复旦首次揭示遗传突变RNA相变功能，为疾病机制理解提供新视角

“本次成果是一个关于细胞生物学的基础研究，本来没有仔细思考相关的应用。比较意外的是在论文发表几天后，好几个学界实验室和业界投资机构联系我。”复旦大学研究员鲁伯埙表示。

图 | 鲁伯埙（来源：鲁伯埙）

近日，他和团队在细胞质里发现一种变异 RNA 的相分离和相变过程，并阐述了这一过程对于细胞功能的影响机制。

相关论文在投稿过程中也获得了较高评价，评审专家表示：“这项成果将成为研究重复基因相关疾病的一个里程碑”“将为 polyQ 重复序列疾病提供新的操纵机制”。

（来源：Nature Chemical Biology）

目前来看短期的应用可能有两个：一是利用此次建立的光控 RNA 相分离和相变系统，进一步研究 RNA 聚集体的成分以及相关功能。二是对于 CAG 重复扩增疾病，例如亨廷顿病和共济失调来说，RNA 靶向的治疗手段或可作为 polyQ 蛋白靶向手段的补充。

而此次成果的研究背景，主要涉及以下三个方面：

其一，本次研究涉及到 RNA 分子的相分离（liquid-liquid phase separation，LLPS）和相变（phase transition，PT）。

在混合均匀的液体中，由于分子间的相互作用，高分子聚合物在溶液中产生凝聚体的过程——被称为相分离。而凝聚体从液态相转变为更固化的胶体或固体相的过程——被称为相变。

近年来，人们发现很多蛋白质都会产生相分离和相变，并能参与重要的生理病理活动。

在蛋白质之中，那些氨基酸种类较少、重复较多的低复杂度无序区（low-complexity domains，LCD），被认为是驱动相分离和相变的关键。

除了蛋白质之外，RNA——是细胞内另一种最主要的生物大分子。但是，在已有的相分离和相变研究中，RNA 基本都是“配角”。

RNA 通过与蛋白质的相互作用，间接地影响蛋白质的相变。然而，作为一类大小超过蛋白质、复杂度比 LCD 更低、且容易形成分子间相互作用的分子， RNA 在驱动相分离和相变上具备更大的可能性。

其二，本次研究涉及到神经退行性疾病。

这类疾病以中枢神经系统的神经元继发性、持续性萎缩死亡为特征，其中最主要的一类遗传性神经退行性疾病是 CAG 重复序列扩增疾病。

目前，在 CAG 重复序列扩增疾病中，包含至少 9 种人类疾病，它们都是由不同基因所包含的过长 CAG 重复序列所导致的。

在遗传学上，这类疾病的核心问题在于：为何不同基因的 CAG 重复数超过一定的阈值（35~40 左右）就会导致疾病？

其中，领域内最主要的观点是：超过阈值重复数的 RNA 所表达的蛋白，具有过长的谷氨酰胺重复（polyQ）。由于这些蛋白具有神经毒性，故会导致疾病的发生。

然而，近年来也有研究表明，特定的神经功能影响或特定的 CAG 重复数区间，似乎不能完全使用 polyQ 蛋白来解释。

而本次研究提示：包含过长 CAG 重复的 RNA 相分离和相变过程，可能会对细胞功能乃至动物的行为学表型产生一定影响。这一提示的价值在于，能为理解疾病机制和干预疾病提供新的角度。

其三，本次研究涉及到蛋白质合成。

根据中心法则，DNA 在转录成为 RNA 之后，要通过翻译过程变成蛋白质。而蛋白质是细胞功能最主要的执行者。

因此，蛋白质合成——是细胞内的核心事件。研究中，该团队发现只有一个基因突变所导致的变异 RNA 的表达，就能抑制全局的蛋白质合成。

也就是说，在细胞中成千上万的蛋白合成速度变慢了很多。在此基础之上，他们进一步解析了关于蛋白质合成的全新调控机制。

而对于整个研究过程，鲁伯埙用突发奇想、惊人发现、磨刀不误砍柴功、“误入歧途”、灵光一现、柳暗花明等六步来形容。

第一步是突发奇想。

美国马里兰大学凌继强教授，是鲁伯埙的本科同学。一次聊天中对方提到：重复序列的 RNA 在所对应的氨基酸不足的时候，由于要连续翻译同一个氨基酸，可能会造成核糖体卡出现在氨基酸上面，从而影响翻译。

于是，鲁伯埙猜测这是否会让整个细胞的 RNA 翻译被抑制，从而降低细胞全局蛋白的合成速率？

搜索文献之后，鲁伯埙发现相关的研究寥寥无几，而且没有令人信服的结论，这也让他对于检测上述假说萌生兴趣。

第二步是惊人发现。

最初，他抱着试一试的想法，安排两位学生用亨廷顿病的纹状体细胞来检测上述假说。

之所以这样做，是因为该类细胞可以表达过长的 CAG 重复序列 RNA，并且含有过长的 polyQ 蛋白。

鲁伯埙说：“原本我估计可能有 20%-30% 的降低，也打算通过多次重复来明确。但是让我吃惊的是，尽管两位学生各自开展了独立研究，然而他们一致地发现：相比正常细胞，亨廷顿病细胞的蛋白质合成速度出现极为明显的下降，至少下降 80%-90%。”

对于这一结果鲁伯埙不太敢相信，于是他亲自设计实验，分别利用几种独立技术，来对上述现象进行明确。

并通过敲低、过表达、敲除等手段，证明上述细胞的整体翻译抑制现象是真实存在的，而且的确是由于包含过长 CAG 重复序列的突变基因所导致的。

第三步是磨刀不误砍柴功。

在发现翻译抑制的现象以后，鲁伯埙很想摸清楚背后的机制。但是，蛋白质翻译对他来说，是一个完全陌生的领域。

其表示：“我和学生通过阅读文献和请教领域内的专家，发现要想进一步研究背后机制，就必须新建一些实验技术体系。”

后来，在建立新的技术体系时，多位业内专家均给予热情帮助。

“学生也特别勇敢，愿意远赴北京和美国马里兰等地学习新技术，学完之后带回了我们实验室。”鲁伯埙说。

第四步是“误入歧途”。

当时，课题组对全局翻译抑制的机制提出多个猜测。而在开展大量实验之后，他们基本排除了上述所有猜测的可能性，而且基本排除 polyQ 蛋白作为主要原因的可能性。

第五步是灵光一现。

在排除 polyQ 蛋白这一原因之后，课题组认为导致细胞全局 mRNA 翻译速率下降的分子，很有可能是 CAG 重复序列 RNA。但是，变异 RNA 和野生型 RNA 的序列完全相同，只不过变异 RNA 的 CAG 重复数更多，仅凭此为何就能造成细胞全局 mRNA 翻译抑制呢？

鲁伯埙表示：“这让我想起几年前美国两院院士罗纳德·韦尔（Ronald Vale）课题组的 Nature 论文。那篇论文报道称：在体外生理性盐溶液里，含有过长 CAG 重复数的 RNA，会发生相分离和相变；而短的 CAG RNA 则基本不会发生。那么，有没有可能是 RNA 的相分离和相变，导致了全局翻译的抑制？”

按照上述 Nature 论文进行重复实验之后，他发现与论文报道一致；变异 RNA 在细胞内的相分离，几乎只发生在细胞核内，并不会发生在细胞质内。

这就造成了一个矛盾：蛋白合成过程，基本只发生在细胞质之内。那么，细胞核内的 RNA 的相分离如何影响细胞质内发生的翻译过程？

针对此，鲁伯埙也提出过一些猜想，但却觉得可能性都比较低。

他说：“有一天我退回一步想了想：为何在体外生理盐溶液中，变异 RNA 自己就能相变？到了细胞质里面反而就不行了？突然我灵光一现，RNA 是否在细胞质也形成了聚集体并产生相变？只是由于细胞质有很多溶酶体，因此可以不断清除这些聚集体，导致它很难被观测到？”

随后，他又提出新的假说：如果阻断溶酶体的功能，或者不让聚集体被溶酶体识别，或许就能在细胞质中观察到变异 RNA 相分离产生的聚集体？而正是这些细胞质的 RNA 聚集体抑制了全局翻译。

第六步是柳暗花明。

在学生通过实验有力证明上述假说之后，鲁伯埙再接再厉又提出了新的一系列假说，并对实验结果进行预测，结果一一得到验证。

此外，他在清华大学李丕龙教授的启发下还提出一个使用蓝光来控制 RNA 相分离和相变的方法。在这个方法的帮助之下，他和团队使用蓝光来控制全局蛋白合成速率的变化，有力证明了此次提出的核心结论。

最终，课题组基本解析了 RNA 相变影响全局翻译的核心机制，并在小鼠动物模型中观察到对于小鼠电生理和行为学的影响。

日前，相关论文以《细胞质扩增的 CAG RNA 重复序列的凝胶化抑制了蛋白质的全局合成》（Gelation of cytoplasmic expanded CAG RNA repeats suppresses global protein synthesis）为题发在 Nature Chemical Biology（IF 14.8）。

复旦大学博士生潘宇寅、博士后卢俊梅、本科生冯欣然和鲁盛谊是共同一作（均为论文投稿时身份），复旦大学研究员鲁伯埙和英国普利茅斯大学教授罗寿青担任共同通讯作者[1]。

图 | 相关论文（来源：Nature Chemical Biology）

另据悉，此前鲁伯埙的小分子化合物成果曾入选 2019 年度十大杰出论文，这也是他在神经退行领域的代表工作之一。

2020 年，鲁伯埙又获得科学探索奖，主要基于他在神经退行领域的一系列研究工作，特别是基于所提出的“自噬小体绑定化合物”的原创型降解技术。

借助这一技术，他和合作者成功实现了致病蛋白和脂滴的靶向降解，为干预各类“不治之症”带来了新思路。

参考资料：

1.Pan, Y., Lu, J., Feng, X. et al. Gelation of cytoplasmic expanded CAG RNA repeats suppresses global protein synthesis. Nat Chem Biol (2023). https://doi.org/10.1038/s41589-023-01384-5