非編碼核糖核酸（以下簡稱非編碼RNA）在生命活動調(diào)控的各個方面發(fā)揮著重要作用。研究非編碼RNA對了解生命調(diào)控的本質(zhì)不可或缺，是當前生命科學研究前沿熱點。

2014年，國家自然科學基金重大研究計劃“基因信息傳遞過程中非編碼RNA的調(diào)控作用機制”（以下簡稱重大研究計劃）正式啟動。重大研究計劃使用多學科交叉的綜合手段，解密非編碼RNA的新規(guī)律和新機制。經(jīng)過8年探索，科學家推動我國非編碼RNA研究進入國際領先行列，實現(xiàn)了跨越式發(fā)展。

陳潤生作學術報告。

在人類遺傳信息傳遞過程中，非編碼RNA不參與編碼蛋白質(zhì)，占全部RNA的98%，如同宇宙中神秘的“暗物質(zhì)”，是生命活動調(diào)控的“幕后推手”。

2014年起，中國科學家發(fā)起重大研究計劃，并于2023年底完成結(jié)束評估。

在重大研究計劃支持下，科學家通過8年不懈努力，在新型非編碼RNA的發(fā)現(xiàn)、調(diào)控機制和功能解析，以及前沿方法與技術開發(fā)等方面取得了一系列重大成果，使我國非編碼RNA研究領域得到了跨越式發(fā)展，初步確立了我國在非編碼RNA研究領域的國際領先地位。

瞄準未知的98%

從脫氧核糖核酸（DNA）到RNA再到蛋白質(zhì)，遺傳學的“中心法則”用3種物質(zhì)精準而簡潔地描述了遺傳信息傳遞過程。這是所有生命活動調(diào)控的基礎。

隨著科學研究的不斷深入，科學家發(fā)現(xiàn)了新問題。“中心法則”描述的DNA、RNA、蛋白質(zhì)這3種物質(zhì)在數(shù)量上并沒有和預期的一致。人的蛋白質(zhì)編碼基因大約有2萬個，但蛋白質(zhì)的種類卻超過5萬個；在所有的RNA中，98%都是沒有編碼蛋白質(zhì)的非編碼RNA。新問題引發(fā)了新思考：這些不參與編碼的RNA，到底發(fā)揮了什么作用？

2012年前后，作為國內(nèi)著名的生物信息學研究者，中國科學院院士、中國科學院生物物理研究所研究員陳潤生發(fā)現(xiàn)，越來越多的研究表明，這些非編碼RNA在生命活動調(diào)控的各個方面發(fā)揮著重要作用。

曾參加過“人類基因組計劃”的陳潤生大受啟發(fā)。他堅信：“研究非編碼RNA對了解生命調(diào)控的本質(zhì)不可或缺，這個領域不僅重大，也是生命科學研究的前沿熱點。國際上相關研究剛剛起步，中國科學家一定有機會走在前面！”

于是，他萌生了提出國家自然科學基金重大研究計劃的想法。“該計劃支持某一個領域方向，持續(xù)時間長，有利于科研人員厚積薄發(fā)產(chǎn)出重大成果?！标悵櫳嬖V《中國科學報》。

作為國家資助基礎研究的主渠道，國家自然科學基金委員會（以下簡稱自然科學基金委）同樣關注這一重大、前沿領域。在自然科學基金委的組織下，陳潤生自2012年提出重大研究計劃申請以來，歷經(jīng)了一年半的多輪答辯，最終立項。

作為一位資深科學家，陳潤生見過不少大場面，但面對重大研究計劃立項的層層遴選，心理壓力還是相當大。“遴選十分嚴格，從學部內(nèi)部到學部層面、再到委務會，每場答辯都是差額的，都要非常認真地準備，一不小心就會被淘汰?！彼f。

同時，答辯中專家的提問促使陳潤生深入思考，以不斷完善科學研究的目標任務。

2014年，陳潤生任專家組組長的重大研究計劃突出重圍，獲得立項。

經(jīng)過深入討論，專家組凝練出重大研究計劃核心科學問題的4個方向，包括與遺傳信息傳遞過程相關的非編碼RNA，特別是長非編碼RNA基因的鑒定與功能解析；與遺傳信息傳遞相關的非編碼RNA的生成、加工、修飾及代謝機制；非編碼RNA與其他生物分子的相互作用、調(diào)控網(wǎng)絡及其結(jié)構(gòu)基礎；非編碼RNA研究的新方法和新技術。

“我們期待，在重大研究計劃支持下，中國科研人員能夠努力推動我國非編碼RNA研究進入國際領先行列，占領這一科技制高點?！标悵櫳f。

“硬幣兩面”助力“領跑”

2023年12月，重大研究計劃順利完成結(jié)束評估。在重大研究計劃支持的8年時間里，中國科研人員實現(xiàn)了當初的愿景?！敖裉欤覀兛梢宰孕诺卣f，中國非編碼RNA研究走上了國際舞臺，既產(chǎn)生了重要的基礎研究成果，也培養(yǎng)了一大批人才?！标悵櫳硎尽?/p>

發(fā)表論文的質(zhì)量和數(shù)量是評價基礎研究的重要方式之一。在重大研究計劃支持下，科研人員發(fā)表了大量具有國際影響力的高水平論文，包括科學引文索引（SCI）收錄的論文1000余篇，其中超過500篇論文所發(fā)期刊的影響因子大于10，在《細胞》《自然》《科學》等正刊發(fā)表論文27篇。

在業(yè)內(nèi)專家看來，發(fā)表論文數(shù)量多的同時，其報道的科研成果回答了非編碼RNA研究中的重大科學問題，全面提升了我國非編碼RNA的研究水平，標志著我國在這一領域?qū)崿F(xiàn)了跨越式發(fā)展。

科研人員發(fā)現(xiàn)了許多新的非編碼RNA，其中包括os-piRNA、SPA lncRNA、risiRNA、bktRNA等4類新型非編碼RNA，以及內(nèi)含子自連型、內(nèi)含子套索型、外顯子—內(nèi)含子連接型等3種新亞型環(huán)形RNA。同時，科研人員還通過一系列研究揭示了它們生成、代謝與行使功能的多種重要分子機制。

“我們不僅是孤立地發(fā)現(xiàn)了一些非編碼RNA，還把這些新發(fā)現(xiàn)的RNA歸成不同類別，使原創(chuàng)成果由‘點’構(gòu)成了‘面’。”陳潤生說，“這是系統(tǒng)而深入的工作?！?/p>

此外，科研人員創(chuàng)建了非編碼RNA研究急需的新技術與新方法。據(jù)了解，此前諸如“RNA互作組學”“RNA修飾研究”等研究領域都因為缺乏國產(chǎn)技術，只能采用國外研發(fā)的技術方法，限制了國內(nèi)研究水平的提高。

在重大研究計劃支持下，科研人員創(chuàng)建了15種RNA和蛋白質(zhì)互作研究新技術以及17種RNA修飾研究新技術。這些原創(chuàng)性技術突破為深入解析非編碼RNA的結(jié)構(gòu)、修飾和功能奠定了方法學基礎，其中多項技術解決了領域瓶頸問題，達到了國際領跑水平。

“工欲善其事，必先利其器”，正是這些新技術的發(fā)展大力推動了非編碼RNA的原創(chuàng)研究進程。原創(chuàng)技術與原創(chuàng)成果二者相輔相成、缺一不可，成為重大研究計劃收獲的“硬幣兩面”。

面向國家重大需求進行頂層設計

科研人員為進一步利用非編碼RNA治療疾病和提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)開展了探索，面向國家重大需求，為保障我國的國民健康和糧食安全奠定了基礎。

這些成果的取得離不開專家組在重大研究計劃啟動之初進行的頂層設計。

陳潤生介紹：“非編碼RNA關系到生命奧秘，基礎研究中一定會產(chǎn)生重要的應用，所以我們通過專家組的頂層設計，面向國家重大需求，特別安排了基礎研究在醫(yī)學和農(nóng)業(yè)這兩個方面的應用探索?！?/p>

在醫(yī)學方面，科學家通過建立一套整合組學策略，發(fā)現(xiàn)了多個參與調(diào)控不同生物學過程的肝癌相關非編碼RNA。特別是科學家發(fā)現(xiàn)了新的基于血清的微小RNA的肝癌標志物。

這項研究成果引發(fā)了國際同行的高度關注。“這項工作開啟了微小RNA作為肝癌監(jiān)測標志物研究的大門?！眹H肝癌臨床診療指南編者亞歷杭德羅·福納評價。

更令專家組感到欣慰的是，2022年，這一基礎研究成果成功實現(xiàn)技術轉(zhuǎn)讓，在臨床上開展應用推廣，主要用于肝癌、小肝癌、早期肝癌、甲胎蛋白（AFP）陰性肝癌的早期診斷。

在農(nóng)業(yè)方面，科學家揭示了非編碼RNA調(diào)控水稻光敏不育和生長發(fā)育的關鍵作用。

重大研究計劃啟動之初，專家組主動出擊，與我國作物遺傳育種領域的知名學者、中國科學院院士張啟發(fā)進行深入交流。當年，在攻克水稻不育難題時，張啟發(fā)發(fā)現(xiàn)了一個令人費解的現(xiàn)象：水稻中的雄性育性受光照調(diào)控，其在長日照條件下是雄性不育，但是在短日照條件下可育。其背后的科學原理是什么？

非編碼RNA為張啟發(fā)探索這個問題提供了新思路?？蒲袌F隊開始在非編碼RNA中尋找答案，最終發(fā)現(xiàn)，決定水稻光敏感雄性不育的關鍵因素是長非編碼RNA——PMS1T，其點突變即可導致水稻光敏不育。這項發(fā)現(xiàn)解決了困擾水稻育種學科30多年的關鍵科學問題。

專家組的頂層設計還充分考慮了學科交叉的重要性。重大研究計劃啟動之初，專家組成員一致認為，非編碼RNA研究從基礎科學問題的設計到技術方法的改進，離不開化學學科的支撐。為此，陳潤生找到致力于核酸化學生物學研究的武漢大學化學與分子科學學院教授周翔，邀請他加入該重大研究計劃的專家組。

“從專家組成員的學科背景就開始‘交叉’，保證了后續(xù)開展科學研究學科交叉的連貫性?！标悵櫳硎尽?/p>

為建制化基礎研究提供經(jīng)驗

回顧該重大研究計劃實施的8年，陳潤生認為，中國非編碼RNA研究之所以能夠取得重要原創(chuàng)性成果，離不開國家自然科學基金為基礎研究提供的肥沃“土壤”。

“重大研究計劃就是這片‘土壤’，其中聚集了資源和人才兩個關鍵因素，‘鼓勵’和‘競爭’是兩個關鍵詞?！标悵櫳硎?。

在項目科學家們看來，持續(xù)8年的體量足夠大的經(jīng)費資源支持，鼓勵了研究者專心致學。同時，重大研究計劃聚集了從事非編碼RNA研究的年輕人，互相切磋、啟發(fā)，產(chǎn)生新的思想火花。

一批優(yōu)秀青年科研人員在重大研究計劃中成長起來。中國科學院生物物理研究所研究員薛愿超便是其中之一?！?015年，我全職回國后拿到的第一筆經(jīng)費就是重大研究計劃的培育項目經(jīng)費，后來陸續(xù)獲得了重大研究計劃重點項目和集成項目的支持。正是有了這些項目的持續(xù)資助，我們才能靜下心來，敢于挑戰(zhàn)高風險的課題，以解決非編碼RNA領域的一些根本性難題及突破瓶頸為己任?！毖υ赋硎?。

陳潤生高興地看到，國內(nèi)從事非編碼RNA研究的隊伍在不斷壯大。“從每年組織的一到兩次的學術會議就可以看出來，一開始只有五六十人參加，到后來有上千人參與。”他說。

同時，專家組在整體布局時重點考慮了項目的“競爭”特點。在培育階段，所有項目的申請都是差額產(chǎn)生，由評審專家進行擇優(yōu)選取。隨著重大研究計劃的展開，申請人數(shù)增加，競爭越來越激烈，淘汰率也逐漸上升。

總之，專家組以宏觀視角策劃大方向的同時，也嚴把項目質(zhì)量關，鼓勵項目科學家圍繞具體科學問題充分探索，形成一種既有設計又具有靈活性的模式。

對此，專家組認為，重大研究計劃的組織形式為建制化地開展自由探索類基礎研究提供了實踐經(jīng)驗。

環(huán)形RNA：從“無名之輩”到“明日之星”

動植物體內(nèi)存在種類繁多的環(huán)形核糖核酸（circular RNA），其中以反向剪接產(chǎn)生的環(huán)形RNA含量最為豐富，因其具有獨特的閉環(huán)結(jié)構(gòu)，近期引發(fā)全世界科學家的關注。

在重大研究計劃支持下，中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心的科研團隊對多種環(huán)形RNA的生成代謝及生物學功能進行了深入探究。

這些工作通過系統(tǒng)闡明環(huán)形RNA加工、折疊和降解特性，將環(huán)形RNA的生成與作用機制耦聯(lián)，揭示了其全新功能，并探索了與自身免疫疾病的關聯(lián)。

一系列研究成果不僅達到了國際領先水平，還助力環(huán)形RNA從“無名之輩”成為醫(yī)療技術領域的“明日之星”。環(huán)形RNA的結(jié)構(gòu)使它們在細胞內(nèi)更加穩(wěn)定，不易被核酸酶降解，在未來醫(yī)療技術發(fā)展中展現(xiàn)出巨大應用潛力。

科研團隊首先創(chuàng)建了多種先進的工具和技術用于研究環(huán)形RNA的生物學功能，包括環(huán)形RNA開源工具包CIRCexplorer和功能性環(huán)形RNA篩選新體系CRISPR-RfxCas13d系統(tǒng)。這些技術的開發(fā)極大拓展了研究人員對環(huán)形RNA多樣環(huán)化模式和生物學功能的認識。

為揭示環(huán)形RNA的生成規(guī)律，科研團隊通過創(chuàng)建“新生環(huán)形RNA捕獲體系”，發(fā)現(xiàn)環(huán)形RNA生成緩慢，但可以穩(wěn)定累積，且部分環(huán)形RNA達到較高表達水平。其中，一種被稱為RNaseH1的酶能夠分解某些環(huán)形RNA，這些特定的RNA形成了“R-loops”。這一結(jié)構(gòu)如同細胞內(nèi)的“小結(jié)”，不僅穩(wěn)定了環(huán)形RNA本身，還能夠促進其“母本”基因的轉(zhuǎn)錄，促使更多的RNA被生產(chǎn)出來。

在重大研究計劃支持下，科研人員首次揭示環(huán)形RNA的生成在天然免疫中受限，為環(huán)形RNA如何參與天然免疫調(diào)控的研究開辟了新方向?；谶@一認識，科研團隊圍繞環(huán)形RNA在天然免疫中的功能開展了一系列原創(chuàng)性研究。其中，包括創(chuàng)建環(huán)形RNA折疊研究新體系，揭示其具有特殊結(jié)構(gòu)，抑制天然免疫因子PKR等活化；揭示其在病毒感染中快速降解釋放PKR參與免疫調(diào)控；首次提出環(huán)形RNA適配體，有望用于治療PKR過度激活引起的炎癥性疾病，如牛皮癬、阿爾茨海默病等。

這些系統(tǒng)工作填補了環(huán)形RNA生成代謝和作用機制研究的空白，獲得國際同行高度評價。國際專家認為，這些研究“出乎意料地揭示了環(huán)形RNA與天然免疫調(diào)控的關聯(lián)”“令人信服地證明環(huán)形RNA抑制天然免疫”“提示環(huán)形RNA可作為治療策略”等。相關成果獲“上海市自然科學獎一等獎”，并實現(xiàn)專利轉(zhuǎn)化。

總之，一系列關于環(huán)形RNA的科研進展不僅為學界帶來了創(chuàng)新性理論認知，也為其潛在臨床應用提供了重要技術指導。

環(huán)形RNA結(jié)合PKR并抑制其活性。

“小蝌蚪”成長之路上的RNA

近20年來，我國不孕不育人群比例急劇增加，其中近40%為男性因素所致。男性不育已成為人口健康的重大問題，但一半以上患者的發(fā)病原因不明。

近年來，在重大研究計劃支持下，中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心研究員劉默芳帶領科研團隊，面向國際前沿和人口健康，針對精子發(fā)生的重大生物學問題和男性不育的臨床問題，圍繞RNA調(diào)控在精子發(fā)生及男性不育中的新功能機制進行長期攻堅，獲得了系列重大原創(chuàng)研究成果。

精子發(fā)生即精子的生成過程極其復雜，有許多未解之謎，涉及細胞在減數(shù)分裂時脫氧核糖核酸（DNA）的重新組合，以及為適應游動而縮小精細胞體積等一系列挑戰(zhàn)。特別是在“減負和瘦身”過程中，精子細胞中的基因組轉(zhuǎn)錄活動將逐漸減少直至完全停止。為應對這個變化，精子細胞會在發(fā)育早期大量制造信使核糖核酸（mRNA）并以“惰性態(tài)”保存起來，以便在特定發(fā)育階段“復活”并用于蛋白質(zhì)合成，以支持精子形成。

然而，儲存在精子細胞中的mRNA是如何開始工作的？精子形成之前，為“減負和瘦身”，胞質(zhì)中大量的mRNA是怎樣被清除的？細胞核壓縮是如何觸發(fā)的？這些問題長期困擾著該領域的科學家。

為此，科研團隊建立了慢病毒小鼠睪丸轉(zhuǎn)導和高純度精子細胞級分等獨特的研究系統(tǒng)和方法，長期致力于RNA調(diào)控在精子發(fā)生中的功能機制研究，最終率先發(fā)現(xiàn)生殖細胞特異性PIWI蛋白及其結(jié)合的piRNA，可以通過結(jié)合不同的蛋白質(zhì)因子，雙向調(diào)控蛋白質(zhì)編碼基因的表達。

研究還發(fā)現(xiàn)RNA結(jié)合蛋白FXR1通過相分離激活后期精子細胞mRNA翻譯，系統(tǒng)地解答了精子細胞中“惰性態(tài)”mRNA如何被激活、精子成熟前如何清除mRNA等精子形成中的兩個重大科學問題。

科研團隊在關注精子發(fā)生基礎生物學問題的同時，探討了男性不育新病因及其致病機制。通過篩查男性不育患者樣本并結(jié)合動物模型，發(fā)現(xiàn)PIWI在精子細胞降解調(diào)控異?？芍履行圆挥?，首次證明了人類piRNA通路基因突變可能引發(fā)男性不育，并基于對致病機理的了解，設計了針對此類不育癥的診斷方法和潛在治療方法，獲國家發(fā)明專利授權。

近期，科研團隊又鑒定出致男性不育的piRNA通路基因新突變，為男性不育的精準醫(yī)療提供了理論基礎和新策略。

上述系列研究工作不僅有助于解答精子發(fā)生中的關鍵科學問題，還揭示了男性不育的新病因及致病機制，為相關男性不育癥的診斷和治療提供了新的理論基礎和方法策略。

研究示意圖。

“看”得更清！RNA結(jié)構(gòu)解析新技術孕育新發(fā)現(xiàn)

“結(jié)構(gòu)決定功能”是物質(zhì)科學界的基本共識。目前，非編碼RNA的結(jié)構(gòu)解析難題是開展其調(diào)控功能和作用機制研究的一大瓶頸。

與編碼蛋白質(zhì)的信使RNA（mRNA）不同，非編碼RNA往往需要先形成二級結(jié)構(gòu)，并在RNA結(jié)合蛋白的幫助下折疊成更為復雜的高級結(jié)構(gòu)，進而與其他RNA分子相互作用以發(fā)揮生物學調(diào)控功能。因此，解析非編碼RNA的結(jié)構(gòu)和作用靶標是理解其功能機制的關鍵。

面對這一挑戰(zhàn)，在重大研究計劃支持下，中國科學院生物物理研究所研究員薛愿超帶領的科研團隊在RNA結(jié)構(gòu)解析及RNA-蛋白質(zhì)相互作用等方面取得了多項重要成果。

科研團隊創(chuàng)建了RNA原位構(gòu)象測序技術“RIC-seq”。以該技術為主要手段，他們首次全景式解析了非編碼RNA的二級結(jié)構(gòu)、作用靶標和高級結(jié)構(gòu)。該原創(chuàng)技術獲得了國家發(fā)明專利，并已成功進行成果轉(zhuǎn)化。在此基礎上，該團隊還發(fā)展了capture RIC-seq、vRIC-seq等一系列新技術和新方法，用于解析特定RNA結(jié)合蛋白所介導的RNA構(gòu)象。

新技術會帶來新發(fā)現(xiàn)和新理論?？蒲袌F隊利用創(chuàng)建的RIC-seq技術，首次發(fā)現(xiàn)DNA上可與蛋白質(zhì)結(jié)合的“增強子”和“啟動子”區(qū)域產(chǎn)生的非編碼RNA相互作用，并利用這樣的相互作用準確識別出哪一個“增強子”調(diào)節(jié)哪一個“啟動子”。

同時，實驗還發(fā)現(xiàn)，增強子-啟動子RNA配對和轉(zhuǎn)錄激活由大多數(shù)哺乳動物DNA中都存在的“Alu序列”介導。這革新了Alu序列“無用”的傳統(tǒng)觀點。

這兩項研究成果先后于2020年、2023年發(fā)表于《自然》。

非編碼RNA往往與RNA結(jié)合蛋白相互作用以形成復雜的高級結(jié)構(gòu)，進而發(fā)揮調(diào)控功能。在RNA-蛋白質(zhì)互作位點鑒定方面，科研團隊開發(fā)了LACE-seq方法，通過線性擴增逆轉(zhuǎn)錄酶在RNA結(jié)合蛋白（RBP）結(jié)合位點處的終止信號，首次實現(xiàn)了在單堿基分辨率和單細胞層面精準鑒定RBP的結(jié)合位點。

新冠疫情期間，清華大學生命科學學院副教授張強鋒團隊為了從RNA結(jié)構(gòu)的角度理解新冠病毒的復制和致病性，利用“icSHAPE”技術，繪制了細胞內(nèi)新冠病毒全基因組RNA二級結(jié)構(gòu)模型，并利用開發(fā)的PrismNet人工智能算法預測了42個可與病毒基因組RNA相互作用的宿主蛋白。

在此基礎上，他們發(fā)現(xiàn)了一些藥物可以通過抑制宿主RNA結(jié)合蛋白而影響病毒復制。這些研究工作為新冠防治提供了潛在的靶點和治療性藥物。

Alu序列介導增強子-啟動子RNA配對和轉(zhuǎn)錄激活示意圖。

來源：中國科學報