諾貝爾獎前奏：RNA的新世界

本年度的諾貝爾獎尚有一個星期（10月3日）就要正式公布了。史丹福作為一位科學愛好者，打算藉此機會，一連幾篇文章跟大家介紹一下幾個得獎的大熱領域，好讓大家可以稍為認識一下各個科學領域的最新發展及突破。

今次先跟大家談談RNA的發展。科學界一直以來覺得生物學的世界就是DNA的世界。只有破解到DNA的秘密，就可以掌握到生命的秘密。RNA一直都只是一位隱藏在DNA的光芒下的配角。直到兩個大發現，令科學界開始對RNA刮目相看。一是RNA原來有催化的作用，它可以在不需要蛋白質的情況下自我催化，這個發現粉碎了科學界一直以來覺得只有蛋白質才有催化活性這個根深柢固的概念。

第二個突破來自發現一群具有調控功能的全新RNA，其中包括microRNA（簡稱miRNA）及small interfering RNA（簡稱siRNA）。根據生物學的「中央發則」（Central dogma），基因的資訊一定是依著DNAàRNAà蛋白質的方向傳遞，而蛋白質就可以透過不同的方法影響細胞活動。所以DNA就像是一個電視台，是資訊的來源；蛋白質就像是電視機，負責執行那些來自電視台的資訊；至於RNA，則是無線電波，負責把電視台的資訊帶到電視機。

假如DNA出錯，就像是一間電視台出現問題，不斷播放低質素、是是旦旦的維穩電視節目。那要甚麼方法解決呢？方法一就是把那個垃圾電視台（DNA）關掉，或引入其他質素高的電視台。無奈基於一籃子因素，這是難以達成的。方法二是關掉電視機（蛋白質），這也未嘗不是一個好方法。事實上，現時有不少的傳統藥物，都是在蛋白質的層面影響細胞活動的。但其實還有一個新穎的方法，就是干擾為電視台傳播訊息的電波（RNA）。隨著大家對RNA這個「電波」的認識越來越深，我們發現原來電波不但可以用來傳遞訊息，更可以干擾其他電波。也就是說，RNA可以干擾RNA，從而改變生物的特性。

我們的DNA中大約有50%會被轉錄成RNA，在這些RNA中，只有2%是會被轉譯成蛋白質的mRNA，另外約98%的RNA是不會轉譯成蛋白質的non-coding RNA（簡稱ncRNA）。但non-coding不等如它是沒有用的垃圾，它們也有非常重要的生物學功能，如較為大眾熟悉的tRNA及rRNA就是轉譯蛋白質時不可或缺的生物分子。另外兩種較新發現的ncRNA，就是之前提及的miRNA及siRNA。

這般生物學的浪潮起緣於1993年。當時Victor Ambros的團隊（包括兩位主將Rosalind Lee、Rhonda Feinbaum）對一組於位線蟲內的lin-4基因產生了興趣，因為lin-4的突變會令變成畸形。經過一段時間的努力，他們發現lin-4的產物可以抑制另一組名為lin-14的基因。當時該團隊既然lin-4的產物有抑制基因的作用，那它理應是種蛋白質吧。但當他們再進一步深入研究時，發現這產物竟然是一種史無前例的，只有22nt大的超級迷你RNA（在此之前發現的RNA都是起碼幾百nt大的）。這種超級迷你RNA於是就被命名為microRNA。Victor Ambros的拍擋Gary Ruvkun之後比較了lin-4與兩個基因序列，他發現這兩個序列有很大部分是互補的，與lin-14 mRNA互補的lin-4 miRNA黏在lin-14 mRNA上，直接影響mRNA的轉譯（這是大家對miRNA機制的最初認識，他們後來知道原來還有另一個機制，牽涉到RNA interference，之後會再作介紹。）。當初Victor Ambros的團隊只是想研究一條有趣的基因，誰不知卻無心插柳地帶起了一輪生物學的革命。

由於這種具有調節功能的超級迷你RNA實在太令人匪夷所思，科學家們最初相信它只是一種在線蟲中獨有奇特分子。直到2000年，Gary Ruvkun再發現另一種名叫let-7的miRNA，而這種分子在高等的哺乳類動物都存在，自始miRNA的發現如雨後春筍，至今科學家已在人類的基因中找到超過700種miRNA。

在討論miRNA的結構及調控原理前，讓我們先看看另一個科學大發硫。1990年，科學家有一個無心插柳的發現。他們原本想在一種開紫花的植物中加入紫色色素的基因，令它們開的花會更紫。但結果出付他們意料之外，花瓣上反而出現了一塊塊白色區域，原來原有的紫色色素基因及新加入的紫色色素基因同時被關閉了！當時，他們並不知道為什麼會發生如此奇怪的事，只是留意到紫色色素基因mRNA含量明顯減少，這現象被稱為「轉錄後基因沉默化」（Post-transcriptional gene silencing）。

奇怪的事情陸續發生，今次出現在線蟲上。科學家本想研究方法關掉線蟲的基因，他們為線蟲注射了與該基因反義（antisense）（我們知道RNA中，A與U是對應的，G與C是對應的，只有對應的base才可以黏在一起，反義的意思就是與基因完全相對應，）的RNA，它與該基因的mRNA互補，所以會黏在mRNA上，阻止它與外界接觸，遮掩mRNA上的訊息，自然就不能把訊息傳到蛋白質中。正如他們所預料，他們成功了，反義RNA可以關閉基因。但令他們驚訝的是，就算他們把正義（sense）的mRNA注射到線蟲，那個基因一樣會被關閉。

之後，在1998年Andrew Fire及Craig Mello把這些奇怪的現象推到一個新高峰，他們把正義和反義的RNA黏起來，變成雙股RNA，之後把它們注射到線蟲中，他們發現雙股RNA關閉基因的能力竟然比正義及反義的RNA都高了近十倍！這個現象被稱為「核糖核酸干擾」（RNA interference）。原來植物的Post-transcriptional gene silencing也會發生在動物中，令mRNA含量減少。

究竟雙股RNA進入生物體內之後發生甚麼事？為什麼可以把基因關掉？

David Baulcombe及Andrew Hamilton之後繼續研究這些現象，他們發現植物的post-transcriptional gene silencing（其實與RNA interference是同一個現象，只不過一者在動物，一者在植物）原來是由一種只有25nt的超級微小雙股RNA由起的。這種小RNA不同於我們之前提及的microRNA，David Baulcombe團隊把它們稱為small interfering RNA（siRNA）。

原來當雙股RNA被送進細胞後，就會發生以下的事情：
1.DICER（一種RNA酶）會把雙股RNA切成多個小段，成為更小的雙股RNA，即是siRNA
2. siRNA 與一種叫AGO的蛋白質合體，變成一種名叫RNA-induced silencing complex（RISC）的分子， siRNA 的雙股結構會去掉其中一股，只剩下反義的一股
3. 這個RISC是一隻超級「mRNA殲滅者」，siRNA反義的部分就是它的探測器，與目標mRNA相對應互補，會跟目標mRNA黏在一起，這隻「殲滅者」就是這樣尋找它的獵物
4. 當黏在一起之後，RISC就會把mRNA切斷，令它們無法再轉譯出蛋白質

之前提及的miRNA，原來都是用類似的原理去干擾mRNA。miRNA從一些基因的非編碼片段轉錄而來，轉錄出來最原始的產物被稱為pri-miRNA。Pri-miRNA上面還有一些可以互補的序列，這些序列就與雙股RNA一樣，互相配對，黏在一起，令pri-miRNA上有多個像髮夾般的構造。之後，一種稱為DROSHA的RNA酶會把pri-miRNA上的「髮夾」切開，最後DICER就會把雙股的pri-miRNA切開，製成成熟的miRNA。miRNA再裝嵌成RISC這隻「mRNA殲滅者」，把mRNA切斷。miRNA就是用這個方法關掉基因。

之前我們把DNA比喻為電視台，mRNA比喻為電視台發出的電波，而miRNA及siRNA就是可以干擾電波的工具，它們不需要影響DNA，只要把mRNA殲滅掉，自然就能切斷訊息，關掉基因。而miRNA及siRNA的分別在於，miRNA是生物從自己的基因轉錄出來的，是生物自己用來調控基因的工具；siRNA則是從外來的雙股RNA中合成的，可以是人類在實驗室中製造出來關掉基因的工具，也可以是自然界中一種物種用來攻擊另一物種的武器。

這些新型的調控RNA已經為生物學帶來翻天覆地的轉變。如miRNA被發現是人類自身調控癌症及心血管疾病基因的工具，所以我們可以透過檢查這些miRNA去預測病人的病情及對治療的反應。而siRNA就是生物用來對抗病毒入侵的利器。另外，正如之前所講siRNA也為我們提供了一個隨意人工地關閉基因的方法，這對實驗研究很有幫助，將來甚至可能可以用於基因治療。

由於RNA interference對科學界的影響實在太大，發現這現象的Andrew Fire及Craig Mello在這發現的短短幾年後（2006年）已經得到諾貝爾生理及醫學獎。但科學界普遍覺得諾貝爾委員會遺留了很多對這領域有重要貢獻的科學家，如發現miRNA的Victor Ambrose，發現miRNA機制的Gary Ruvkun，及研究植物post-transcriptional gene silencing並發現siRNA的David Baulcombe。他們已經得到過Wolf Prize及Lasker Award等僅次於諾貝爾獎的科學界大獎。他們有沒有機會再下一城，得到諾貝爾獎？我們拭目以待。

資料來源：

1. Morris KV, Mattick JS. The rise of regulatory RNA. Nat Rev Genet 2014:15,423-37.

2. Lee R, Feinbaum R, Ambros V. A short history of a short RNA. Cell 2004:116(2 Suppl):S89-92.