【创新前沿】《自然—生物技术》在线发表我校活细胞RNA成像研究的突破性进展

    近日，国际权威学术期刊《自然—生物技术》（ Nature Biotechnology ）杂志以“Visualizing RNA dynamics in live cells with bright and stable fluorescent RNAs”为题，在线报道了我校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课题组与朱麟勇教授课题组为主组成的联合攻关团队在荧光RNA及活细胞RNA成像领域取得的突破性进展。

    生物大分子标记技术是生物分子成像的关键。在科学历史上，人们利用荧光蛋白“点亮”细胞内蛋白质, 实现了生命动态过程中蛋白质分子的可视化。荧光蛋白技术是当代生物科学研究中最重要的研究工具之一。在短短十余年内，相关研究即被授予诺贝尔奖。RNA同样具有独特的结构、种类繁多的生物学功能以及复杂的时间空间分布。与蛋白质相比，RNA种类更多，大部分种类结构功能尚未鉴定，被称为基因组中的“暗物质”。不同种类的RNA及其修饰形式的鉴定、功能与调控研究现已成为国际前沿。RNA研究也迫切需要一种类似于荧光蛋白这样的颠覆性标记技术，这是深入研究RNA功能机制极为有用的工具。

    自然界尚未发现天然存在的荧光RNA。科学家们一直试图发展人工合成的荧光RNA，用于细胞内低丰度RNA的示踪。但迄今为止，RNA研究领域还没有出现类似于荧光蛋白这样简单有效的活细胞荧光标记工具。针对这一亟需解决的技术挑战，华东理工大学药学院杨弋教授与化学与分子工程学院朱麟勇教授等组成了交叉学科联合攻关团队，历经7年紧密合作，最终在荧光RNA研发领域取得了突破性进展。基于合成生物学及化学生物学原理，他们成功构建了系列高性能荧光RNA，在国际上首次实现了动物细胞内不同种类RNA的标记与无背景成像。

    研究团队发展了全新的分子设计理念及分子共同定向进化的方法新思路，首次获得了系列高亮、稳定、低背景的荧光RNA。这些荧光RNA是仅含40余个核苷酸的RNA分子片段，可以特异结合不发光的创新染料分子，进而产生强烈荧光。它们具有蓝绿色、黄色、橙、红等不同颜色，与五颜六色的辣椒相似，因此被命名为Pepper。通过基因编辑等手段，Pepper可以插入到不同的天然非编码RNA与编码RNA分子序列中，进而在活细胞内对各种RNA进行荧光标记和实时成像，而不影响它们的转录、定位、翻译、降解等正常代谢。由于Pepper与染料分子的结合是非共价的，因此可以通过加入不同染料的方法，随意改变细胞内荧光RNA的颜色，这种灵活性对于荧光标记稳定细胞株和转基因动物的构建十分有利。受益于Pepper的高亮度和强稳定性，研究团队首次实现了活细胞RNA的超分辨成像。研究团队还利用Pepper对单细胞中mRNA的翻译过程进行定量研究，结果显示癌细胞中mRNA量与其编码蛋白质量之间存在较低相关性，这表明癌细胞的翻译调控显著失调，这为癌症的诊疗提供了一种全新的思路。

    与现有技术相比，我校科学家研发的荧光RNA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，体现了荧光RNA从概念到实用的突破，为活细胞中RNA的功能研究提供了极具价值的工具。此外，这些荧光RNA与适配体技术相结合，原则上可以针对任意信号分子、代谢物、蛋白质等靶标发展从蓝色到红外的高响应度荧光探针，其性能将有望大幅超过现有基于荧光蛋白的遗传编码荧光探针，为活细胞与活体生物传感、即时诊断甚至实时诊断技术的发展提供新的机遇。

    论文第一作者为华东理工大学陈显军副研究员、张大生博士与苏倪博士，通讯作者为朱麟勇教授和杨弋教授。该研究得到了华东理工大学信息科学与工程学院杜文莉教授与生物工程学院张立新教授，以及哈佛大学医学院Loscalzo教授的协助。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科委项目、“111”计划、生物反应器工程国家重点实验室基金、教育部基本科研业务费、中国博士后科学基金等经费资助。

    原文链接： https://www.nature.com/articles/s41587-019-0249-1 。