互动科普

RNA：未来药物

从前，RNA长期被人们忽略，仅被看做细胞内的“管家分子”；但今天，RNA已为多种新型疗法提供了载体。

撰文 克里斯蒂娜 · 戈尔曼（Christine Gorman） 迪娜 · 法恩 · 马龙（Dina Fine Maron）

翻译 苟兰涛 审校 刘默芳

几十年来，生命科学舞台上的明星主要来自两个阵营，它们分别是DNA（deoxyribonucleic acid，即脱氧核糖核酸）——遗传信息的永久储存基地，以及蛋白质——基因“指令”的执行者。蛋白质领域的诸多发现，催生了如人工合成胰岛素、干扰素，以及新一代抗癌药物等先进的医学成果。同时，通过改变DNA片段，基因疗法亦在治疗血友病、遗传性失明及其他疑难疾病方面，取得了长足的进步。

然而，曾几何时，这场医疗革新的征途却忽略了另一种生物分子：RNA（ribonucleic acid，即核糖核酸）。和它人人皆知的“姐妹”DNA一样，RNA也包含遗传信息，但它的化学结构并不如DNA稳定——在动荡的细胞质环境中，RNA经常被酶所降解。

虽然科学家早就知道，RNA几乎以各种各样的方式参与了所有的细胞过程，但在生物医学革命的大部分历程中，RNA一直被科学家看作配角，笼罩在DNA和蛋白质的光芒之下。上世纪五六十年代，生物学家把RNA当成一种“灰姑娘分子”：它们负责运载信息、协调细胞给养，通常还会维持细胞内的“整洁”。几十年来，这一观点一直不曾改变。

然而接下来，“灰姑娘”身上发生了有趣的事情。一系列始于20世纪末的研究成果，向我们揭示多种新型RNA。它们与以往的卑微形象完全不同；与之相反，这些RNA正以惊人的力度调控着DNA和蛋白质的行为：它们可以专门与某些dna或蛋白质分子结合，增强或削弱其活性，甚至使后者完全沉默（即使其无法发挥作用）。通过操纵这些RNA，科学家有可能研发出针对癌症、传染性疾病，以及各种慢性疾病的新型疗法。

过去10年中，许多研究人员在RNA研究的道路上竞相前行。这一领域的成果正在不断涌现，数十家为RNA研究筹集资金的新兴公司也顺势成立。目前，科学家已经在研发一些具有良好前景的治疗手段。

早期RNA研究的经济收益非常微弱，而现在，这一领域已汇集了数十亿美元的投资洪流。在生物医药的商业领域，爱迪塔斯医药公司（Editas Medicine）是一个最新的范例：自2013年底成立以来，爱迪塔斯已经收到了4 300万美元的风险投资，该公司正在将力量集中于应用当下最热门的RNA新技术——CRISPR。

另一家稍老的RNA制药公司Alnylam成立于2002年。在刚刚过去的1月份，Alnylam获得了7亿美元投资，用于开发针对多种疾病——包括严重的血液疾病、肝脏疾病和免疫紊乱——的RNA药物生产线。资金“像浪潮一样”涌了进来，Isis制药公司的肿瘤学与研发副总裁罗伯特·麦克劳德（Robert Macleod）如是说。自1989年成立以来，Isis已筹资近38亿美元，该公司主打的RNA调节药物Kynamro已于2013年获得美国食品及药品管理局批准，用于治疗一种罕见的遗传病，这类患者的身体几乎完全没有处理胆固醇的能力，发生心脏病和中风的风险非常高。

和任何迅速扩张的领域一样，RNA研究也遭遇过一些挫折，走过一些弯路；而且，并非每一个成果都能经受住时间的考验。然而，对于研究人员来说，RNA领域令人兴奋的进展足以令他们像发现了新大陆一样目不暇接。

多功能“配角”

我们很容易理解，为什么分子生物学家要将“主角”分配给DNA或蛋白质，而非RNA分子。DNA的主要构成单元——腺嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶、鸟嘌呤 （简写为A、T、C、G），组成了地球上每一种生物的“使用说明书”，而在DNA的指导下，细胞最重要的生命活动之一，就是合成蛋白质。

蛋白质给予了细胞三维结构，并让细胞可以完成多种任务。蛋白质让肌肤保持年轻状态，亦赋予了心脏终生的强劲动力。同时，蛋白质还通过控制DNA的表达“开关”，对环境变化作出响应，它们决定着细胞如何利用糖分，也调节着神经元在大脑中传递信号的能力。从阿司匹林（aspirin）到左洛复（Zoloft），当今的绝大多数药物，都通过操控蛋白质来发挥功效：它们或是阻断蛋白质功能，或是改变蛋白质的合成量。

大多数药物的功能都是调节蛋白质，然而，这并不意味着科研人员已经可以针对所有的蛋白质研发出相应的药物。我们最常见的药物由小分子构成，这些小分子在历经吞咽、穿过胃中的酸性环境后，仍能够稳定存在。一旦被消化系统吸收，它们就必须像钥匙一样，准确地插入对应的“锁孔”，嵌入目标蛋白质的活性位点。但是，这种方法并非对所有蛋白质都有效，因为有些蛋白质的活性位点在三维结构的内部，药物分子很难接触到；有些蛋白压根就没有相应的活性位点——比如组成细胞内部骨架的那些蛋白质，它们是“百药不侵”的，麦克劳德这样说道。

RNA医学的诞生，便是为了清除这样的障碍——尽管生物学家直到最近才明白rna还有这样的功用。正如生物学家早已知道的一样，RNA是一个天赋异禀的中介者，它们通过复制DNA信息（也就是“转录”过程），将基因中的指令转换成互补的序列（例如，针对每个G合成互补的C），然后再将这些代码翻译为具有三维结构的蛋白质。所谓的信使RNA（mRNA）产生于细胞核（nucleus），它们随后会进入细胞质（cytoplasm），在核糖体（ribosome）和转运RNA（tRNA）的协助下，将其自身的信息翻译出来，让氨基酸按一定的顺序连接成长链，最终构成蛋白质。然而，RNA能做的事情，远比这多得多。

明星的诞生

1993年，科学家鉴定出了第一个微小RNA（microRNA），由此奠定了RNA研究的基础。这些“非典型”的小分子RNA附着在mRNA的长链上，能够阻止核糖体将氨基酸组装成蛋白质（见上一页图框）。很明显，细胞通过microRNA来协调多种蛋白质的 “生产计划”——尤其是在生物体发育的早期。5年后，科学家取得了另一项突破性进展，他们证明，另一种小干扰RNA分子（small interfering RNA，siRNA）能够切割mRNA，有效地抑制基因表达。RNA干扰的发现者也因为这一里程碑式的成果获得了2006年诺贝尔奖。

到了这个时候，不只RNA领域的专家，每一位科研人员似乎都有意拾起这种曾被忽略的分子来，看看它有什么用处。迄今为止，美国政府的临床试验数据库中，已有200多项关于microRNA或siRNA的实验性研究登记在案，用于诊断和治疗从自闭症到皮肤癌的各种人类疾病。其中最有前景的，是针对埃博拉病毒 （Ebola virus）以及丙型肝炎（hepatitis C）的治疗方法。埃博拉病毒是一种极其致命的病原体，反恐专家最担心的一件事，就是这种病毒会被用作生化武器；而丙型肝炎是诱发肝癌的最主要原因之一，目前，全世界约有3.5亿人长期感染丙肝病毒（见《丙型肝炎的rna疗法》）。

下一步计划

在通往临床应用的征程中，虽然microRNA和siRNA尚处于领先地位，但RNA领域的下一代明星，现在也做好了准备。这些潜在的RNA疗法能够作用于细胞过程的更上游，直接影响DNA分子。这其中的一类新型RNA疗法，建立在一种叫做CRISPR的序列之上。许多单细胞生物的DNA中都有这种序列，而《科学》杂志，更曾热切地将学界对CRISPR的关注形容为“CRISPR狂潮”。研究人员的另一治疗思路，依赖的是一种叫做长非编码RNA（long noncoding RNA，lncRNA）的分子；不过，对于lncRNA的“实用性”，研究界仍有怀疑。

CRISPR是“成簇的规律间隔的短回文重复序列”（clustered regularly interspaced short palindromic repeats）的英文缩写。这是一种发现于细菌和古生菌（一种类似细菌的生物）中的重复性DNA片段。这些奇异的序列，又能与一种名叫“CRISPR结合蛋白”（CRISPR-associated protein，即Cas蛋白）的分子相互结合。CRISPR与各种Cas蛋白协同作用，构成了微生物体内对抗病毒的防御系统。

Cas蛋白只有一种功能——将DNA一切为二。要实现这一功能，Cas需要一条互补RNA为其充当“向导”，将其引至病毒DNA的特定部位。这条RNA“向导”又是由何而来的呢？原来，细菌会行使一种微观世界的“柔术”，从入侵的病毒中“拉”出一段RNA分子，将其变成一个“双面间谍”，再引导Cas蛋白精确定位于需要切割的DNA 位点上。

尽管早在1987年，科学家就首次在细菌中发现了CRISPR元件，但直到2012年，科学家才开始将这一系统广泛地应用于动物（包括人类在内）组织。研究人员可以根据需要，构建不同的向导RNA链，将Cas蛋白精确地导向目的DNA位点，并对其进行切割。从本质上说，科学家们已经将细菌的防御系统，转变为一个精确的基因编辑工具。

这种精确的靶向技术，很可能将基因疗法彻底革新。并且，这一革命性事件，会比我们料想中来得更快。

目前，临床研究人员只能将修正性的DNA片段，以毫无目标的随机方式注入带有基因缺陷的病人体内，以期至少有一部分遗传物质可以在细胞中的正确位置发挥作用。成熟的CRISPR/Cas技术可以改变这一现状：研究人员可以精确地选择病人体内需要修改的DNA，然后进行基因治疗。“明年，我们就会看到一些应用CRISPR技术的临床试验，”哈佛大学医学院遗传学教授、爱迪塔斯公司的共同创始人、《科学美国人》科学顾问乔治·M·丘奇 （George M. Church）说道，“这是一种几乎可以直接应用的原理，”他补充道，“将crispr／cas从细菌中提炼出来以后，你只需做一些极小的改变。几乎每一条向导RNA都能按照你的预期，到达正确的位置进行工作——不但非常迅速，而且永久有效。”

邱奇希望，爱迪塔斯公司在完成动物实验后，能够将以CRISPR为基础的疗法推进至临床试验阶段。其他最近成立的、以CRISPR技术为核心的生物公司，还包括Caribou生物科学公司和Egenesis公司。

最后我们要讲到的，是RNA研究新领域中最具争议的lncRNA。研究人员在2002年首次报道了这类不同寻常的长链RNA分子。lncRNA起源于细胞核，研究人员最初认为它们非常类似于mRNA，只是缺少了启动蛋白质翻译过程的一些必要序列。

细胞为什么要制造这些“额外”的RNA分子呢？其中一些lncRNA，无疑是转录自基因的一些早期版本，它们已经受到破坏，不再具备原本的功能（在遗传学的革命中，一件非常令人惊讶的事情是，细胞核里几乎所有的DNA都能被转录成RNA，而非只有编码蛋白质的基因才会被转录）；还有一部分RNA可能是由早前插入宿主DNA的病毒所带来的，可以跟随宿主的子代流传下去。

然而，如果一部分长非编码RNA确实能以一种我们未知的方式调控基因，这些既不需DNA突变（具有潜在的致病危险）才会产生，又不依赖蛋白质的RNA分子，到底是如何发挥其“主角”功能的呢？研究人员正在探索，lncRNA是否能与DNA的不同位置相结合，从而改变后者的三维形态，暴露或隐藏某些DNA位点，达到进一步调节机体生命活动的目的。

“你可以将DNA想象成一件折纸艺术品，”哈佛大学的RNA研究人员约翰·里恩（John Rinn）说道。使用两片完全相同的纸，你能够折出一架飞机或者一只纸鹤，而在某种程度上，lncRNA分子可以确保折叠的步骤按序进行。在折纸过程中，一个小小的失误就会让纸鹤失去翅膀；同样，过多的lncRNA可能会诱发肿瘤的生长——不需突变，癌症就会发生。

研究人员也已发现了许多其他种类的非编码RNA，它们是否也具有重要的基因调控作用？抑或只是无用的“遗传幽灵”？为了确认这一点，研究人员已经取得了不同阶段的进展。研究非编码RNA的困难之一，是它们不能编码蛋白质——这使得研究人员很难证实它们是否在发挥某种作用。澳大利亚加文医学研究所（Garvan Institute of Medical Research）负责人、非编码RNA领域的顶尖科学家约翰·马蒂克（John Mattick）说，“我们才刚刚起步，一个全新的世界正在等待我们”。

同时，一系列尚处于设计和测试阶段的RNA化合物，让我们意识到了这种分子最吸引人的特点——简单。要针对蛋白质设计出有效的药物，研究人员必须首先搞清它的三维结构，但RNA不同，它基本上就是个二维的序列（我们这里暂不考虑RNA分子能够折叠而成的各种形状）。“这样一来，一个三维问题——即小分子必须以‘锁与钥匙’的方式完美地与蛋白质结合——就转化成了一个线性的二维问题，” 麦克劳德说道。人类基因组计划的成果，已经使研究人员知道了基因组中那些最重要的序列，现在，他们需要做的就是合成出互补的RNA链——他们已经为此制定了目标。

当然，我们仍需努力探索，才能搞清如何将理论付诸实践。但至少现在看来，我们手边刚好有一只非常合脚的“水晶鞋”。

本文作者 克里斯蒂娜·戈尔曼是《科学美国人》资深编辑，迪娜·法恩·马龙是《科学美国人》助理编辑。

本文译者 苟兰涛是中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所助理研究员，研究方向为非编码RNA在癌症发生和精子发生中的功能机制。

本文审校 刘默芳是中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所研究员，从事非编码RNA在癌症发生和精子发生中的功能机制研究。