光遗传学调控工具研究新突破：RNA光遗传学工具，可时空精确操纵活细胞RNA代谢与功能

生物遗传中心法则是指遗传信息从DNA传递给RNA，再从RNA传递给蛋白质，即完成遗传信息的转录和翻译的过程。然而在过去的几十年里，生命科学的舞台一直被 DNA 和蛋白质霸占。DNA 负责遗传信息存储，蛋白质负责基因指令执行，而 RNA只是承担中间环节遗传信息传递者的配角。随着人类基因组信息的解析，人们发现只有2%的人类基因组编码蛋白质，更有约98%的基因组意义不明，甚至被认为是“垃圾”DNA。随着生命科学的不断发展，这些看似“垃圾”的DNA却能产生大量的非编码RNA，而这些RNA发挥着至关重要的生物学功能，几乎参与所有重要的细胞生命过程，与多种重大疾病的发生和发展密切相关。

细胞内的RNA像蛋白质一样具有复杂的高级结构与相互作用，具有特定的时间、空间分布及不同的转录后修饰状态，复杂而精确地执行丰富多彩的生物学功能。与蛋白质研究相比，人们对细胞内RNA时间空间分布及其功能的研究目前仍然有一定滞后，其中一个重要的原因是目前仍缺乏可以在活细胞内对RNA分子进行高时空分辨精密控制的技术，这是深入研究RNA功能机制面临的关键问题和重要技术挑战，也是国际上RNA研究领域的前沿热点。

针对这一亟需解决的技术挑战，2022年1月3日，华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室、光遗传学与合成生物学交叉学科研究中心杨弋教授团队在Nature Biotechnology杂志上在线发表了题为Optogenetic control of RNA function and metabolism using engineered light-switchable RNA-binding proteins 的研究长文。该研究基于合成生物学及光遗传学原理并结合全新的高通量筛选策略成功构建了系列光控RNA效应因子，实现了动物细胞内RNA生成、剪接、运输、翻译、降解等代谢活动的时空精密控制。

RNA结合蛋白在RNA生物学功能发挥过程中承担着至关重要的作用，它们负责RNA的剪接、运输、定位、降解等各类代谢活动。除了自然界存在RNA结合蛋白以外，人们基于合成生物学原理将具有不同功能的结构域与RNA结合蛋白结合起来，合成了具有全新功能的RNA结合蛋白。然而，无论是自然界存在或者是人工合成的RNA结合蛋白，它们的活性很难被调控。因此，发展活性可控的RNA结合蛋白将有望实现对活细胞RNA的控制。利用光来调控细胞的各种生命活动是生命科学研究的前沿领域，各种光遗传学技术允许人们以前所未有的时间和空间精度调控生物体的多种生命活动。其中，利用合成生物学方法来进行光可控功能蛋白质分子的设计与筛选，并获得简单易用的光遗传学技术，是光遗传学前沿领域最重要的热点之一。

图：RNA光遗传学控制概念图

为了实现RNA结合蛋白的光遗传学控制，研究团队首先基于合成生物学理性设计并结合全新的高通量筛选策略，构建了国际上首个人工合成的光控RNA结合蛋白LicV。LicV由RNA结合结构域与LOV光敏结构域融合构成，分子量仅为23 kD。在黑暗条件，LicV是以单体形式存在，不能结合特定的RNA序列（RAT）；在蓝光照射下，LicV形成同源二聚体并特异性识别结合RAT序列。研究团队随后将LicV与不同的RNA效应结构域融合，分别获得光控RNA剪接因子、光控RNA定位因子、光控RNA翻译因子以及光控RNA降解因子。他们利用这些光控RNA效应因子实现了活细胞RNA剪接、运输、翻译、降解等代谢行为的时间和空间精密控制。

此外，研究团队还将LicV与CRISPR-Cas系统结合起来，发展了全新的LA-CRISPR系统。在该系统中，含RAT序列的嵌合sgRNA可以招募光照诱导产生的LicV-VPR光控转录因子二聚体，从而启动目的基因转录与表达。通过在sgRNA中引入多个拷贝的RAT序列，在光照条件下可以同时招募多个光控转录因子到启动子附近，这使得LA-CRISPR系统对目的基因的激活效率是前人发展系统的一到三个数量级。利用LA-CRISPR系统，研究团队还实现基因位点的高亮度与可逆标记，为基因组结构与功能研究提供和好的工具。此外，LA-CRISPR系统具有很好的普适性，可应用于多个物种来源的CRISPR-Cas系统。本研究通过对CRISPR系统的定时、定量精确控制，将来有望进一步降低CRISPR系统的脱靶效应，加速其临床应用。

针对活细胞RNA的实时追踪与精密控制的创新方法需求与技术挑战。杨弋与合作者前期报道了Pepper高性能荧光RNA，它在亲和力、稳定性、信噪比、活细胞荧光亮度等方面提升了一到三个数量级，首次在动物细胞上实现了各类RNA的标记与无背景成像（详见BioArt报道：NBT | 杨弋/朱麟勇团队开发Pepper拟荧光蛋白RNA   ；Nat Chem Biol | 新型RNA荧光适配体Pepper的结构以及配体识别机制）。此次该团队报道的LicV系列光控RNA效应因子，又进一步实现了活细胞RNA生成、剪接、运输、翻译、降解等代谢活动的高时空分辨精密控制。结合Pepper与LicV技术，可在活细胞上对RNA进行时间和空间尺度的闭环监测与控制，为深入探究单细胞内RNA的功能和复杂调控机制提供极具价值的创新研究工具。

论文第一作者为华东理工大学刘韧玫博士与杨菁博士，通讯作者为陈显军博士和杨弋博士。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41587-021-01112-1

转自：BioArt

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