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除了DNA编辑,还有RNA编辑

如今,基因编辑(CRISPR)已经成了生物学家手中的强大工具,通过它,我们可以很方便地在DNA上删除一个基因或者添加一个基因。不过,有一点我们别忘了,这一技术的编辑对象仅限于细胞核内的DNA。遗传物质不是还有RNA吗?我们能否编辑RNA呢?

  回答是肯定的。而且,编辑RNA有许多优点,正好可以弥补DNA编辑之不足。如今,在DNA编辑占尽风光之后,RNA编辑也正在兴起。

  发生在细胞核内的RNA编辑

  说起RNA编辑,生物学家并不陌生。我们知道,DNA上的基因的功能是负责下令合成蛋白,可是DNA在细胞核内,而生产蛋白质的工厂——核糖体——在细胞核外,如何把DNA的指令传给核糖体呢?对了,通过信使RNA(英文缩写mRNA)。DNA上的指令先转录到单链的mRNA上,再由mRNA带出细胞核,传送到核糖体。

  不过,当DNA上的指令转录到mRNA上时,事实上mRNA也在进行着编辑的工作。这是怎么回事?是这样。我们知道,DNA上存在着大量的无用的垃圾基因,“无用”指的是不负责合成任何蛋白。这些垃圾基因的编码转录到mRNA上,也是无用的。而为了不至于拖着一大堆垃圾指令跑到大老远的地方,mRNA会一边转录,一边挥刀剪去这些无用的编码,确保自己携带的信息都是有用的。你瞧,这里就已经涉及到了RNA编辑。

  这一切对于生物学家并不陌生,但很久以来他们对RNA编辑的认识也仅止于此。他们相信,mRNA在细胞核内完成编辑之后,会把合成蛋白质的“配方”诚实无欺地带到核糖体,然后在那里合成出蛋白。可是谁想得到呢,在mRNA出了细胞核未到达核糖体之前,在路上它携带的信息也是可以被篡改的。当然,这些“篡改”是mRNA在路上遇到外来的干扰(干扰可以是自然的,也可以是人工的)时,被迫发生的。如果说前面提到的RNA编辑是删除垃圾基因,那么这里的RNA编辑是对有用基因进行篡改,比如把一个碱基换成另一个碱基。篡改之后,合成的蛋白自然也被“掉包”了。这种在细胞核外对mRNA信息的篡改,就是我们今天要谈的RNA编辑。

  发生在细胞核外的RNA编辑

  这种在细胞核外编辑mRNA的现象,最早是在乌贼的神经元中发现的。

  乌贼具有巨大的神经元。我们知道,一个神经元由一个细胞核和数条轴突和无数的突触组成。如果把神经元比喻成一棵树,细胞核相当于树根,轴突相当于大的分叉,而突触相当于最细小的枝条。乌贼的轴突可以延伸到几米长。

  在一个细胞内,通常分布着上万个“蛋白质工厂”,也就是核糖体。它们的指令都来自细胞核。可是科学家发现,来自乌贼神经元细胞核的同一套指令,竟然在位于轴突不同地方的核糖体中,合成出了不同的蛋白。这一现象让他们百思不得其解。后来,他们经过长时间的研究才搞清楚,原来mRNA出了细胞核,在赶往轴突上不同地点的“蛋白质工厂”途中,被做了不同的篡改。这样,表面上看,刚出细胞核时,每条mRNA携带的指令都是一样的,但实际上,到了不同地点的“蛋白质工厂”时,mRNA携带的指令已经各不相同了,合成出来的蛋白自然也就不相同。

  为什么要做这样的篡改呢?这可能是为了满足轴突不同部位功能的需要。因为乌贼的轴突实在伸得太长了,以至于同一条轴突各个部位所处的环境都有了显著的差别。这好比一座城市太大,各个区的气候都有了差异。在这种情况下,对于mRNA从细胞核携带出来的统一指令,必须做一点微调,修改蛋白质的功能,以满足局部的需要,这可以提高适应性。而RNA编辑从事的就是对遗传指令做微调的工作。

  后来,科学家发现,这种细胞核外的RNA编辑出现在所有生物体上,包括我们自己。在人身上,一些疾病甚至就是RNA编辑的功能失调造成的,如著名的渐冻症(也就是物理学家霍金得的那种病)。此外,RNA编辑在免疫方面也发挥着作用。对果蝇的研究表明,它可以帮助果蝇适应不断变化的温度。只是在我们身上进行的这种RNA编辑,规模不是很大,比乌贼、章鱼等头足类动物要小好几个数量级。

  RNA编辑更加安全

  相比发生在DNA上的基因编辑,这种发生在细胞核外的RNA编辑更加安全。为什么这么说呢?

  首先,因为基因编辑改变的是DNA上的基因,一旦编辑出错,就无法逆转;而RNA编辑不改变基因,它只是暂时改变基因的表达,每条mRNA存在的寿命仅几天,所以即使编辑内容出错,也可以很快得到纠正。

  其次,基因编辑发生在细胞核内,因此编辑工具必须先穿透细胞膜,再穿透核膜;而RNA编辑发生在细胞核外的细胞质中,编辑工具不需要穿透核膜,只要穿透细胞膜即可,因此困难少了一重。

  其三,不论基因编辑还是RNA 编辑都涉及切割,需要切割蛋白。在基因编辑中,切割蛋白叫Cas9;在RNA编辑中,切割蛋白叫ADAR。Cas9来自于细菌。因为只有在细菌身上,基因编辑才会自动进行。一切高级生命是不会自动进行基因编辑的,这样才能保持基因组的稳定。但也因此,Cas9对于我们来说是外来之物,弄不好会被我们的免疫系统排斥。相较之下,RNA编辑的切割蛋白ADAR天然存在于我们身上。这意味着,不需要外来的切割蛋白就能执行 RNA编辑的功能。

  因此,如果说基因编辑适合应用于治疗罕见遗传性疾病或永久性的病症,那么RNA编辑更适合用于短期疾病的治疗,例如缓解疼痛。

  RNA干扰:一种“粗暴”的RNA编辑方式

  目前,科学家用RNA编辑成功地缓解了小鼠的赫勒氏综合征。这种病症是由DNA上的一个突变引起的,会导致糖类在肝脏的堆积,带来严重的健康问题。本来赫勒氏综合征需要通过基因编辑来治疗,但这一次他们用RNA编辑同样也达到了目的。这说明RNA编辑在动物试验中是有效的。

  不过,当前RNA编辑技术还不够成熟,有些机制还未完全了解清楚,编辑效率也有待提高。

  最后,顺便提一下RNA编辑和RNA干扰的区别。RNA干扰也是一项新兴的RNA技术。两者都发生在细胞核外,都作用于mRNA,这是它们的相同点。不同点是:RNA干扰通过人为干扰,使某个基因转录到mRNA上的编码完全失效,不再能合成出某个特定的蛋白;而RNA编辑并不是让编码全部失效,而是篡改编码,使之合成新的蛋白。所以,RNA编辑比RNA干扰更灵活。当然,你也可以把RNA干扰看成是一种特殊的、比较“粗暴”的RNA编辑方式。

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