非编码RNA在重大生物学过程中的功能和机制

小丫

——香山科学会议第426次学术讨论会综述
2 Y3 c# s3 W+ C" R* i% g
越来越多的研究表明，编码生命活动信息的模式远比“中心法则”复杂得多，过去被认为是“垃圾”的不编码蛋白质分子的那些非编码RNA，参与了从染色质结构变化，转录启动调节，转录后加工修饰到引导蛋白质识别绑定位点，以及细胞核内外信号交流等等几乎各个层次的细胞生理活动。越来越多的事实证明，非编码RNA不仅具有重要的生物学功能，而且与多种重大疾病的发生密切相关。非编码RNA代表了哺乳动物及几乎所有复杂生物基因组的主要产物，很多的非编码RNA具有重要生物学功能，发现和阐明新的非编码RNA的功能是目前研究的重点，相关研究也正成为生物科学研究中的热点领域，重新唤起了科学家们对“RNA世界”的重视及对“生命起源于RNA分子”这一命题的兴趣。当前在国际上非编码序列、非编码基因与非编码RNA的研究已成为一股洪流，许多实验室全部或部分地从事非编码RNA研究。


为加强前瞻谋划和顶层设计，交流非编码RNA研究的国内外最新进展，进一步凝练重大科学问题，凝聚研究队伍和交叉融合学术思想，研讨我国非编码RNA研究重点部署，将非编码RNA研究提高到一个新水平，实现跨越发展，以“非编码RNA在重大生物学过程中的功能和机制”为主题的香山科学会议第426次学术讨论会于2012年6月5-7日在北京召开。陈润生研究员，施蕴渝研究员，付向东教授和龚为民研究员为执行主席，来自国内外20多个单位的54名专家学者应邀参加了会议。会议设定“非编码RNA系统发现、功能鉴定及进化”、“非编码 RNA与细胞分化发育与功能调控”、“非编码RNA与重大疾病”和“非编码RNA生成、加工与作用机理”四个中心议题。


陈润生研究员作了题为“非编码RNA研究进展及一些思考”主题评述报告。他介绍了国内外非编码RNA研究的兴起以及对未来非编码RNA研究方向与重点的展望；并指出目前有大量长的功能非编码RNA尚未发现；非编码RNA是生物网络的元件，提出“双色网络”的概念；非编码RNA在发挥生物学功能时作用方式是多种多样的，非编码RNA与疾病紧密相关，应特别关注从基础到应用的转化。


0 L# @5 E9 s  N; A6 |# J付向东教授作了题为“非编码RNA在生命过程中的功能及分子机理”主题评述报告。他指出为培育国内非编码RNA研究人才，使中国科学家在相关国际研究领域更具竞争力，有必要在国内制订长期战略规划，其中包括资源的分配、针对重大科学问题和挑战的研究力量部署和对具有在相关研究领域取得重大学术突破潜力的特定科学家进行及时支持。他特别强调：探索作用机理和揭示新概念的基础研究，应成为一个重要组成部分。


会议就主题评述报告进入了热烈讨论。

2 j% X. m: h% c( h* d, p& l, D3 O& S

一、非编码RNA系统发现、功能鉴定及进化

1 ]9 p4 p* K$ k4 ~1 w6 Y与会专家作了题为“非编码RNA基因资源与技术”中心议题评述报告，提出了“非编码基因生物学”新学科，相关研究需要多学科的协同创新，从序列结构方面，涵盖基因组学、蛋白质组学和生物信息学；从功能研究方面，涉及动物学、植物学、分子生物学、细胞生物学、遗传学、免疫学、发育生物学和神经生物学等；从技术和应用角度，涉及病理学、临床医学、预防医学和药学等。他建议非编码RNA研究建立三个平台：结构与计算组学平台、功能组学平台和转化组学平台，以满足非编码基因大规模发掘、非编RNA功能网络与调控机制与人类重大疾病RNA组学的相关研究。

( @# b5 L  I' G! u9 i, X8 I, {, z
& R9 [+ [1 \  ?与会专家还作了题为“piRNA的预测算法与在飞蝗ncRNA研究中的应用”、“非编码RNA在发育及衰老过程中的作用”和“植物小RNA和长非编码RNA”专题报告。讨论中与会专家针对“非编码基因生物学”新学科以及miRNA的表观遗传学机制等问题进行了广泛的交流和讨论。

- `/ \! e8 Y3 ]. f4 A' d
* b% y% {5 Y( |) u7 S

二、 非编码 RNA与细胞分化发育与功能调控

2 P2 H0 ~2 c) _. }5 g  W0 m
* V, U. w( O; _7 s! i与会专家作了题为“循环microRNA、分泌microRNA和外源性植物microRNA及其功能”中心议题评述报告，介绍了他的研究小组发现的循环microRNA、分泌microRNA和外源性植物microRNA功能与机理：（1）发现并证实microRNA存在于动物的血清、血浆等各种体液中。特异性的血清/血浆microRNA（循环microRNA）表达谱是识别疾病的“指纹”，作为一种非侵入性的新型生物标志物，可用于疾病诊断、药效判定及个体化治疗等方面。（2）提出并证实了“分泌microRNA跨细胞调节网络”理论，证实分泌microRNA代表了一类全新的、具有重要生物学功能的信号分子，能够介导细胞间及组织、器官和系统间的信号传递。他认为他的研究不仅阐明了循环microRNA、分泌microRNA和外源性植物microRNA分子具有重要的生物学功能，而且开启了生物学的新方向，并在医、药、生物技术及中医药等学科上显示了巨大的应用前景。

$ G" h5 x0 \3 y9 Y* m
8 s9 @- J+ d6 p- m  c与会专家还作了题为“长非编码RNA与干细胞命运决定的功能研究”、“piRNA在哺乳动物精子发生中的功能机制”、“斑马鱼胚胎发育中全基因组水平3’UTR的动态变化”和“胚胎干细胞的微RNA调控”专题报告。讨论中与会专家针对中心议题评述报告展开了激烈的讨论，大家都认为这项工作非常有意义，对特异性的血清/血浆microRNA表达谱是识别疾病的“指纹”，用于疾病诊断、药效判定及个体化治疗等方面的问题进行了广泛的交流和讨论。

8 X0 b1 T2 D/ b: `

三、非编码RNA与重大疾病

0 i$ v3 t% c  N$ W6 p* u* F
2 ~  Y7 z; {- L& @0 F" U9 B: {6 M与会专家作了题为“microRNAs and Cancer”的中心议题评述报告，指出在最近十几年的癌症研究中，人们已经认识到多种小RNA (microRNA) 常常在癌症组织中异常表达，从多种角度影响肿瘤病变的过程。针对这个问题，他的研究小组主要集中探索在癌症转移的进程中，小RNA的差异表达对于间质组织构成的影响，以及这种影响对最终癌细胞转移能力的调节。他们发现两个小RNA基因，miR-34a和miR-126，分别通过不同的机制调控肿瘤微环境，在肝癌和乳腺癌的癌转移过程中发挥着重要的抑制作用。这两条新发现的小RNA调控通路通过不同的方式影响肿瘤微环境的组成。这些结果显示小RNA可以通过对肿瘤微环境中不同组分的调节来影响肿瘤发生、转移的过程，拓展了我们对于肝癌和乳腺癌这两种癌症病变过程的理解。

* I% j1 |6 H* J+ _* z4 ~# J7 ~: m
2 ^/ t) p+ p% k与会专家还作了题为“细菌非编码RNA的发现和功能研究”、 “miRNAs在配子发生中的功能和作用机制”和“长非编码RNA与肿瘤非可控性炎症微环境”专题报告。讨论中与会专家针对非编码RNA与重大疾病这一主题展开了热烈的讨论，一致认为，科学研究应与临床紧密合作，就充分利用和发挥中国医疗资源展开讨论。

& g; D$ N/ _8 J7 A. t! m! l# g

四、 非编码RNA生成、加工与作用机理

与会专家作了题为“RNA诱导基因沉默的结构生物学研究”中心议题评述报告，指出基因“沉默”现象是双链RNA介导、特异性地降解具有同源序列的mRNA，从而导致转录后水平的基因“沉默”，这一过程即为RNA干扰(简称RNAi)。RNA干扰通路中的Dicer蛋白切割前体miRNA和siRNA产生成熟的miRNA和siRNA, 随后成熟的小RNA与Argonaute（Ago）蛋白结合形成RNA诱导的基因沉默复合体（RISC），Ago蛋白是RISC复合体里最基本的，也是最为核心的效应元件。但是到目前为止，对于Ago的结构研究主要集中在原核生物Ago，而高等真核生物含有多个Ago蛋白，它们行使不同的功能，对于它们功能差异的结构基础还一无所知。近年来人们在原核生物的基因组中，发现一类成簇的、有规律间隔的短回文重复序列（CRISPR），CRISPR和它的辅助蛋白（Cas）构成CRISPR/Cas系统并以一种类似于真核生物RNA干扰的作用机制，在原核生物抵抗入侵的噬菌体和质粒的防御系统中发挥着重要作用。CRISPR-Cas系统的详细作用机制我们还了解的很少，需要大量的单体及复合物结构信息来揭示该系统的作用机理。


与会专家还作了题为“真核生物中细胞核RNA干扰的机理研究”、“拟南芥非编码RNA在光形态建成中的功能分析”和 “microRNA对无义突变mRNA的监控机制”专题报告。讨论中与会专家发言十分踊跃，就这一中心议题展开了热烈讨论。

五、 会议总结与专家建议

: f$ [! k* f  W. {, D5 n
会议讨论期间，各位专家各抒己见，就学术问题热烈讨论，碰撞出很多学术思想火花。大家一致认为，当前非编码序列、非编码基因与非编码RNA的研究正成为生物科学研究中的热点领域，正在形成引领下一阶段生命科学研究的RNA科学。作为基因组科学和蛋白质科学的连接体，RNA科学与这二者共同组成了微观生命科学的完整体系。现已充分证明非编码RNA在调控细胞活动、决定细胞命运方面起着关键作用，保证了生物体生殖和发育的正常进行。与此相对应，越来越多的证据表明一系列重大疾病的发生发展是由于非编码RNA调控失衡所致。非编码RNA正在成为继蛋白质分子之后更有前途的疾病标志物、药物靶点和潜在药物分子。植物基因组普遍比动物基因组更加复杂，其非编码RNA调控很可能是植物在不能移动的情况下迅速适应外界物理和化学因素的关键调节方式。有关植物非编码RNA的研究为农作物增产和抗逆提供了崭新的思路。微生物非编码RNA的研究虽然刚刚开始，但已为人们提供了对传染病防治、生物能源利用、纳米生物材料和绿色环保产业等应用领域的新视角。非编码RNA在生物体之间的传递和整合为重新认识达尔文进化论提供了新的科学事实。由于非编码序列在真核生物中所占比例随着生物进化的高等程度不断上升，在人类基因组中达到97％。有理由推断，非编码RNA很可能与高级生命活动如智力、记忆、语言和心理等更加直接相关。但是目前人们对于非编码RNA的遗传、生成、修饰、定位、转运、三维结构和相互作用方式还只是对少数情况下的零星认识。未来还有大量未知领域有待探索。非编码RNA领域的进展有望象DNA双螺旋结构一样带来生命科学的革命性突破。

# d8 d* Z$ u3 s8 C, V$ r1 ~9 u
' R) H5 _7 t9 H根据国内外研究现状，与会专家认为我国的非编码RNA研究总体上与国际同行差距不大，是生命科学有望取得国际领先地位的重要领域。与会专家建议：


& B" I& I) i+ k* S1. 科学界高度重视和支持非编码RNA科学的发展，在国家层面进行战略部署，尽快给予专项支持并纳入重大基础科学研究计划；
% |7 ~$ e$ I9 ]8 E  R
3 V- b6 d! f' d7 x7 M0 \6 T* h
2. 由中科院生物物理所非编码RNA重点实验室牵头，联合中科院上海生命科学研究院、中国科学技术大学、中山大学、武汉大学和医科院基础研究所等优势单位的非编码RNA研究力量，建立全国统一并在国际上领先的非编码RNA数据库和计算生物学平台，发现和总结非编码序列的规律，进一步提高预测能力。同时开展广泛的学术交流和技术培训，促进非编码RNA研究水平的整体提高；
' ?$ d6 d6 R1 `) U. F  o7 o# S- c6 |

3. 结合我国生命科学的现有优势领域，开展非编码RNA对特定细胞活动和生物个体行为的调控机理研究，尽快将我国非编码RNA研究引向深入；

5 U6 r" ?! a9 c( Y
5 T9 B- W5 g# M9 K% I4. 重视非编码RNA分子本身的基础研究，特别是非编码RNA分子的生成、剪切、转运和组装的分子机制和结构基础；

5 H, q9 L% r5 v
# A1 M( I! m, b5. 发挥我国集中力量办大事的优良传统和有利条件，集中开展模式生物的非编码RNA组学研究，在基础数据和实验材料方面尽快做出国际领先并产生重大国际影响的研究成果；

( ^( F9 K) |0 i2 Z' Q+ H
+ b# F. ?# i, S. E0 R6 ^* I1 e# g; T6. 重视非编码RNA相关转化医学研究，与临床诊断和治疗更加密切结合。
% w* r4 {  v. s; T; o