Cell美图秀：浪起来的RNA，如此妩媚！

作者：子非鱼

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起初，在原版的中心法则中，RNA的地位是颇有些尴尬的，它既不储存遗传信息，也不执行生命活动，似乎就只是一个两头跑的小弟，不辞辛劳的将遗传信息链从DNA给蛋白质，从此在DNA和蛋白质面前似乎矮了三分。

然而，现在RNA作为一位隐藏很深的大Boss已经成功逆袭了，DNA的政令传达、蛋白质的潜能挖掘完全依仗于RNA的运筹帷幄。不然，RNA一发浪，细胞就疯狂，而纷至沓来的炎症、疾病等全都是细胞疯狂后所留下的后遗症所致。

既如此，通过靶向RNA来治疗疾病，很快就被科研者提上了日程。近年来，识时务为俊杰的RNA倒也是心甘情愿地与科学家积极配合，从怀孕并发症再到神经退行性疾病，无不发挥着举足轻重的作用，为此科研者也通过显微镜定格了RNA冲锋陷阵的美丽身影。

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SiRNA的高速公路

对RNA治疗，一切已尽在掌握之中。沉默特异性基因表达，siRNA绝对是把绝佳利器。理论上，针对特定的RNA，合成特异性互补序列来调节基因表达，最终可达到沉默致病基因的目的。但siRNA的靶向传递一直是困扰着科研者的一个挑战，目前Khvorova实验室正在制定一种可成功将这些分子传递给靶细胞/器官的策略。

图像：COS-7细胞内早期内含体被GFP-EEA1（绿色）所标记，而用荧光标记的化学修饰的siRNA呈红色。显然，内化的siRNA是通过富含EEA1的内含体载体来进行传递的，细胞核则用DAPI染成蓝色。

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核糖体的庐山真面目

核糖体是维持生命的重要组成部分，它们用于解码RNA的遗传指令并编码蛋白质。Korostelev实验室的新证据揭示了一种新机制：核糖体可作为监管者来确保遗传密码的准确性。在核糖体校对指令时，可随时发现RNA中错误的“语法”。当遇到错误的“字符”时，核糖体不能正确锁定RNA，该“字符”即可被清除。

图像：描绘了核糖体结构的X射线晶体学。

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精子的起源

精子们为了要实现它们的“圣杯”——完成卵子的受精，是需要很长的一段路要走的。以上图片则是精子在减数分裂过程中的一张快照。精子发生的前期过程可分为四个阶段：细线期（leptotene）、偶线期（zygotene）、粗线期（pachytene）和单倍体期（diplotene）。

这些阶段在小鼠睾丸中已经实现了可视化。紧随着细线期的是偶线期（第二行），同源染色体开始配对，且因端粒在细胞核的一端聚集成簇而形成了偶线期花束（zygotene bouquet）。在粗线期（第三行），成对的染色体缩短和增厚。最后，在单倍体阶段（第四行），成对染色体开始分裂为两对染色单体，并于此时产生交叉互换现象。

图像：用DAPI（蓝色）、抗SYCP3抗体（绿色）和γ-H2AX抗体（红色）共同染色精母细胞，然后荧光显微镜图像可视化精母细胞。在细线阶段，每条染色体均可见两条细线。

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沉默是金？No！是粉红色的！

自从Craig Mello和Andrew Fire在1998年发现RNAi后，将RNAi用于治疗疾病的研究便如火如荼地开展起来。RNAi以不同类型的RNA（如miRNA和siRNA）为刹车闸，来快速沉默基因表达途径。

因而RNAi是有可能被应用于沉默任何基因的表达，甚至包括一些传统意义上不可治疗的致病基因。Khvorova实验室正致力于挖掘此疗法的巨大潜力来治疗更多疾病。

图像：在一次注射后，小鼠大脑皮层神经元中荧光标记的、化学修饰的siRNA被标记为红色，细胞核用DAPI染成蓝色。

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核糖体专辑中 No. 70S交响乐

蛋白质的翻译过程同样复杂，而管理此过程的核糖体颇有些指挥交响乐的大师风范，它引导许多乐器（如mRNA和tRNA）成功地发挥正确的音符（用正确的氨基酸来构建蛋白质），此过程给Joseph Haydn留下了深刻印象。

图像：低温电子密度分解70S核糖体的核苷酸图片。

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寻踪觅宝，花样翻新的治疗手段

人类基因组是密集度非常高的数据，它包含30亿个碱基对，并位于23对染色体中。而每个染色体则包含了成百上千的基因，且携带编译蛋白的指令。为了研发针对特定疾病的相关疗法，首先必须在这个庞大的数据档案中找到存有缺陷的基因。

在过去十年中，研究者已经创建了许多工具来帮助搜索、替换或打开/关闭这些致病基因，已可将其视为自身细胞的个人Google搜索。

图像：将小鼠皮下注射含有磷酸胆碱的DHA-hsiRNA化合物（PC-DHA-hsiRNA，红色）。采集肾脏标本，固定后用LTA（绿色，肾近端小管），DAPI（蓝色）和T1ɑ（白色，肾小体）进行染色。

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勿殃及池鱼，错杀了mRNA

mRNA作为细胞内遗传物质DNA以及功能行使者蛋白质之间的联络员，其对蛋白质翻译的调节信息已经被基础科学研究人员充分掌握，并且已经利用此类知识研发疫苗和其他疾病如癌症和zika病毒的治疗剂。

图像：在活酵母细胞中成像的单个mRNA（绿色）和核包膜（红色），并分析了mRNA的核出口路径。时间分辨率为17 ms/810面板，等同于从405,000张图像获取的数据。

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沉默大脑基因，初现曙光！

众所周知，RNA疗法的挑战之一就是如何将药物递送到身体的特定组织。Khvorova实验室目前正在修改RNA分子，以使其能够更好地输送到诸如大脑等组织中。该图像显示，在将这些siRNA分子注射到脑脊液（CSF）后，可直接靶向并沉默掉脑中的Htt基因（亨廷顿病基因）。

图像：小鼠脑组织切片（细胞核，蓝色；靶向Htt基因的siRNA，粉红色）的荧光显微镜检测图片。

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风靡全球的基因编辑技术

CRISPR现在风靡全球，利用该技术可以大刀阔斧地对基因组进行编辑，甚至还可改变对活细胞和生物体内的基因。在未来，可实现在人类基因组的精确位置准确无误地对基因突变进行修正，以治疗疾病的遗传原因。

图像：免疫组织切片染色。肺肿瘤对胆管和胆管癌标志物细胞角蛋白19(Ck19,brown)呈阳性。图像是使用光学显微镜(10×镜头)拍摄的。

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覆盖染色体的“神秘面纱”

有丝分裂期间，染色体表面覆盖了一个神秘的蛋白质层——染色体层，其中所包含的蛋白质多数是胞内各种生命过程的必需组分，包括mRNA的合成、核糖体组装、DNA双链断裂修复、端粒维持和细胞凋亡调控。

图像：增殖标记Ki67是有丝分裂过程中迁移至染色体层的核仁蛋白的最佳染料之一。这个共聚焦图像单平面中，则记录了进行有丝分裂的RPE-1细胞，并用抗Ki67抗体进行免疫染色。

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亨廷顿病的新克星——hsiRNA

早在十六世纪，亨廷顿病（HD）舞蹈症状就已经引起了科研者的关注，其中“舞蹈”一词主要用来描述其高度不协调的运动特征。由于这种疾病的未知性质，当时的患病者有时会被指控为被魔鬼附身，有些患者甚至在十七世纪被当做女巫而受到迫害。

由于缺乏简单有效的向大脑传递寡核苷酸的方法，RNAi在神经科学研究中的应用受到了限制。Khorova实验室则研究出一种新方法，即在无需载体的前提下，神经元也可通过胆固醇自动传递作用来内化疏水修饰的siRNA（hsiRNA）。

另，他们已经鉴定了靶向亨廷顿蛋白mRNA的功能性hsiRNA以特异性沉默该基因（亨廷顿病基因的突变导致亨廷顿氏病）。

图像：HeLa细胞内化亨廷顿hsiRNA一个小时后的荧光图片（细胞核，蓝色；hsiRNA，红色；内质网，绿色）。

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冉冉升起的新星：反义寡RNA/DNA链

反义寡核苷酸是与特定序列互补的单链DNA或RNA，其中反义RNA可通过结合特异性mRNA链来阻断蛋白质的翻译，而反义DNA也可用于靶向特异性互补RNA。 因而，针对致病基因的特定序列合成反义RNA/DNA，开辟了一个可行合理的治疗疾病策略。

图像：用倒置显微镜（细胞核，蓝色；亨廷顿蛋白，紫色；Cy5标记的反义寡核苷酸，绿色）观察脑室内注射反义寡核苷酸后的小鼠小脑。

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扼住病毒复制的喉咙

位于细胞表面的RNASEK蛋白是胞吞作用或吞噬分子进入细胞所必需的蛋白，同样RNASEK蛋白也是某些病毒侵入细胞进行复制的必要蛋白，如甲型流感病毒，登革热病毒和人类鼻病毒（造成常见感冒的50％）。

Brass Lab最新发表的Cell Report表示，可通过小干扰RNA（siRNAs）让RNASEK蛋白表达基因沉默，进而可阻止多种致病病毒的复制。

图像：通过OMX：DeltaVision定位显微镜获取的HeLa细胞表面下CALM口袋的超分辨率图像。

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清晰可见的RNA分子

现阶段，先进的显微镜技术——RNAscope，一种高度灵敏的原位杂交方法，可允许任何RNA分子的可视化。Khvorova实验室的研究者正在使用这项技术来研究各种神经变性疾病中特异性mRNAs的定位。

图像：使用共焦显微镜将原代神经元中Hprt mRNA实现可视化（细胞核，蓝色；Htt mRNA，绿色；Hprt mRNA，红色）。

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线虫短暂而可视化的一生

秀丽隐杆线虫常被看作一种模型生物体，被用以研究胚胎细胞在发育过程中是如何分化和沟通。利用CRISPR / Cas9技术可将绿色荧光蛋白编码序列插入线虫的pie-1位点，进而实现秀丽隐杆线虫生命周期中成年性腺和胚胎发育过程的可视化。

图像：PIE-1表达于生殖细胞减数分裂的粗线期，并在受精后胚胎发生过程中分离到种系卵裂球（P1，P2，P3和P4）和两个P4子细胞（Z2 / Z3，原始生殖细胞）。

PIE-1 :: GFP菌株是由CRISPR / Cas9介导的同源重组而产生的，旨在在内源的pie-1位点的紧邻终止密码子的上游引入GFP编码序列。该图像是用共聚焦系统扫描头（该头部安装在具有40×透镜的倒置显微镜上）获取的。

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被拯救的核糖体

核糖体作为细胞的工厂，以RNA的形式解码蛋白质翻译过程。 细胞应激期间，因过早的转录终止或mRNA切割或其他机制，一个翻译核糖体会在mRNA的末端停滞并且失去活性。 Korostelev 实验室一直致力于阐明停滞的核糖体被拯救然后再循环的机制，该机制可确保失活的核糖体能再次被用于蛋白翻译过程。

图像：大肠杆菌70S核糖体与ArfA结合并释放因子RF2的3.2Å分辨率冷冻电镜结构图。

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将皮肤细胞改造为脑细胞？

神经退行性疾病研究的一个重大挑战就是缺乏可用于实验的患者样本。Khvorova实验室的研究人员正在研发一种攻克此难题的新方法，就是利用将亨廷顿舞蹈病患者的皮肤细胞（成纤维细胞）转化为脑细胞（神经元）的能力来研究疾病。

图像：以光学显微镜记录的通过过表达miR-9和miR-124以及四个神经元转录因子诱导成纤维细胞转化为神经元细胞的重编程过程。图像显示从第0天（左上），第9天（右上），第19天（左下）和第26天（右下）细胞的转换。第26天则显示出完整的神经元转换。

参考文献：http://www.cell.com/pictureshow/rna-therapeutics