长期以来，RNA剪接产生的套索RNA被视为毫无用处的“分子垃圾”。如今，这一传统认知被彻底打破。北京时间6月26日凌晨，复旦大学生命科学学院郑丙莲教授团队联合中国科学院遗传与发育生物学研究所张晓明研究员团队，在《科学》（Science）期刊在线发表题为“lariat RNA debranching prevents harmful siRNA burst in plants”的研究成果。
研究团队首次证实套索RNA并非“无用副产物”，而是可通过特定路径转化为功能性小RNA，调控生物的生长发育和防御，对生命活动至关重要。
这一发现彻底打破了“遗传信息单向流动”的经典教条，揭示出中心法则背后隐藏着复杂的RNA调控环路，为理解生命调控本质及中心法则补上了关键一环，也为RNA药物研发与农作物精准育种开辟了全新技术路径。
借跨学科之力，破解套索RNA谜题
长久以来，有一类特殊RNA——套索RNA，因不编码蛋白、且会被细胞快速降解，被科学界视作RNA剪接过程中无价值的“垃圾产物”。
RNA剪接，是遗传信息传递的关键环节。如果把遗传信息传递的过程比作图书印刷，那么基因就是“原始手稿”，蛋白质就是印刷出的“图书”。在“印刷”过程中，草稿（前体mRNA）必须经过剪接机器的加工。加工过程中，精彩正文片段（外显子）按顺序相连，形成完整终稿（成熟的mRNA）；无用的备注（内含子）被全部剪切，揉成环形的“纸团”，形成套索RNA。
国风水墨演绎套索RNA分子结构（课题组提供）
正常情况下，细胞内存在“清洁工”（去分支酶DBR1），它会迅速将绝大多数被揉成套索结构的“纸团”（套索RNA）清除，高效维持材料的循环再利用。但是，如果这个“清洁工”“生病请假”了，“纸团”就会在车间里堆积如山。大量已有研究证实，DBR1功能缺失会造成套索RNA大量累积，最终引发胚胎致死。
为何这类“副产物”不及时清理，就会导致生物严重的生长发育缺陷？这背后的分子机制多年来悬而未决，成为发育生物学与非编码RNA领域三十多年来的一大谜题。
“传统上，套索RNA被认为是不编码蛋白质的废物，几十年来很少被关注。原因有两个：一是认为它没有功能，二是它非常难研究。”郑丙莲介绍，由于其特殊的套索状结构，目前全世界也几乎没有生物公司能轻易合成这种RNA。然而，要研究它，首先得体外合成，其次要在体内检测，二者都缺乏成熟路径。
面对这些困扰领域多年的挑战，郑丙莲带领团队迎难而上，在交叉融合中开辟新路。他们在查阅大量文献并与化学领域同行的交流中获得线索，毅然放弃经过长时间摸索难以成功的固相合成法，借鉴过去利用天然核酶体外合成套索RNA的方法，解决了体外合成套索RNA的难题。在此基础上，团队还与数学、计算机学科背景的合作者联合开发算法，精准区分体内线性RNA与套索RNA产物。
郑丙莲和学生交流讨论
终于，团队取得了突破性发现——套索RNA大量积累的内含子区域，富集了大量21-nt、22-nt的新型小干扰RNA，他们将这类分子命名为lasiRNA（lariat RNA-derived siRNA）。这也是首次证实传统认知中的RNA剪接“垃圾”，能够不经过解套索而直接转化为具备生物学功能的小RNA。
dbr1突变体中内含子区域新产生来自于双链的21-nt、22-nt的 lasiRNA
实验表明，套索RNA积累后生成的小RNA可能是导致胚胎致死的关键。这类lasiRNA会瞄准并切断重要发育基因的信使RNA，引发连锁反应，最终造成胚胎死亡。
“十年磨一剑”，锁定致生物死亡的关键分子
套索RNA究竟是如何从“垃圾”变身功能性小RNA，最终致生物死亡的？为揭秘这一关键的合成机制，郑丙莲带领团队进行了十余年的探索。
2012年，郑丙莲从海外归国加入复旦大学。此前，她的研究一直聚焦于小RNA和植物生殖发育。一个偶然的实验发现，改变了她此后十余年的研究方向。
郑丙莲教授
“在做小RNA的过程中，我偶然发现去分支酶DBR1会影响小RNA的产生，两个看似毫不相干的系统竟然有交叉，这非常吸引我。”郑丙莲分享，但当她真正踏入这个领域，才发现套索RNA相关研究多年来几乎一片空白。
正是这片“无人区”，激发了她和团队前赴后继、攻坚克难的决心，也由此开启了这场持续十年的科学长跑。
团队取得的前期成果
时间倒回到2016年，那时团队第一次成功发现了清洁工（去分支酶DBR1）的高效工作是确保细胞内有益小RNA生成的前提。2019年，基于算法方面的改进工作，他们实现了套索RNA累积水平的客观评估。去年，他们在Molecular Cell上成功回答了去分支酶如何特异识别套索的问题。这些前期成果，助力了郑丙莲团队揭开生物谜题。
“拆解每个问题，再设计实验去验证，这个过程其实是非常有乐趣的。”论文第一作者、复旦大学生命科学学院直博生唐祺说。基于前期成果积累与反复实验，团队逐步解析出了关键的生物合成机制：套索RNA独有的环状结构区域，会被一类聚合酶（RDR）特异性识别，并以此为模板合成双链RNA；随后，双链RNA经“加工厂”Dicer-like（DCL）家族蛋白切割，最终形成lasiRNA。
他们进一步开展了植物实验，试图厘清调控植物生命活动的关键分子。表型观测结果显示，真正杀死植物的，是DCL2利用套索RNA为底物切出的产物。
22-nt lasiRNA 触发重要基因次级 siRNA 迸发，影响植物生长和防御
由此，他们提出了核心构想：DCL2催化生成的22-nt lasiRNA是破坏植物正常生长发育的关键分子。当遗传突变或者病原菌侵染时，套索RNA被DCL2加工为22-nt lasiRNA。其中部分22-nt lasiRNA会攻击植物体内负责生长和抗病的关键基因，一旦得手，就会引发连锁反应，导致越来越多的基因被陆续关闭，最终整个植株的生长全面停滞。
验证实验表明，阻断DCL2的功能可有效恢复植物发育，这也同步证实了此前的核心构想。这意味着困扰领域多年的生命谜题得以正式解开，证明了套索RNA堆积致生物死亡的关键原因，就是套索RNA被转化而成的一类有害的小RNA。
从中心法则到田间地头，基础研究迈向应用转化
要深入理解套索RNA发生的奇异转化，需要理论层面的系统阐释。
为此，团队结合全部实验证据，创新性提出三重代谢命运层级调控模型：基础降解通路（默认通路）、温和代偿通路（应急保护）、毒性重塑通路（极端胁迫）。
植物套索RNA代谢清除的层级模型
这一模型不仅清晰地划分出了三条层级分明的代谢通路，更完整诠释了植物在面临不同生理和病理条件时，维持胞内RNA稳态的自适应策略。
该项基础研究成果让人们认识到，“副产物”套索RNA也能反向调控基因表达，是遗传信息网络中不可忽视的参与者。这意味着，生物学的中心法则并不是一条单向直线，它有着复杂的层级调控环节。
在农业应用领域，本次的研究成果有望为农作物广谱抗病分子机制解析、遗传改良与分子育种提供重要理论支撑和新型分子靶点。他们希望，这项基础研究成果真正落地到田间地头，服务于国家粮食安全战略。
“我们已经在大豆、玉米、水稻、小麦四种农作物中，进行了去分支酶的各种变异位点验证，大豆育种的效果非常明显。”郑丙莲表示，自然驯化过程中，大豆种子的优良品种本身已经积累了对去分支酶有益的突变，如果在此基础上再叠加优良变异，就能实现既增产又抗病的目标。
下一步，他们将继续深耕基础研究，探明套索RNA在细胞内的动态——它们在哪里被清除、被劫持成小RNA，以及RNA修饰与生理、病理状态的关系，从而更系统地理解套索的命运调控和功能。
郑丙莲期待，该成果能加速遗传与发育生物学研究，让源自实验室的原始创新，转化为田间作物的抗病高产动力，并为临床精准药物的研发开辟新的分子靶点。
该研究由复旦大学与中国科学院遗传与发育生物学研究所合作完成。复旦大学为第一和最后通讯单位。复旦大学直博生唐祺、中科院博士生丁晨曦为论文共同第一作者；复旦大学教授郑丙莲、中科院遗传发育所研究员张晓明为共同通讯作者。复旦大学张小跎、王泰云、崔瑞雪、杨雯雅和中科院朱孟杰参与相关实验工作。复旦大学教授麻锦彪、研究员任国栋在课题开展和论文投稿过程中给予重要指导。研究得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金重点项目等资助。
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeb4938
团队合影