Nature Biotechnology在線發(fā)表我?；罴?xì)胞RNA成像研究的突破性進(jìn)展
近日，國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《Nature Biotechnology》雜志以“Visualizing RNA dynamics in live cells with bright and stable fluorescent RNAs”為題，在線報道了我校生物反應(yīng)器工程國家重點實驗室、光遺傳學(xué)與合成生物學(xué)交叉學(xué)科研究中心楊弋課題組與朱麟勇課題組為主組成的聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊在熒光RNA及活細(xì)胞RNA成像領(lǐng)域取得的突破性進(jìn)展。
生物大分子標(biāo)記技術(shù)是生物分子成像的關(guān)鍵。在科學(xué)歷史上，人們利用熒光蛋白“點亮”細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì), 實現(xiàn)了生命動態(tài)過程中蛋白質(zhì)分子的可視化。熒光蛋白技術(shù)是當(dāng)代生物科學(xué)研究中最重要的研究工具之一；在短短十余年內(nèi)，其研究即被授予諾貝爾獎。RNA同樣具有獨特的結(jié)構(gòu)、種類繁多的生物學(xué)功能以及復(fù)雜的時間空間分布。與蛋白質(zhì)相比，RNA種類更多，大部分種類結(jié)構(gòu)功能尚未鑒定，被稱為基因組中的“暗物質(zhì)”。不同種類的RNA及其修飾形式的鑒定、功能與調(diào)控研究現(xiàn)已經(jīng)成為了國際前沿。RNA研究也迫切需要一種類似于熒光蛋白這樣的顛覆性標(biāo)記技術(shù)，這是深入研究RNA功能機制極為有用的工具。
? ? 自然界尚未發(fā)現(xiàn)天然存在的熒光RNA?？茖W(xué)家們一直試圖發(fā)展人工合成的熒光RNA，用于細(xì)胞內(nèi)低豐度RNA的示蹤。但迄今為止，RNA研究領(lǐng)域還沒有出現(xiàn)類似于熒光蛋白這樣簡單有效的活細(xì)胞熒光標(biāo)記工具。針對這一亟需解決的技術(shù)挑戰(zhàn)，華東理工大學(xué)藥學(xué)院楊弋教授與化學(xué)與分子工程學(xué)院朱麟勇教授等組成了交叉學(xué)科聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊，歷經(jīng)七年緊密合作，最終在熒光RNA研發(fā)領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展。基于合成生物學(xué)及化學(xué)生物學(xué)原理，他們成功構(gòu)建了系列高性能熒光RNA，在國際上首次實現(xiàn)了動物細(xì)胞內(nèi)不同種類RNA的標(biāo)記與無背景成像。
研究團(tuán)隊發(fā)展了全新的分子設(shè)計理念及分子共同定向進(jìn)化的方法新思路，首次獲得了系列高亮、穩(wěn)定、低背景的熒光RNA。這些熒光RNA是僅含40余個核苷酸的RNA分子片段，可以特異結(jié)合不發(fā)光的創(chuàng)新染料分子，進(jìn)而產(chǎn)生強烈熒光。其與辣椒類似，它們具有藍(lán)綠色、黃色、橙、紅等不同顏色，與五顏六色的辣椒相似，因此被命名為Pepper。通過基因編輯等手段，Pepper可以插入到不同的天然非編碼RNA與編碼RNA分子序列中，進(jìn)而在活細(xì)胞內(nèi)對各種RNA進(jìn)行熒光標(biāo)記和實時成像，而不影響它們的轉(zhuǎn)錄、定位、翻譯、降解等正常代謝。由于Pepper與染料分子的結(jié)合是非共價的，因此可以通過加入不同染料的方法，隨意改變細(xì)胞內(nèi)熒光RNA的顏色，這種靈活性對于熒光標(biāo)記穩(wěn)定細(xì)胞株和轉(zhuǎn)基因動物的構(gòu)建十分有利。受益于Pepper的高亮度和強穩(wěn)定性，研究團(tuán)隊首次實現(xiàn)了活細(xì)胞RNA的超分辨成像。研究團(tuán)隊還利用Pepper對單細(xì)胞中mRNA的翻譯過程進(jìn)行定量研究，結(jié)果顯示癌細(xì)胞中mRNA量與其編碼蛋白質(zhì)量之間存在較低相關(guān)性，這表明癌細(xì)胞的翻譯調(diào)控顯著失調(diào)，這為癌癥的診療提供一種全新的思路。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，我?？茖W(xué)家研發(fā)的熒光RNA在親和力、穩(wěn)定性、信噪比、活細(xì)胞熒光亮度等方面提升了一到三個數(shù)量級，體現(xiàn)了熒光RNA從概念到實用的突破，為活細(xì)胞中RNA的功能研究提供極具價值的工具。此外，這些熒光RNA與適配體技術(shù)相結(jié)合，原則上可以針對任意信號分子、代謝物、蛋白質(zhì)等靶標(biāo)發(fā)展從藍(lán)色到紅外的高響應(yīng)度熒光探針，其性能將有望大幅超過現(xiàn)有基于熒光蛋白的遺傳編碼熒光探針，為活細(xì)胞與活體生物傳感、即時診斷甚至實時診斷技術(shù)的發(fā)展提供新的機遇。
論文的第一作者為華東理工大學(xué)陳顯軍副研究員、張大生博士與蘇倪博士，通訊作者為朱麟勇和楊弋。該研究得到了華東理工信息科學(xué)與工程學(xué)院杜文莉教授與生物工程學(xué)院張立新教授，以及哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Loscalzo教授的協(xié)助。該項研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、上海市科委項目、“111”計劃、生物反應(yīng)器工程國家重點實驗室基金、教育部基本科研業(yè)務(wù)費、中國博士后科學(xué)基金等經(jīng)費資助。
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原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41587-019-0249-1
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