种疾病的患者往往会出现神经发育迟缓和身材异常肥胖等症状，如果能在小胖威利症刚发生时就能准确地进行诊断，那么就可以及时进行生长激素治疗，从而减轻病情。
6. 免疫分子NF90和NF110的作用
此外，陈玲玲团队还发现了一些免疫分子，例如NF90和NF110，它们可以在细胞核内结合，处于从线性向环形转化过渡阶段的RNA分子，通过稳定其构象促进环形RNA分子的产生。当病毒感染入侵免疫系统时，大量的NF90和NF110免疫因子进入细胞质对病毒的遗传物质进行围剿。这样一来，细胞核内的NF90和NF110数量减少，环形RNA的产生效率也随之降低；与此同时，免疫系统激活的核酸内切酶RNase L，可以快速降解细胞质中的环形RNA。两个因素合在一起，环形RNA产生效率降低，分解速度提高，总体的数目自然也随之快速降低下来。
7. 免疫分子PKR与环形RNA的关系
那么，受到如此精细调控的环形RNA分子，在细胞中究竟发挥着怎样的生物学功能呢？对于免疫分子NF90而言，它结合环形RNA的亲和度要比同样序列的线性RNA更加强。那么在其他免疫分子之中，是否也有类似于NF90具有更偏好结合环形RNA的情况存在呢？利用生物化学手段，陈玲玲团队的博士研究生刘楚霄系统地筛选了免疫通路中RNA结合蛋白对环形RNA的结合能力——研究者最终发现免疫分子PKR能紧密结合环形RNA，并且活性也会随着结合环形RNA而被抑制。为什么环形RNA会抑制PKR呢？刘楚霄设计了化学方法标记细胞内的环形RNA分子的单链和双链的区域，并结合高通量测序等手段，预测环形RNA在细胞内的折叠状态。这使得他们发现很多不同的环形RNA分子具有类似的折叠方式，即形成分子内的短双链结构（这完全不同于具有一样序列的线性RNA）。这一环形RNA独具的特征使其特异结合并抑制免疫分子如PKR等在正常情况下的过度激活（如图所示）。图注：环形RNA分子能够结合并抑制免疫分子PKR的活性，为治疗红斑狼疮提供了新思路。
8. 环形RNA在红斑狼疮等炎症性疾病中的应用前景
关键的是，免疫分子PKR活性的过度激活，正是一部分红斑狼疮患者的重要特征。陈玲玲团队联合上海交通大学医学院附属仁济医院的沈南教授团队发现，在红斑狼疮患者的免疫细胞中的环形RNA水平要低于对照人群。那么是否有可能将环形RNA设计成具有特殊折叠构象的RNA药物，通过抑制免疫分子PKR来缓解红斑狼疮患者的症状呢？陈玲玲团队设计出了低免疫活性的环形RNA分子，并初步在细胞实验中进一步验证了它们对于PKR免疫通路的抑制作用。环形RNA分子，未来是否能在PKR异常激活的炎症性疾病模型乃至人体临床试验中取得成效呢？最近陈玲玲团队的研究表明，体外合成的环形RNA分子在PKR异常激活的红斑狼疮小鼠模型中显示出了显著的抗炎活性。这一发现为环形RNA在未来炎症性疾病治疗中的应用带来了新的希望。
结语：
总之，陈玲玲研究员领导的研究团队在环形RNA生成和功能机制方面的研究取得了重大突破，他们的研究成果不仅丰富了我们对长链非编码RNA的理解，还为临床疾病的诊断和治疗提供了新的途径。在未来的研究中，环形RNA将继续成为科研领域的热点，为医学界带来更多的惊喜。