科学家发现双功能信使RNA

诸平

The central dogma of molecular biology showing what is happening in this study. Credit: Julian Chen

据美国亚利桑那州立大学（Arizona State University简称ASU）2022年10月3日报道，科学家发现双功能信使RNA（Scientists discover dual-function messenger RNA，见上图所示）。

亚利桑那州立大学分子科学学院和生物设计研究所进化机制中心（ASU's School of Molecular Sciences and the Biodesign Institute's Center for the Mechanism of Evolution）的陈举廉（Julian Chen音译）和他的团队，领导的一项研究首次发现了一种前所未有的从编码信使RNA（messenger RNA简称mRNA）的蛋白质产生端粒酶RNA（telomerase RNA）的途径。相关研究结果于2022年10月5日已经在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）杂化网站发表——Dhenugen Logeswaran, Yang Li, Khadiza Akhter, Joshu D. Podlevsky, Tamara L. Olson, Katherine Forsberg, Julian J.-L. Chen. Biogenesis of telomerase RNA from a protein-coding mRNA precursor. Proceedings of the National Academy of Sciences, October 5, 2022, 119 (41): e2204636119. DOI: 10.1073/pnas.2204636119. https://doi.org/10.1073/pnas.2204636119

分子生物学的中心信条规定了遗传信息从DNA转移到蛋白质中的顺序。mRNA分子将遗传信息(genetic information)从细胞核中的DNA携带到蛋白质形成的细胞质中。mRNA作为信使构建蛋白质。

陈举廉解释道：“实际上，有许多RNA（核糖核酸）不是用来制造蛋白质的。大约70%的人类基因组（human genome）用于制造非编码RNA，这些RNA不编码蛋白质序列，但有其他用途。”

端粒酶RNA是一种非编码RNA，与端粒酶蛋白（telomerase proteins）一起组装形成端粒酶。端粒酶对于癌症和干细胞（stem cells）的细胞永生至关重要。在这项研究中，陈举廉研究小组表明，真菌端粒酶RNA是由编码mRNA的蛋白质加工而来的，而不是独立合成的。

陈举廉说：“我们在这篇论文中的发现正在改变范式。大多数RNA分子都是独立合成的，在这里我们发现了一种双功能mRNA，可以用来生产蛋白质或制造非编码的端粒酶RNA，这是非常独特的。我们需要做更多的研究来理解这种不寻常的RNA生物生成途径的潜在机制。”

对mRNA代谢和调节的基础研究已导致重要的医学应用。例如，一些新冠肺炎疫苗（COVID-19 vaccines）使用mRNA作为产生病毒棘突蛋白的手段。在这些疫苗中，mRNA分子最终被降解，然后被我们的身体吸收。

与DNA疫苗相比，这种新方法具有优势，因为DNA疫苗具有潜在的风险，可能会永久性地有害地并入我们的DNA中。在这项工作中发现的双功能mRNA生物发生可能会导致制造未来mRNA疫苗的创新方法。

在这项研究中，陈举廉小组在模式真菌玉米黑粉菌（Ustilago maydis）或玉米黑穗病（corn smut）中发现了意想不到的mRNA衍生端粒酶RNA。玉米黑穗病，也称墨西哥块菌（Mexican truffle），是可食用的，并为许多菜肴添加了美味的鲜味（delicious umami），例如玉米粉蒸肉（tamales）和炸玉米卷（tacos）。玉米黑穗病中RNA和端粒生物学（telomere biology）的研究，可能为寻找mRNA代谢和端粒酶生物发生的新机制提供机会。

为何要研究端粒酶RNA？（Why study telomerase RNA?）

2009年，诺贝尔生理学或医学奖（The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2009）授予“发现端粒和端粒酶如何保护染色体”。端粒酶最早是从生活在池塘浮渣中的单细胞生物中分离出来的。后来发现，端粒酶几乎存在于包括人类在内的所有真核生物中，在衰老和癌症中起着至关重要的作用。科学家们一直在努力寻找利用端粒酶使人类细胞不朽的方法。

典型的人类细胞是不会不死的，不能永远自我更新。正如莱纳德·海弗利克（Leonard Hayflick）半个世纪前所证明的那样，人类细胞的复制寿命有限，老细胞比年轻细胞更早达到这一极限。这种细胞寿命的“海弗利克极限（Hayflick limit）”与在携带染色体的遗传物质末端发现的独特DNA重复数直接相关。这些DNA重复序列是保护性封盖结构的一部分，称为“端粒（telomeres）”，保护染色体末端免受不必要的DNA重排，从而破坏基因组的稳定性。

每次细胞分裂，端粒DNA就会收缩，最终无法保住染色体末端。端粒长度的持续减少起着“分子钟（molecular clock）”的作用，它一直计数到细胞生长结束。

细胞生长能力的降低与衰老过程（aging process）密切相关，细胞数量的减少直接导致虚弱、疾病和器官衰竭。

阻止端粒收缩的是端粒酶，这种酶是延缓甚至逆转细胞衰老过程的唯一关键。端粒酶通过延长端粒、添加丢失的DNA重复以增加分子时钟倒计时的时间来抵消细胞衰老，有效延长细胞的寿命。

端粒酶通过重复合成6个核苷酸（nucleotides）的非常短的DNA重复序列来延长端粒，这些核苷酸是DNA的组成部分，在染色体末端的序列“GGTTAG”来自位于端粒酶自身RNA成分内的模板。

端粒的逐渐缩小对人类干细胞的复制能力产生了负面影响，干细胞是修复受损组织和/或补充人体老化器官的细胞。成人干细胞中端粒酶的活性只是减慢了分子时钟的倒计时，并不能使这些细胞完全永生。因此，在老年人中，由于端粒长度缩短，导致愈合时间延长和器官组织因细胞数量不足而退化，成年干细胞（adult stem cells）会耗尽。

充分发挥端粒酶的潜力（Tapping the full potential of telomerase）

了解端粒酶的调节和限制，有望逆转端粒缩短和细胞老化，延长人类寿命，改善老年人的健康状况。

包括先天性角化不良（dyskeratosis congenita）、再生障碍性贫血（aplastic anemia）和特发性肺纤维化（idiopathic pulmonary fibrosis）在内的人类疾病，在基因上与对端粒酶活性产生负面影响和/或加速端粒长度丢失的突变有关。这种端粒缩短的加速非常类似于因干细胞数量严重不足而导致的器官退化加剧和患者寿命缩短的过早衰老。提高端粒酶活性似乎是治疗这些遗传疾病最有希望的方法。

虽然端粒酶活性的增加可以使衰老细胞年轻化，治愈早衰样疾病，但过多的好事可能会对个体造成损害。正如年轻的干细胞利用端粒酶来抵消端粒长度的损失一样，癌细胞也利用端粒酶来维持其异常和破坏性的生长。必须精确地增强和调节端粒酶功能，在细胞再生和癌症发展风险增加之间走钢丝。

与人类干细胞不同的是，体细胞（somatic cells）构成了人体细胞的绝大多数，并且缺乏端粒酶活性。人体体细胞缺乏端粒酶可以降低癌症发生的风险，因为端粒酶可以促进癌细胞不受控制的生长。因此，不需要在所有细胞类型中不加选择地增加端粒酶活性的药物。小分子药物可以被筛选或设计成只在干细胞内增加端粒酶活性，用于疾病治疗和抗衰老治疗，而不会增加癌症风险。

玉米黑穗病端粒酶RNA生物发生的研究可能揭示端粒酶调节的新机制，并为如何调节或改变人类端粒酶结构提供新的方向，以创新抗衰老和抗癌治疗方法。

这项工作得到了美国国家科学基金会(NSF grants: MCB1616078, MCB2046798)、美国国家癌症研究所(NCI)癌症中心{National Cancer Institute (NCI) Cancer Center Support Grant (CCSG) P30 CA060553}、NIH主任办公室 (NIH Office of Director: S10OD025194)以及美国国家转化和发育蛋白质组学资源（National Resource for Translational and Developmental Proteomics: P41 GM108569）的资助或支持。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

What lobsters can teach us about immortality

Significance

Many noncoding RNA molecules are indispensable components of macromolecular complexes that govern critical cellular processes. Telomerase RNA is a long noncoding RNA essential for maintaining chromosome stability and cellular immortality in eukaryotes. In this study, we discover a basidiomycete fungal telomerase RNA that is processed from a messenger RNA (mRNA) transcript that encodes a conserved protein. Our finding demonstrates an unprecedented biogenesis pathway for generating a functional long noncoding RNA from a protein-coding mRNA precursor.

Abstract

Telomerase is a eukaryotic ribonucleoprotein (RNP) enzyme that adds DNA repeats onto chromosome ends to maintain genomic stability and confer cellular immortality in cancer and stem cells. The telomerase RNA (TER) component is essential for telomerase catalytic activity and provides the template for telomeric DNA synthesis. The biogenesis of TERs is extremely divergent across eukaryotic kingdoms, employing distinct types of transcription machinery and processing pathways. In ciliates and plants, TERs are transcribed by RNA polymerase III (Pol III), while animal and ascomycete fungal TERs are transcribed by RNA Pol II and share biogenesis pathways with small nucleolar RNA (snoRNA) and small nuclear RNA (snRNA), respectively. Here, we report an unprecedented messenger RNA (mRNA)-derived biogenesis pathway for the 1,291 nucleotide TER from the basidiomycete fungus Ustilago maydis. The U. maydis TER (UmTER) contains a 5′-monophosphate, distinct from the 5′ 2,2,7-trimethylguanosine (TMG) cap common to animal and ascomycete fungal TERs. The mature UmTER is processed from the 3′-untranslated region (3′-UTR) of a larger RNA precursor that possesses characteristics of mRNA including a 5′ 7-methyl-guanosine (m⁷G) cap, alternative splicing of introns, and a poly(A) tail. Moreover, this mRNA transcript encodes a protein called Early meiotic induction protein 1 (Emi1) that is conserved across dikaryotic fungi. A recombinant UmTER precursor expressed from an mRNA promoter is processed correctly to yield mature UmTER, confirming an mRNA-processing pathway for producing TER. Our findings expand the plethora of TER biogenesis mechanisms and demonstrate a pathway for producing a functional long noncoding RNA from a protein-coding mRNA precursor.