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“硬币的另一面”miRNA通过增强子介导的基因激活

Published at: 2015年第1卷第S1期

张哲宁
关键词:

miRNA 是真核生物中广泛存在的一种长约21到23个核苷酸的核糖核酸(RNA)分子,可调控基因的表达。miRNA通过与目标信使核糖核酸(mRNA)结合,进而抑制转录后的基因表达。miRNA在基因表达调控、细胞周期、生物体发育时序等方面起重要作用。

在既有理论中,miRNA抑制理论占有绝对优势地位,复旦大学生物医学研究院于文强教授实验室发现了miRNA激活机制这一颠覆性的研究结果,并提出了核内激活miRNA(NamiRNA,Nuclear Activating miRNA)的概念,引起了学术界广泛的关注和讨论。我们有幸采访到于教授就这一问题进行进一步解读。

Q                    A

AME                  于教授

AME Publishing Company        于文强

AME:我们知道您多年来致力于细胞核内miRNA功能及其在通过增强子介导的基因激活作用的研究并获得颠覆性成果。您当初是如何发现NamiRNA的?为什么会想到要开展这方面的研究?

于教授:最初人们认为miRNA的发卡结构中只有其中一条链中的序列发挥调控作用,另一条链会降解掉,但后来越来越多的证据发现miRNA 的上下链,都会作为独立的miRNA 发挥作用。当时我们想的问题很简单:这两个miRNA在作用上是相同?相反?还是相互协作?为了回答这些疑问,我先让学生在UCSC Genome Browser上把当时已经确定的700多个人类miRNA在基因组上面的位置标出并顺便将miRNA所在基因组位置周围的组蛋白修饰信息一并采集,就发现了一个非常有意思的现象。在当时人类700多个miRNA中,大概有将近400个miRNA所在的基因组位置上存在H3K27ac或H3K4me1的富集。 超过半数的miRNA跟增强子特征性的组蛋白修饰标记是重叠的,那么这是巧合还是有规律的?既然miRNA基因组的位置上和增强子有重叠,那么就有理由推测miRNA可能与增强子具有相关性。

如果说miRNA和增强子有关系的话,基于当时对增强子调控基因的有限认识,我们大胆假设它首先会对它周围的基因产生影响,因为远距离调控你根本不知道它调控哪些基因,所以先从附近的基因着手。当我们构建pre-miRNA的载体并转染细胞过表达选定的miRNA后,发现miRNA周围的基因确实是有上调的,当然不同的基因上调的水平不同,不同的miRNA上调的基因数目也不一样,与miRNA的距离不完全一样,但至少证明在细胞中高表达miRNA之后,它确实是能够上调基因的。事实上人们早就已经发现当把一个miRNA转染进细胞的时候,有的基因是上调的,有的基因是下调的。只不过碍于3'-UTR负向调控理论,人们往往把上调的基因基本上选择性地忽略不管而已。

接下来我们要问的问题是miRNA除了能够上调周围的基因,是否还可以远距离地对基因调控发挥作用?也许是巧合,我们选择的miRNA-24,它有 两个双胞胎兄弟,分别为miRNA-24-1和miRNA-24-2,成熟序列是一样的,但是它的前体是不一样的,当然也就分布在基因组中不同的位置。当我们把miRNA-24-1转入细胞后,不仅可以激活miRNA-24-1周围的基因,同时可以激活miRNA-24-2周围的基因。这样就证明miRNA激活基因不仅仅是局部作用,还会有一个远距离的作用。进一步做起来就比较简单了。我们把增强子进行基因敲除以后,看看miRNA转染细胞后到底还能不能激活它周围的基因。非常有意思的是,相关增强子敲掉以后,这个miRNA就不能激活它周围的基因或者远距离的基因了。说明miRNA的激活跟增强子的完整性有关系。

在做研究的过程中发现了问题,逐步地去解析这些问题,就会发现一些不一样的结果。对一些跟以前的结果不太一样的情况,这个时候如果用原理论不能解释,可能要上升一种新的理论来解释你的发现。

AME:NamiRNA在疾病的发生发展过程中扮演何种角色?请您简单谈谈其功能和作用机制?

于教授:miRNA具有很强的组织特异性,比如说miRNA-122在肝脏中的表达是非常保守的,从低等动物斑马鱼到高等动物,miRNA-122表达的序列是一模一样的。再比如说miRNA-1是唯一一个在肌肉中高表达的,它在其他组织中是非常少的。另外我们知道增强子其实也有很强的组织特异性。既然miRNA有组织特异性,增强子也有组织特异性,那么miRNA和增强子是一个什么样的关系。我们这个研究证明miRNA和增强子是一个相互依赖和相互调控的关系。

比如说miRNA-122肝脏中是特异性表达的,但是miRNA-122和肝脏是一个什么样的关系或者作用, 到目前为止众说纷纭。有一篇发在Science上的文章说miRNA-122可以促进丙肝发展,进一步解释是因为miRNA-122促进丙肝病毒的复制,这揭示了丙肝病毒为什么会感染肝细胞。这个解释看似是有道理的,但是miRNA-122最主要作用是促进丙肝病毒的复制,这个从进化角度我觉得很难理解。原因是一个组织细胞特异表达了一个基因是为了帮助外来的入侵者然后复制,最后来破坏自己。这个从进化上我觉得是解释不通的。

我们认为如果miRNA-122是肝特异性的miRNA ,肝脏也有特异性的增强子,那么 miRNA-122和肝脏的功能或者肝细胞的一些特征可能具有非常强的相关性。举个例子,把miRNA-122敲掉以后,老鼠会得肝癌。我们认为是miRNA-122结合肝特异性的增强子上进一步激活肝特异性的基因表达,我觉得这个是一种比较合理的解释。

再比如说在一些生殖有关的miRNA ,比如精子来源的miRNA一旦在老鼠里边缺失以后,胚胎发育就会停止。我们知道精子的胞浆是很少的,所以我们有理由推测精子的miRNA就在精子的细胞核里面,它在胚胎早期发育中可能会有非常重要的作用,和胚胎的早期发育和很多基因的激活可能具有非常重要的作用。总得来讲miRNA和增强子的关系可能会解释我们很多疾病中miRNA的真正作用,它在维持细胞的身份方面具有难以替代的功能。

AME:NamiRNA在临床应用上的前景如何? 是否已经有相关的临床治疗/试验已经开展?

于教授:miRNA在临床的应用前景,很重要的部分是对疾病的认识,我们会重新去探讨,找出疾病最关键的发病或者致病因素,最后发挥作用。至于说是否有临床的治疗或者试验,我认为目前还没有。因为miRNA激活基因从我们研究来讲才刚刚开始。用于临床的话,可能为时尚早。

要说临床应用,miRNA-122也许是一个非常好的靶点,但是需要进一步去验证,还有很长的路要走。

AME:关于NamiRNA,目前您的研究团队是否在做一些进一步的研究工作?还有哪些研究值得我们期待?

于教授:我们的文章里面提出了NamiRNA的概念,2017年因基因剪接研究而获得1993年诺贝尔生理或医学奖的麻省理工学院教授Phillip Sharp在Cell杂志发文称,通过生物信息学分析发现增强子与miRNA的表达密切相关,而超级增强子介导的miRNA表达与组织特异性的形成有关。这篇Cell刊发的文章最主要的结论和新意就是增强子活性与miRNA的表达具有超强的相关性,他们的结果和分析不仅验证了我们的已发表的研究发现,并进一步支持我们提出的miRNA激活理论。所以现在应该有两篇文章和我们的结果是一样的,miRNA的激活应该有非常多的工作可以去做。

首先miRNA可以定位于胞核中。我们知道目前的理论是通过pre-miRNA通过Drosha切以后转运到胞浆里边,通过胞浆Dicer切3'-UTR发挥作用。关于在胞核中的这些miRNA我们现在猜测它应该不会出核。原因是pre-miRNA代谢很重要的代谢相关分子都在胞核中,胞核miRNA可能是有一种机制切完以后pre-miRNA直接在胞核中加工成为成熟的miRNA ,最后发挥它在胞核中增强子激活的作用。

还有一个很重要的问题是胞核中的miRNA和胞浆中的miRNA有什么区别。在国外开会很多人也跟我探讨这个问题,我现在猜测是这两种miRNA的修饰会不一样。也许在胞核中的miRNA有一种特殊的修饰,比如像m6A的修饰或者其他的修饰,导致miRNA会待在胞核或者胞浆。

另外就是,胞核中的miRNA是如何激活增强子的,这一块也有非常多的重要机制和工作去做。我想只有细胞浆的miRNA和细胞核的miRNA共同作用的话,才会有可能来共同解释miRNA领域里在很多悬而未决的问题。我们现在觉得miRNA在胞核中的作用比胞浆的作用可能还要重要的多,尤其是在维持细胞特性方面,它的功能应该会很重要。

AME:您认为NamiRNA大概什么时候能够被科学界广泛接受?

于教授:我相信如果我们最近的文章被发表的话,用不了两三年吧。也许五年之内,我想五年之内肯定是没有问题。最近我们国内外也有很多合作,如果这些合作的文章陆续地出来支持NamiRNA研究。我们会一如既往地把核内miRNA功能做下去,也希望跟很多单位去合作做出核内miRNA到底是通过增强子怎么去激活基因,完成这些功能的实验。我想这个理论最终还是会被接受的,只不过人们需要转变一下观念。Victor Ambros是发现第一个miRNA的人,我当时给他写信的时候,他认为我们提出了miRNA作用的另外一种模式。他的抑制理论并没有错,只不过我们激活理论对miRNA的功能是一个非常好的补充,是两方面共同发挥作用。像一个硬币以前我们只关注了其中一面而没有关注另外一面。

AME:关于非编码RNA的各项研究,可否请您做一个总体的评价?

于教授:非编码RNA的研究目前应该说在生命科学领域是非常火的。非编码的研究目前提出了各种各样的理论,激活也好,抑制也好,目前没有一个非常完善的理论支持。在什么样的情况下就会激活基因,在什么情况下就会抑制不是很清楚。规律性的东西还是比较少的。这里就导致每一个人研究的结果可能不太一样。需要对领域去梳理,最终能够找出一些规律性的东西。

最早发现一个miRNA ,如果跟肿瘤有关系,可以发在Cell杂志,跟转移有关系可以发到Nature杂志,现在发现miRNA似乎和什么东西都有关系, miRNA好像几乎都有作用又似乎都没有作用。如果一个研究变成了“狗皮膏药”,人们会怀疑它到底是什么样的作用。miRNA研究发了7万多篇文章,现在很多文章发了就放在那里了,就是一篇文章摆在书架上,对个人是有用的,对科学的发展来说是没有用的。

AME:您最初是从事血液病研究,但后来却选择做表观遗传学方面的博士后,能否分享这一转变的原因?

我大学毕业的时候分配在第四军医大学微生物教研室从事基础性研究,师从微生物领域著名的汪美先教授。当时觉得自己学医以后,还是要做临床工作解决问题,后来就去血液科做医生。做医生大概做了十几年,中间读了硕士和博士。后来发现一个很重要的问题就是临床医生有很多病治不了,特别是我们血液科的白血病,治了半天最后病人去世了,工作了几年成就感很差。尤其是对一些病人,家里边经济比较困难的时候,最后病人是人财两空,把病人治没了,病人家里的钱也花完了,这时候病人的家属孩子将来怎么去生活都成了一个问题。当然了现在血液病治疗有很大的进步,在当时的情况下,我觉得医生除了最后挣点工资之外,成就感还是很差的。

以上是一方面的原因了,另一方面是我在博士毕业以后去国外,当时选了表观遗传学这个领域。表观遗传学2000年以后突飞猛进的发展,到瑞典以后才发现这个领域里可做的东西太多了,有很多非常有意思的问题,所以这么多年一直在做。做一个临床医生,我们去救一个病人,你一辈子又能看多少病人。如果说我们做研究,在某些方面有一个突破的话,受益的就不是你所治疗的患者,会是成千上万的病人通过你的研究受惠。也许我这一辈子做不出什么特别大的贡献,但是我喜欢做我自己的事情,我也希望通过我的努力,对科学有所贡献。

AME:您先后在瑞典Uppsala 大学、美国Johns Hopkins大学 、美国哥伦比亚大学学习和工作,这几段海外留学经历对您回国后开展各项工作有何影响?您是否鼓励年轻学者出国进修学习?对于计划出去留学的后辈,您有何心得可以分享?

于教授:我如果没有出国的话,现在肯定还是医院的临床医生,不太可能去做基础研究。海外的经历对我的影响还是很大的,上个世纪九十年代,我们国家那个时候和国外的科技水平差别还是蛮大的。我们去国外是怀着一种非常强烈的学习的心态,觉得我们自己无论是科研思维还是掌握科研技术都有需要提高的地方,那时候是非常虔诚地去学习,学习他们的理论,学习他们的工作态度和方法。对我来说影响比较大的是国外研究者对工作的态度。我到瑞典的时候,发现每一个人做事情非常的认真。瑞典那个国家教授的工资比环卫工人工资也高不了多少,但是即使清洁工打扫厕所都会有非常好一套程序。他会非常高高兴兴地把这项工作做的非常的细致非常的好。给我的感觉是每个人都是非常高高兴兴地完成他的本职工作,任劳任怨。属于他的工作他就会认认真真地做好。

另外国外的研究者对工作的态度和执着,尤其我在瑞典的老板,对我的影响非常大。他一天主要的心思都在科研上。比如我们自己做出一些实验结果,他整天在实验室门口皱着眉头,走过来走过去,边想边走。他沉浸在对科研的思考中,让我们觉得是一种非常陶醉的状态,他就喜欢他做的工作。科研讲的是兴趣,做点东西会沉浸在其中,遇到困难对你来说都算不了什么。那是一种真正的热爱。

当然的还有一个对我的影响比较大是国外的研究者的做任何事情的自信,当初我们出国的时候,在科研的诸多方面,我们的自信心还有所欠缺。国外的学习,让我更多的学会了对科研的执着和自信,现在我对学生讲最多的话就是,你的结果如果重复三次还是同样的结果,最后通过我们实验室其他人用你提供的同样方法,能重复你的结果话,这时候我就认为你的结果是对的。即使你的结果和传统理论不符合的时候,我就会提出一种新的想法和思路,一种新的假说来来解释你的结果,miRNA通过增强子激活基因理论很好的体现了这个思路。做好科研,自信是绝对重要的,你认为对并且有依据证明你是对的。如果和目前的理论相左的话,你要有信心提出一套新的假说支持你的实验结果。我有时也和我的学生调侃“你们一代出生太晚了,因为在科学上比较容易解决的问题都已经被人解决完了。现在你说还有留下容易的问题等你来解决是不可能的,只会是越来越难的问题,你的责任和任务就是要想办法解决这些问题。”

现在国内的科研条件也不比国外差,我还是鼓励学生出去,原因是国外的研究者的研究氛围和研究思维和我们比还是有一些不一样。不做科研出去看看也是值得的,可以对世界有更多的了解,对不同民族的文化有一个了解。这样的话无论是对科研还是对人生,会有很大的意义。

要做科研的话,最好能够出去在一些好的实验室做熏陶或者训练。高中、本科的学习都是获得知识的阶段,到研究生阶段就是一个创造知识的过程。假如说能够发现前人没有发现的东西,就会创造一种知识,做研究是创造知识的过程。能够提出跟别人不一样的理论,提出不同的方法,解决不同的问题,最终通过你的努力解决问题。

现在我们的学生很多确实存在出国的动力没有像我们当初那么足,当然也存在很多其他方面的因素,但是计划出国的话,还是要找一些好的实验室。不过去了这种实验室压力也会很大,科研还是需要很大的投入的尤其是生物这一块,没有足够的时间投入,没有很长的时间去琢磨,要做好还是比较难。无论是三年还是五年,当离开国外实验室的时候,这一段人生经历,无论是待人接物还是科研的思维各方面,都会对你有所帮助。如果你出去就是想在在国外过很舒服的生活,很难想象对将来的人生能带来多少益处或帮助。

专家介绍

于文强教授, 博士生导师 ,国家“973”项目首席科学家 ,复旦生物医学研究院表观遗传学中心PI,长江学者特聘教授,国家 “973”计划“染色质解码的基础及医学应用基础研究”项目首席科学家。1989 年毕业于第四军医大学获医学学士学位,2001 年在第四军医大学获博士学位,2001-2007 年在瑞典 Uppsala 大学和美国 Johns Hopkins 大学博士后。2007 年 11 月任美国哥伦比亚大学 Faculty 和 Associate Research Scientist。现任复旦大学生物医学研究院 PI 、研究员。研究成果发表在 Nature,Nature Genetics, JAMA 等杂志。

本文作者:  Kate 

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采写编辑:张哲宁 AME Publishing Company

责任编辑:陈媛玲 AME Publishing Company

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