Nature：全新的基因调控系统！大量嵌合mRNA被发现

　　

通常认为，人类的单个mRNA和蛋白质源于单个基因组位点，其异构体多样性是通过pre-mRNA的顺式剪接产生。而较远基因的mRNA是否能通过反式剪接产生有功能的嵌合转录本，目前仍不清楚。

如今，哈佛医学院等机构的研究人员却发现，来自不同基因（甚至不同染色体上的基因）的编码信息可以组合起来，形成嵌合mRNA，从而产生此前未知的功能性蛋白质。

这项研究成果于9月2日发表在《Nature》杂志上。研究发现可能存在数千种新的嵌合蛋白，并证明其中有一些在体内发挥重要作用。

通讯作者、哈佛医学院助理教授Ruaidhrí Jackson表示：“没人知道它们的存在。医学界不知道，制药行业也不知道。我们发现了一个全新的基因调控系统，这可能会极大地扩展已知的基因组和蛋白质组。”

研究人员目前尚不清楚这种现象的普遍程度，但嵌合蛋白可能参与多个系统，并与目前了解不多的疾病进程有关。这种现象或许能为疑难杂症的研究提供新见解，并为治疗靶点的开发开辟新途径。

测序发现“暗基因组”

尽管一些单细胞生物和无脊椎动物（如锥虫和线虫）会为了调控目的而组合基因，但这些系统似乎并不产生蛋白质，而且在哺乳动物中也未发现。

在哺乳动物中，反式剪接的例子寥寥无几，而功能性的嵌合mRNA（chRNA）往往与细胞的致癌转化有关。RNA测序结果偶尔表明，健康组织中可能存在嵌合mRNA，但传统测序技术很难找到它们。

利用长读长直接RNA测序技术，研究人员整理出一份包含3万多个嵌合mRNA的清单，这些嵌合mRNA至少在哺乳动物细胞中出现过一次，他们称之为“暗基因组（dark genome）”库。

目前，他们成功分析了其中近400个嵌合mRNA如何受炎症信号调控，其中包括在人类和小鼠免疫细胞中均保守的嵌合mRNA。

研究团队发现，在小鼠细胞中，健康的染色体会相互环绕，使原本相距较远的基因彼此靠近。这些相邻的基因会转录出一种嵌合mRNA，它从每个基因中各取一部分序列，并产生一种由两者混合而成的蛋白质。

不过，嵌合mRNA的存在并不一定意味着它能产生功能性蛋白质，或在体内发挥重要作用。

具有功能的嵌合体

为了确定嵌合mRNA是否能在哺乳动物体内真正发挥生物学作用，研究团队选择研究一种在小鼠体内发现的嵌合mRNA：GSDMD和TMEM106A基因的组合。GSDMD基因产生的蛋白质负责在细胞焦亡过程中打开细胞膜。

首先，研究人员证实这种嵌合蛋白GSDMD-TMEM106A在小鼠体内天然存在。在两个实验室小鼠品系和一个野生小鼠品系中，这种嵌合蛋白均作为免疫反应的一部分。

然后，他们开发出一种遗传工具，可以在不干扰标准GSDMD和TMEM106A蛋白的生产及功能的前提下，阻止嵌合蛋白的产生。

他们发现，与正常小鼠相比，缺乏嵌合蛋白的小鼠免疫反应更慢。当这些小鼠感染沙门氏菌时，它们抵抗细菌的能力也更弱。

“它们无法控制细菌感染，” Jackson说。“即使正常的GSDMD仍然存在，但缺乏我们的嵌合蛋白，免疫过程的强度降低了近50%。GSDMD需要我们的GSDMD-TMEM106A才能充分发挥功能。”

研究人员还用一种会引发脓毒症的内毒素对小鼠进行了测试。70%未携带嵌合蛋白的小鼠在面对通常会致死的内毒素剂量时幸存并康复，因为它们的免疫反应比正常情况更为温和。

通过与生物技术公司Moderna合作，他们设计出一种能促进小鼠体内GSDMD-TMEM106A合成的mRNA。体内嵌合蛋白水平升高的小鼠甚至无法承受轻微剂量的内毒素。

然而，那些缺乏GSDMD基因且嵌合蛋白水平升高的实验小鼠，对内毒素却完全没有反应。这表明，虽然GSDMD-TMEM106A能显著加速细胞焦亡过程，但在缺乏GSDMD的情况下，它无法打开细胞膜。

这些发现证实，这种嵌合蛋白对实验小鼠的炎症反应至关重要。

探索嵌合RNA的潜力

关于嵌合mRNA，仍有许多未知之处。研究人员正在继续探索其形成背后的分子机制——为何这两段基因序列总是在同一点连接，为何嵌合蛋白会呈现特定形状，以及是什么触发了染色体将特定基因组合在一起。

不过，他们更感兴趣的是评估各种嵌合mRNA在医学上的潜在应用。

“我们希望找出哪些嵌合mRNA对目前无法治愈的疾病有效，” Jackson谈道。“我们认为，我们能够发现一些此前被生物医学研究界和制药行业完全忽视的新‘选手’。”

研究团队目前正在探究几种可能与癌症、炎症性疾病和神经退行性疾病相关的嵌合mRNA。他们还向对其他生物学过程感兴趣的同事分享了更多的嵌合mRNA序列。