1962年科學(xué)家們首先在水母體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了綠色熒光蛋白(GFP)，從那以后，這種神奇的蛋白質(zhì)成為生物學(xué)功能研究的重要工具之一。在綠色熒光蛋白的幫助下，研究人員不僅能夠成像觀測基因表達(dá)和蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)，還可以檢測細(xì)胞內(nèi)離子和小分子濃度、酶活性，標(biāo)記細(xì)胞或分子亞群，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)時(shí)空分析。這一突破性的科學(xué)成果以其在后續(xù)數(shù)十年的生命科學(xué)研究中發(fā)揮的巨大作用，而因此獲得了2008年度的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

近日來自美國威爾康乃爾醫(yī)學(xué)院（Weill Cornell Medical College ）的研究人員稱他們開發(fā)了一種可以跟GFP蛋白媲美的新型熒光工具，這種被命名為“Spinach”的RNA-熒光基團(tuán)復(fù)合物可用于追蹤細(xì)胞內(nèi)各種RNA的功能動(dòng)態(tài)。這一新技術(shù)將幫助推動(dòng)科學(xué)家們揭開與人類生命活動(dòng)及疾病相關(guān)的RNA的神秘面紗。

     “Spinach為我們提供了一個(gè)重要的研究工具，幫助了解RNA在生物學(xué)中的各種功能，”文章的資深作者、威爾康乃爾醫(yī)學(xué)院藥理學(xué)系副教授Samie Jaffrey博士說。

     近年來，隨著生物學(xué)研究的飛速發(fā)展，RNA在生命活動(dòng)中所行使的多種生物功能及作用機(jī)制不斷獲得深入解析。“過去科學(xué)家們認(rèn)為RNA的功能僅僅是參與蛋白質(zhì)生物合成，蛋白質(zhì)是細(xì)胞所有生命活動(dòng)的唯一物質(zhì)基礎(chǔ)，”Samie Jaffrey說：“然而現(xiàn)在我們知道細(xì)胞中存在多種不同類型的RNA，其中一些RNAs并不參與蛋白質(zhì)的合成，而主要是對細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)和基因表達(dá)起重要的調(diào)控作用。”

    在過去的幾年里，RNA分類研究不斷取得突破性進(jìn)展，在揭開編碼蛋白質(zhì)的信使RNA(mRNA)之后，研究人員又發(fā)現(xiàn)了多種影響翻譯及基因表達(dá)的“非編碼”RNAs，并證實(shí)某些情況下這些RNAs可直接與蛋白質(zhì)結(jié)合對其功能進(jìn)行調(diào)控。然而一直以來科學(xué)家們對于這些RNAs的作用機(jī)制卻知之甚少。

    鑒于GFP蛋白在細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)功能研究中的廣泛應(yīng)用，Jaffrey研究小組提出了一個(gè)奇妙的設(shè)想：能否開發(fā)出一種具有GFP相似功能的熒光RNA復(fù)合物，用于細(xì)胞內(nèi)RNAs動(dòng)態(tài)研究。

    在新研究中，Jaffrey研究小組的科研人員利用RNA能夠折疊形成復(fù)雜三維形狀的特性，構(gòu)建了兩個(gè)新實(shí)體（entities，生物通譯）：一段顯示特異形狀的合成RNA序列，以及一個(gè)與RNA結(jié)合后發(fā)射熒光的小分子。“在這一研究中，我們面臨著兩個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，”Jaffrey博士說：“第一是要獲得能夠激活小分子的RNA序列，第二則是要找到能夠進(jìn)行時(shí)間控制且對細(xì)胞無毒性作用的熒光小分子。

    Jaffrey等對多種分子進(jìn)行了嘗試性實(shí)驗(yàn)，其中大部分由于會(huì)與細(xì)胞膜上的油脂結(jié)合發(fā)射熒光或本身具有細(xì)胞毒性而無法將其用于構(gòu)建理想的熒光分子。最終，研究人員發(fā)現(xiàn)GFP蛋白中就包含了他們一直想尋找的分子——一種熒光基團(tuán)。于是研究人員根據(jù)這一熒光基團(tuán)的形狀合成了一些化學(xué)分子，并在隨后構(gòu)建了一條能夠銜接這些化學(xué)分子的人工RNA序列。研究人員將他們第一個(gè)成功構(gòu)建的“RNA-熒光基團(tuán)”復(fù)合物命名為“Spinach”。在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中，研究人員再度成功構(gòu)建出與Spinach發(fā)射不同熒光波長的多個(gè)“RNA-熒光基團(tuán)”復(fù)合物。

    目前威爾康乃爾醫(yī)學(xué)院的研究人員已開始利用Spinach追蹤細(xì)胞中的非編碼RNAs。“我們實(shí)驗(yàn)室長期以來致力于解析RNA運(yùn)輸及移位缺陷與兒童發(fā)育性疾病之間的關(guān)系，通過Spinach，我們觀察到在細(xì)胞壓力應(yīng)激反應(yīng)中一種非編碼RNA發(fā)生了快速的積聚。”Jaffrey博士說：“我們希望通過Spinach能夠更深入地了解細(xì)胞中的RNA運(yùn)輸機(jī)制，以及它們在疾病中的受累情況。”

    文章的第一作者Jeremy Paige博士表示：“目前在生物學(xué)中還存在大量圍繞RNA的謎題。在過去科學(xué)家們證實(shí)熒光標(biāo)記成像技術(shù)是一種非常強(qiáng)大的研究工具，我們期望Spinach也能像GFP一樣開啟一條科學(xué)研究的新途徑幫助加速研究發(fā)現(xiàn)。”