RNA研究的前沿与挑战

核糖核酸(RNA)是生命科学“中心法则”的三大核心分子之一, RNA调控细胞生命活动规律的机制研究已成为生命科学发展最为迅速的前沿领域之一,是未来生物技术革命的重要驱动力。加强RNA领域原创理论、原创技术和转化应用的突破,促进学科交叉,符合当前生物医学与农业科学发展的需求,也是实现高水平科技自立自强、促进经济社会发展和确保国家安全的必要之举。该文基于国家自然科学基金委员会(简称自然科学基金委)第337期双清论坛“RNA研究的前沿与挑战”研讨,结合RNA研究领域的历史、RNA研究在生物技术革命中的重要地位,阐述了RNA研究的科学价值与战略意义、中国RNA研究的主要进展和重要成果,提出了自然科学基金委未来5～10年在该领域亟需解决的关键科学问题与部署的研究方向,并对促进RNA基础研究与应用基础研究的变革性发展提出了政策建议。     

转载-我国“合成生物学”急需研究的问题

2010年5月20日,美国Science杂志报道J.Craig Venter的研究小组制造了第一个能够自我复制的人工合成生命,这一成果是人类在合成生物学领域的一次突破,同时"合成生物学"也日渐成为国内外研究的热点。本刊一直以来,也非常关注合成生物学的进展,2010年6月本刊曾发表了"从人类基因组到人造生命:克雷格.文特尔领路生命科学"一文,回顾了Venter团队制造人造细胞的研究历程及合成生物学的历史,展望了其广阔的应用前景。近日,本刊副主编陈国强教授接受了《中国科学报》(原《科学时报》)记者龙九尊的专访,探讨了我国"合成生物学"急需研究的一些问题。故编辑部特别转载推介此文,以飨读者。     

干细胞生物工程的研究

在实现对人类基因组进行大规模测序的科学重大突破后,生命科学领域内最有价值、最具应用前景,而且最具有影响力的研究课题之一就是细胞生物学以及干细胞生物工程。本文阐述了干细胞领域的概念、种类,总结了干细胞生物工程的临床应用前景。     

《生命科学研究》2016年封面插图说明

<正>2016年《生命科学研究》封面左上角的插图是科学家们首次揭示的双链RNA病毒(dsRNA病毒)的内部基因组及其聚合酶的结构图。dsRNA病毒的内部三维结构是由湖南师范大学物理与信息科学学院、量子效应及其应用协同创新中心刘红荣教授与清华大学生命科学学院程凌鹏副研究员于2015年合作完成,该研究运用冷冻电镜技术和对称失配三维重构方法首次精确解析了一种源自昆虫的dsRNA病毒的内部基因组及其RNA聚合酶的三维结构,研究结果指出,ds RNA病毒的基因组是由许多不连续     

启动以细胞为基本功能单元的系统人类基因转录组研究

基因组学、分子生物学和细胞生物学等基础生命科学领域前沿的概念和技术都在高速形成和发展,这些领域和新概念、新技术的不断融合推动生命科学研究从一个生长点到又一个新的生长点。人类基因组研究将在未来的五到十年里,从以一个基因组为对象的研究进入到以每个体基因组为对象的研究。基因功能和功能相关性的研究也将进入到以细胞为单元的研究,转录组研究必将成为这一研究的基础和出发点。转录组研究包括转录组的构成、调控和与蛋白质组的关联等基本部分,以及在临床诊断和药物研发中的应用。在生理状态下,每一种细胞中基因的共有和特异功能最终构成物种的生长、发育和演化。在病理状态下,每一种细胞中基因的变异和失控最终导致器官、组织、乃至个体的衰亡。人类转录组研究是基因功能研究的最基本层次之一,作为基因产物的RNA和蛋白质在这个层次上的存在、变化、关联和在细胞间的差异构成转录组研究的基本内容。     

编者按: 非编码RNA——有待挖掘的生物宝库

进入21世纪以来,非编码RNA和非编码基因的研究越来越引起人们的关注。2010年12月7日的《科学》杂志(Science)在评选本世纪前10年的十大科学突破时,首先提到的就是基因组中的暗物质(the genome's "dark matter")。近10年非编码RNA领域发展如此迅速,首先源于20世纪90年代开展的基因组研究和随后的比较基因组研究。海量的基因组序列数据证实：DNA上编码蛋白质的区域(也就是通常说的基因)只占人类和其他高等动、植物基因组的极小部分,在人类不会超过整个基因组的3%,其余部分都不编码蛋白质或多肽。而且,随着生物从简单到复杂、从低级到高级,非编码序列在基因组中所占的比例也单调地增加,说明非编码序列是有功能的;近年来大量转录组的新实验结果表明,基因组中的非编码序列是可以表达的,其表达产物就是非编码RNA,转录组的研究说明基因组中的非编码序列是有信息发放的;此后,越来越多的事实证明非编码RNA具有重要的生物功能,microRNA(miRNA)的研究就是最突出的例子。上述的进展明确地告诉我们数量巨大的非编码RNA是有待挖掘的生物宝库。当今,非编码序列、非编码基因和非编码RNA的研究已成为生物学领域的研究热点,重新唤起了科学家们对“RNA世界”的重视及对“生命起源于RNA分子”这一命题的兴趣。目前,这一领域值得关注的问题很多,比如： 1 长非编码RNA系统发现和功能研究 尽管长度小于50个碱基的非编码RNA(如microRNA和piRNA等)的研究已取得突破性进展,但长度大于100个碱基的非编码RNA,还有数以万计功能尚未发现。长非编码RNA不仅数量巨大,更为重要的是它们能折叠为特定的空间结构,因此它们与其他生物分子相互作用的方式是不同于microRNA的。虽然到目前为止,才知道了几百个长非编码RNA的功能,但已涉及到：转录调控、转录后调控、翻译调控、表观遗传调控、基因印迹以及端粒系统等。近年来还发现了一些新类型的长非编码RNA,如ceRNA和环RNA等。所以,进一步开展非编码序列、非编码基因和非编码RNA的研究,系统发现新的长非编码RNA,研究它们的空间结构与功能,可能为我们带来更多的创新机会。 2 非编码RNA是生物网络的元件 近年来的大量新研究成果表明非编码RNA是许多生命过程中富有活力的参与者。一些科学家认为成千上万非编码RNA分子组成了巨大的分子网络调节着细胞中的生命活动,它们与蛋白质网络相对应,同时这两类网络必然有紧密的相互作用,从而构成更复杂的网络。所以未来的网络至少是双色的才更符合生命活动的实际。 3 非编码RNA调节的多样性 非编码RNA在发挥生物学功能时的作用方式是多种多样的,以miRNA为例：它的负调控作用不仅存在于靶mRNA的3'UTR区,也可发生在5'UTR区;miRNA不仅具有负调控作用,在特定条件下也可以激活基因的表达;最近的研究表明,miRNA不仅可通过调节mRNA的表达发挥生物作用,还可以通过调节蛋白来发挥生物功能。 miRNA的作用方式尚且如此复杂,其他非编码RNA行使功能的途径可能更为多样。 4 非编码RNA与疾病紧密相关 非编码RNA,特别是miRNA,与疾病相关的研究已数不胜数。长非编码RNA也和人类疾病紧密相关,仅以肿瘤为例：PCGEM1与前列腺癌有关;His-1是白血病致病因素,而且参与了癌变代谢通路和细胞周期调控; MALAT-1的转录本是一条8000多个碱基长度的非编码RNA,该基因与非小细胞肺癌有关。上述一些成果正逐渐走向临床。非编码RNA研究是一个紧密结合实际,又可迅速用于实际的领域,应特别关注从基础到应用的转化。 为了让广大读者了解非编码RNA领域的进展,本刊特意组织了这个专辑。邀请国内RNA研究领域的5位知名专家对该领域当前的进展与挑战作了综述。屈良鹄教授介绍了microRNA和细胞信号通路间的相互作用及其对两者功能发挥的关键作用,并探讨了其生物学意义;邵宁生教授的综述介绍了在不同细胞或同一细胞的不同状态下microRNA发挥生物学功能的时序特异性和组织特异性,说明microRNA在机体内工作的复杂性;张辰宇教授结合自己多年的研究实践叙述了人体体液中microRNA的起源与功能,对分泌RNA和循环RNA概念作了论述,并探讨了它们在临床医学领域的潜在诊断功能;施蕴渝教授从结构生物学出发综述了RNA分子伴侣Hfq是如何促进sRNA和mRNA相互配对的;鲁志教授介绍了长非编码RNA研究中的各种生物信息学的工具与方法。希望大家对这些文章感兴趣,也希望它们能给大家带来知识与帮助。     

长链非编码RNA在体动物研究进展

从一开始被怀疑为基因组的噪音到目前成为生物医学研究领域的宠儿,主要基于细胞水平的长链非编码RNA(long noncoding RNA,lnc RNA)研究在过去的10年左右时间里得到了迅猛发展。随着近几年在体动物研究的发展,lnc RNA领域正在由其新生阶段进入下一个重要发展阶段。然而,由于lnc RNA的特殊性,使得lnc RNA在体动物研究难度依然很大,对实验策略,甚至目的基因的选择都有很强的技巧。现就lnc RNA在体动物研究现状和其中一些重要问题进行综述。     

2010年中国植物科学若干领域重要研究进展

2010年中国植物科学研究继续快速发展。中国科学家在植物科学各领域中取得了大量的具有原创意义的研究成果,尤其是在水稻产量决定的遗传机制和作物基因组研究方面获得了一系列突破,农业生态学研究等方面也取得了重大进展,获得国内外的高度评价。该文对2010年中国本土植物生命科学若干领域取得的重要研究进展进行概括性评述,旨在全面追踪当前中国植物科学领域发展的最新前沿和热点事件,并展现我国科学家所取得的杰出成就。     

2010年中国植物科学若干领域重要研究进展

2010年中国植物科学研究继续快速发展。中国科学家在植物科学各领域中取得了大量的具有原创意义的研究成果, 尤其是在水稻产量决定的遗传机制和作物基因组研究方面获得了一系列突破, 农业生态学研究等方面也取得了重大进展, 获得国内外的高度评价。该文对2010年中国本土植物生命科学若干领域取得的重要研究进展进行概括性评述, 旨在全面追踪当前中国植物科学领域发展的最新前沿和热点事件, 并展现我国科学家所取得的杰出成就。     

一种从感染的培养细胞中分离细菌RNA的方法

病原菌全基因组表达谱研究是阐明其致病机理的必要的基础 ,已经成为当前生命科学领域的热点和重点 ;然而由于难于从感染的组织中快速固定并分离细菌RNA ,从而极大的制约了该研究的进展。介绍一种从感染的细胞中分离细菌RNA的方法———冷酸酚法 ,其主要特点是 :(1)使用可以破碎真核细胞但不影响细菌细胞完整性的SDS浓度 ,实现了从感染的细胞中快速分离完整的细菌 ,减少了宿主细胞RNA的污染 ;(2 )在将细菌从细胞中分离的同时即利用苯酚 乙醇混合液将其总RNA快速固定 ,既减少了RNA的降解 ,又最大限度地保持了细菌在哺乳细胞内原有的表达模式 ;(3)可以从 10 8个菌体中提取到至少 30 μg的总RNA ,足够用于反转录等其他研究。该方法将为利用DNAMicroarray技术进行的病原菌表达谱研究提供有益的借鉴。     

非编码RNA与RNA组学研究现状及发展态势

人类基因组计划的完成(2001年)宣告了后基因组时代的到来,也掀起新一轮的RNA研究热潮．作为后基因组时代的科学前沿,RNA组学近年来成为生命科学领域的研究热点,各种新型ncRNA的发现,让人们对遗传信息表达调控网络有了新的认识．结合RNA领域的最新研究进展,《 中国科学C辑：生命科学》 (Science in China Series C-Life Sciences)2009年第3期的8篇述评,从动植物小分子非编码 RNA、miRNA 与细胞分化发育、miRNA 与肿瘤发生及诊断治疗的靶点、核酶的结构与功能、遗传印记起源、miRNA 基因簇的进化等多个方面进行了综述,展现了ncRNA领域的研究现状和发展前景．     

拟南芥——一把打开植物生命奥秘大门的钥匙

在过去的20年中,拟南芥作为模式植物广泛用于植物生命科学研究。历时10年的模式植物拟南芥的全基因组测序工作于2000年完成,通过测序获得的拟南芥基因组核苷酸序列全部公布在互联网上,有力地推动了植物生命科学研究向前发展。科学家提出的“2010计划”旨在通过全世界植物科学家的努力,到2010年能够尽可能多地了解拟南芥基因的功能。通过拟南芥研究所获得的信息将有助于人类对控制不同植物复杂生命活动机制的认识。     

1%人类基因组DNA元件解译,基因组结构的传统认识受到挑战:变人类基因组“天书”为 “ 百科全书”的重要一步

继“人类基因组计划”后生命科学领域最大的国际合作计划之一——“DNA元件百科全书”计划(Encyclopedia of DNAElements,ENCODE)日前发表了一系列重要文章报告了其示范期完成的1%人类基因组的解码情况.这些成果由来自11个国家的35个小组合作完成,挑战了人们对于人类基因组的传统认识,即人类基因组不是由孤立的基因和大量“无用DNA片段”组成的,基因组本身就是一个复杂的网络系统,有着多层次的精细调控规则.ENCODE计划示范期(1%人类基因组解码)的成果为进一步解译人类基因组这部“天书”开辟了道路,刷新了我们关于基因的概念,成为人类生物学研究史中又一座里程碑.同时,大量的“非编码RNA基因”仍旧是生命科学天空中的“一朵乌云”,其未知的功能尚待探索.     

2011年中国植物科学若干领域重要研究进展

2011年中国植物科学得到结构生物学等领域科学家的加盟,在分子机制研究方面取得了突破性快速发展.中国科学家在植物科学各领域中取得了大量的原创性研究成果,尤其是在植物激素受体结构解析和信号转导方面获得了一系列突破,基于高通量基因测序和计算生物学平台的水稻功能基因组与进化以及系统植物学研究方面也取得了重大进展,受到国内外的高度评价.该文对2011年中国本土植物生命科学若干领域取得的重要研究进展进行概括性评述,旨在全面追踪当前中国植物科学领域发展的最新前沿和热点事件,并展现我国科学家所取得的杰出成就.     

2019年中国植物科学若干领域重要研究进展

2019年中国植物科学家在国际综合性学术期刊及植物科学主流期刊发表的论文数量大幅增加, 在光生物学、植物抗逆和分子进化等若干领域取得了重要成果。其中, 硅藻光合膜蛋白超分子结构和功能研究入选2019年度中国科学十大进展和中国生命科学十大进展; 植物抗病小体的结构与功能研究入选2019年度中国生命科学十大进展。该文评述了2019年中国科学家在植物科学若干领域取得的重要研究进展, 以期追踪和报道当前中国植物科学领域发展的前沿和热点及展示中国科学家所取得的辉煌成果。     

非编码蛋白RNA的遗传调控

大规模cDNA文库的测序和Tiling基因芯片研究结果表明, 人类基因组中大约50%的DNA可以转录为RNA, 其中只有2%能够翻译蛋白质(即mRNA), 其余98%为非编码蛋白RNAs(ncRNAs). 最近研究初步显示, 这些ncRNAs可以通过多种遗传机理调控DNA的结构、RNA的表达及蛋白质的翻译和功能, 进而在细胞、组织或个体水平上影响生物体的正常生长发育. 迄今, 人们仍对这占转录RNA 95%以上的ncRNA的功能了解甚少, 但弄清这些ncRNAs在遗传信息传递过程中的作用机理和个体发育过程中的生物功能, 是揭示生命奥妙不可缺少的环节. 为促进当今生命科学中这个最活跃研究领域的进展, 特综述ncRNA的历史和现状、作用机理及功能、发现和鉴定方法, 以及功能研究手段和应用理论、方法与实例.     

长链非编码RNA作为潜在药物靶点的研究进展

随着生命科学的不断发展,2012年DNA元件百科全书（ENCODE）项目进一步丰富了人类基因组功能元件的相关信息。该项目 发现人类基因组超过80%的序列会被转录,其中大部分转录本是非编码RNA（ncRNA）。目前,在这些非编码RNA中,小RNA的研究 相对深入,而长链非编码RNA（lncRNA）的研究相对较少。越来越多研究表明,很多lncRNA参与到人类重大疾病的发生、发展过程之 中,并且一些动物实验证实lncRNA可作为药物靶点。因此,从lncRNA角度筛选新的药物靶点也越来越受到研究者的关注。重点总结了 lncRNA的生物学功能及作为潜在药物靶点的研究进展。     

量子点的荧光特性在生物标记成像中的应用及展望

与传统的荧光染料相比,量子点作为一种新型的无机荧光纳米材料,具有激发光谱宽而连续、发射光谱窄而对称、光稳定性好、荧光寿命长、量子产率高和生物毒性小等优点,被广泛地应用于生命科学的许多领域,其在细胞标记(固定细胞和离体活细胞)和活体示踪成像领域具有独特的应用优势.它突破了传统的有机荧光染料在荧光性能及生物毒性等方面的不可克服的缺陷.它的应用,极大地推动了生命体系高灵敏、原位、实时、动态示踪成像研究的发展.该文综述了量子点的荧光性质及其在细胞标记(固定细胞和离体活细胞)和活体实时动态示踪成像中的应用,并对其在荧光原位杂交,流式细胞术,实时荧光定量pcr等方面的应用前景进行了展望.     

诱导性多能干细胞(iPS)的应用和研究进展

体外诱导人类体细胞转变为多能干细胞与传统的胚胎干细胞研究相比,相对简单,摆脱了材料来源和伦理学的诸多限制,因而引起了生命科学领域一次巨大的革命,尤其在医学上进步显著,被用于治疗遗传病、研究发病机制、利用患者自身细胞治疗疾病等方面.虽然目前对诱导性多能干细胞的应用和进展成果显著,但仍存在一系列亟待解决的问题,包括转变机理、安全性和效率低下等同题.本文重点阐述此项技术在医学上的应用和进展,以及仍然存在的问题和突破.     

加快知识更新、促进生命科学和生物技术的发展——记“生命科学与生物技术前沿研讨会”

生命科学和生物技术正酝酿一系列重大突破。基因科学、蛋白质科学、脑与神经生物学等已成为生命科学的热点与前沿。生命科学与信息科学、认知科学的交叉融合、孕育着重大科学突破。生命科学与生物技术在解决人类食物、保健及生态安全等方面将发挥重大作用。工业生物技术异军突起，有可能形成新兴的生物产业。