财新传媒
位置:博客 > 知识分子 > 王立铭:核酸分子的 “科幻” 用途

王立铭:核酸分子的 “科幻” 用途

 
导 读
 
在本期的生命科学·巡山报告中,“智识前沿学者”、浙江大学教授王立铭介绍了一种镜像DNA合成系统,一种新型RNA递送系统,以及两项与减肥、衰老等人类健康相关的新进展。
 
撰文 | 王立铭
 
你好,我是王立铭。2021年9月6日,第31期《巡山报告》又和你见面了。这期巡山报告里,我将要为你重点介绍两项最近发表的生命科学研究成果。这两项研究都和核酸分子(也就是DNA和RNA)有关,听起来也都挺 “科幻” 的。
 
镜像DNA信息存储
 
首先介绍的这项研究发表于2021年7月29日的《自然·生物技术》杂志,成果来自清华大学生命科学学院的朱听实验室。在这项研究里,科学家们利用镜像生物学的技术,把人工合成的、自然界完全不存在的DNA分子,变成了信息存储甚至是加密存储的工具。[1]
 
首先要说一句,用DNA序列存储信息本身是一个有很长历史的概念。这道理也不难理解,我们知道DNA分子无非是A/T/C/G四种碱基分子按照某个特定顺序首尾相连形成的链条。在生物体内,这条长链按照三个相邻碱基对应一个氨基酸分子的方式,记录蛋白质分子的装配信息,指导蛋白质分子的生产。那么类似的,只要我们设计一套信息编码方案,理论上能用DNA分子编码任何信息。比如,两个相邻的碱基分子一共有4X4=16种组合,足以编码0-9十个阿拉伯数字,我们可以规定AA对应0,AC对应1,等等。类似的,三个相邻的碱基分子一共有4X4X4=64种组合,足以编码26个英文字母,我们可以规定AAA对应字母A,AAC对应字母B,等等。这样我们就可以把数学公式和英文文章写成DNA序列。
 
在2017年,甚至有科学家把1878年拍摄的一段马匹奔跑的小电影写成了DNA序列并存储在了细菌当中 [2]。技术逻辑也是类似的。科学家们把小电影拆分成许多静态图像,每张图像再拆分成许多个像素点,每个像素点对应一个特定的灰度值(当时的电影还不是彩色的),这样一来小电影就能被拆解成一长串数字的特定排列。再按照上面的方法把它写入DNA序列,然后化学合成这么一段DNA分子,转入细菌,就可以了。
 
用这种方法存储信息除了科幻之外,确实也有几个潜在的好处。首先,信息的存储和读取分别可以靠DNA的化学合成和DNA测序来解决,而两者的成本都在飞速降低,降低速度还超过了计算机领域著名的摩尔定律。还有,DNA分子作为信息介质,存储密度要远远大于人类制造的基于电磁技术的存储工具,比如硬盘,优盘,磁带等等。毕竟DNA分子存储一个比特信息只需要几个碱基分子。还有一个巨大的好处,就是以DNA形式存储的信息,复制起来非常方便。比如说上面提到的这个DNA存小电影的研究,一旦把记录电影信息的DNA转入细菌体内,那细菌每一次分裂繁殖,都会把DNA分子忠实的复制一份。人们只需要时不时加一点便宜的营养液,细菌就能替我们在几小时时间里实现信息的指数级复制。
 
那镜像DNA又是从何说起呢?
 
这又是另一个特别科幻的话题了。地球生物体内部有许多重要的生物大分子,比如DNA,RNA,蛋白质等等。你可能知道,这些生物大分子的组成单元,比如组成DNA的脱氧核糖核苷酸,组成RNA的核糖核苷酸,组成蛋白质的氨基酸,都是有不对称三维结构的。就拿氨基酸分子来说,它的基本结构可以看成一个不对称四面体,中心是一个碳原子,上面连着四个化学基团,分别是一个氨基、一个羧基、一个氢原子、和一个功能基团。
 
这就意味着在三维世界里它们理论上应该存在一个化学构成完全一致、但是三维结构正好是镜像对称的 “镜像” 分子。这句话听起来有点绕,我打个比方来说明一下。这就像你的两只手,左手右手从大小、形态、组成结构,甚至是肤色、皮肤质地、掌纹指纹都是高度相似的。但两只手的轮廓无法重合,如果你把两只手手掌相对在一起,那么左右手恰好像在彼此照镜子一样。生物大分子也是一样的,有左手DNA就有右手DNA,有左手蛋白质就有右手蛋白质。
 
很有意思的是,目前我们所知的所有地球生物都有非常严格而且专一的手性选择,比如它们都选择而且只选择了右手DNA和左手蛋白质来构造生命活动。细胞内部所有的配套设施,比如DNA复制,RNA转录,蛋白质翻译,以及这些生物大分子之间的彼此识别,统统都是以此为基础。但既然生物大分子都是镜像对称的,那按理说生命活动选择当左撇子还是右撇子在物理学和化学的层面上,是没有任何区别的。换句话说,镜像世界里的生物——比如使用左手DNA和右手蛋白质的生物——理论上是完全可以存在的。现今所有地球生物的手性选择,可能只是进化开端的一次偶然。
 
那既然如此,就有很多人幻想是不是能在实验室里人工制造一个镜像生物——至少是一个镜像细胞出来。从原理上这肯定能做到,但技术上说却难比登天。因为这种想象中的镜像生物体内所有生物大分子都和地球生物不同,无法用现成的生物材料,只能实验室人工制造。也就是说要制造一个镜像生物,得人工把这个生物所需的所有生物大分子都合成和组装起来才可以。这个任务至少在目前还是科幻级别的。
 
但朝这个方向,已经有不少激动人心的进展在发生。比如在2016年,清华大学的朱听实验室就首先在实验室里走出了镜像生物世界的一小步 [3]。他们人工合成了一个由174个右手氨基酸组成的镜像蛋白质,一个小型的DNA聚合酶。然后他们又用这个镜像世界里的DNA聚合酶,组装生产了一小段(几十个碱基组成的)镜像世界里的左手DNA分子。换句话说,他们初步证明了镜像生命的一个重要的功能——DNA复制——是可以实现的。
 
在刚刚发表的研究里 [1],朱听实验室进一步把镜像世界的DNA复制过程推进到了实用的水平。他们这一次首先人工合成了一个由775个氨基酸组成的大号右手蛋白质——也是目前人类合成的最大的镜像蛋白质——Pfu DNA聚合酶。这个新的镜像DNA聚合酶比2016年那个版本复制能力和准确度都有本质的提升,能够用来准确地复制上千个碱基组成的镜像DNA分子。考虑到地球生物体内的大部分基因也就是这个长度,也就是说它们这套新的镜像DNA合成系统已经足够未来的镜像生物使用了。
 
那这套镜像系统是不是也能用来存储信息呢?当然可以,研究者们干脆把法国生物学家路易斯.巴斯德在1860年的一段学术论文(也是第一篇提及镜像生物学的论文)写入了镜像DNA分子当中。原理大致和我们上面提到的用DNA存储信息的方法类似,这里就不再展开了。
 
当然你肯定会问,既然天然存在的右手DNA就能存信息,为啥要这么麻烦地使用左手镜像DNA呢?
 
研究者们给出了两个非常有意思的理由。第一个理由是信息存储的稳定性。地球生物都能制造切割天然右手DNA分子的酶,如果DNA分子在存储环境里遭遇了这些酶,就会被逐渐切割破坏。而左手镜像DNA是一种地球生物前所未见的新东西,根本就不会被地球生物识别和破坏,因此稳定性能大大提高。研究者们还做了一个对比,把人工合成的两段左手和右手DNA分别放到采集的环境水样本里,天然右手DNA分子一天之后就检测不到了,而镜像左手DNA分子在一年后还能稳定存在。
 
第二个理由就更有意义:镜像左手DNA分子还能用来给信息加密。研究者们设计了一个很有趣的系统,先把巴斯德的那段学术论文用天然右手DNA编码存储,等于是明码信息。同时他们把破解信息的秘钥——简单来说就是一串数字,告诉对方这段文字里的哪些位置上的字母应该挑出来读——存在一小段镜像左手DNA里,然后把这些DNA混在一起。我们不妨假设这管DNA在非常时期就被当成鸡毛信秘密传递出去了,万一被敌人截获,就算敌人知道信息写在DNA序列上,那他们也只能给天然右手DNA测序,发现原来是一段平平无奇的学术论文。只有我方才知道信息秘钥其实是写在镜像左手DNA上的,通过特殊的测序方法读取秘钥 [4],就能解读出被加密的信息。
 
当然了,在我看来这项研究更重要的价值还是在基础生物学领域内。研究者们第一次建立了一套有实用性的镜像DNA复制系统,能够实现大多数镜像基因的准确复制。这套系统就为我们重建整个镜像生物世界打开了大门。也许在不远的将来,我们就可以在试管里实现镜像生物世界里的中心法则:镜像DNA分子编码基因,指导镜像RNA分子的转录,镜像蛋白质的生产;甚至逐步逼近镜像细胞的制造。这个研究方向的理论意义和应用价值,我觉得会有无穷的想象空间。
 
新型RNA递送系统
 
本期巡山要介绍的第二项研究,是一种新型的RNA递送系统。
 
“RNA递送系统”听起来可能很不好理解,但实际上在过去这1-2年里我们没少在新闻上看到它。有好几种新冠疫苗的开发都离不开它。
 
这里简单的做个回顾。目前国内大多数人注射的新冠疫苗——比如来自科兴、国药、以及康泰的疫苗——都是所谓灭活疫苗。这类疫苗的开发生产比较简单,就是在工厂里大量培育活的新冠病毒颗粒,然后用特殊的化学物质(比如beta-丙内酯)加以处理消灭病毒的生物学活性之后,把这些已经没有繁殖和致病能力的病毒尸体注射到人体中,激发针对新冠病毒的免疫反应和免疫记忆。
 
除了这条路线之外,还有一个广泛使用的思路,是把一段编码新冠病毒表面刺突蛋白的DNA或者RNA分子送入人体细胞,让人体自己生产出新冠刺突蛋白,这个蛋白在人体内可以直接诱发针对此蛋白的免疫记忆。这样当真正的新冠病毒入侵之后,人体免疫系统可以快速识别其表面最显著的特征,也就是那个刺突蛋白,并加以消灭。目前在欧美各国广泛使用的、由德国BioNTech公司和美国辉瑞公司联合开发的RNA疫苗,美国Moderna公司开发的RNA疫苗,都是这个原理。国内康希诺公司,还有英国的阿斯利康公司,美国的强生公司分别开发上市的腺病毒载体疫苗,也是类似的逻辑。[5]
 
两类疫苗的区别在于,用什么方法把编码刺突蛋白的核酸分子送入人体细胞。其中两种RNA疫苗是直接把编码刺突蛋白的RNA分子送入人体。但RNA分子很不稳定,而且还容易引起人体免疫系统的过度反应,因此这两家公司除了对RNA分子进行了化学修饰以降低毒性,还用了一个脂质纳米颗粒把RNA分子包裹起来,递送到人体中。这些纳米颗粒进入人体之后能够和人体细胞膜融合,将内部的RNA分子释放进入细胞,在那里指导新冠刺突蛋白的生产。
 
而几种腺病毒载体疫苗的递送方法有所不同,研究者们使用了某种天然存在的、能够感染人体细胞的病毒,把编码刺突蛋白的DNA片段放进病毒当中。这样一来注射疫苗后,这些腺病毒可以感染人体细胞,将病毒内部包裹的DNA输送到人体细胞中,在那里,编码刺突蛋白的DNA片段就可以开始工作了。
 
两套递送系统理论上都有很好的工作效率,新冠RNA疫苗和腺病毒载体疫苗也都已经在不少国家广泛使用了 [6]。但这两套系统也都有自己的问题。
 
对人体来说,纳米颗粒递送系统本身就是个外来的入侵者,会引发比较严重的免疫反应。这可能也是RNA疫苗整体不良反应比例比较高的原因之一 [7]。而且脂质纳米颗粒的开发生产本身也不容易,纳米颗粒的化学构成、批量生产、质量控制都是门槛很高的工作 [8]。
 
相比之下腺病毒作为天然存在的递送系统,开发使用难度不大,但它也有自己的麻烦:人类社会中很大比例的人或早或晚都已经被腺病毒感染过——这类病毒是引发人类感冒和其他呼吸道传染病的常见病毒。这样一来很多人已经带有对这类病毒的 “预存免疫”。再打腺病毒载体疫苗的话,可能还没等递送系统把编码刺突蛋白的DNA送入人体细胞,这些载体就已经被人体免疫系统第一时间消灭了,这当然会影响这类疫苗的实际效果以及不良反应比例。
 
本期巡山要介绍的这项研究,就提出了一种全新的RNA递送系统。在未来,这套系统也许能用来开发新一代的新冠疫苗,以及更多种全新的病毒疫苗。这篇论文在2021年8月20日发表于《科学》杂志,研究者们来自美国布罗德研究所张锋实验室 [9]。
 
这项研究的起点就很有意思。科学家们早就知道人类基因组上有很多所谓的逆转录元件,总长度占到了人类基因组DNA总长度的8%。这类DNA序列可以看成是真正意义上的 “自私的基因”,它们绝大多数对于人类来说都没有什么生物学功能,少部分还会带来疾病。在人类繁殖过程中,这类逆转录元件还会借机实现自己的疯狂复制和繁殖。它们会首先转录生产一段RNA,然后再通过一个逆转录过程把这段RNA重新变成DNA并同时插入人类基因组的某个位置,从而实现自己拷贝数量的增加。
 
在极少数情况下,这些逆转录元件不光能够在同一个细胞内实现自身的复制繁殖,还能实现细胞之间的 “穿越”,在更多细胞中实现扩增。一个经典的例子就是神经细胞中的Arc基因。Arc也是一个逆转录元件,它除了能在细胞内部通过逆转录方式复制繁殖,还能自己制造一个蛋白质外壳,内部包裹一些Arc RNA分子,形成一个类似病毒颗粒的结构。这些类似病毒的颗粒能够离开它诞生的细胞,进入临近细胞,在那里释放出内部的Arc RNA,重新开始新一轮的逆转录和繁殖复制。人们还发现,这个过程对于哺乳动物的神经系统来说还起到了重要的调节作用。[10]
 
结合刚刚讨论的现有新冠疫苗技术路线,你应该很容易想到,Arc这套系统其实是一个天然的RNA递送系统。你看,同一段Arc基因,一方面能生产Arc蛋白质分子,组装出类似病毒的微型颗粒;一方面能生产Arc RNA,被装入类病毒颗粒内部保护起来。然后这种颗粒还能离开细胞入侵新的细胞,并在那里释放出内部的RNA。如果这套系统能进一步优化提高递送效率,同时让它能够自由递送各式各样的RNA分子,那这套递送系统是可以有很广阔的应用空间的。包括用来做疫苗,这个我们后面再展开。
 
研究者们于是就在小鼠和人类基因组里做DNA序列分析,试图寻找更多类似Arc的逆转录元件。它们很快把焦点锁定在一个叫Peg10的逆转录元件上。这个Peg10和Arc的基因序列有相似性,也能形成类似病毒的微型颗粒,产量还要远远高于Arc。而且和Arc一样,也能在内部包裹自己的RNA(Peg10 RNA)。
 
在这个基础上,研究者们做了两个重要的技术改进。首先他们想看看这套系统能不能递送除了自己RNA之外的其他任意一段RNA。结果证明是可以的,关键在于想要递送的RNA序列两端,要连上一段特殊的不编码蛋白质的核酸序列。你可以把这段多加上去的核酸序列看成是Peg10微型颗粒的“船票”,只有看到这段序列它才会把RNA分子结合并包裹起来。其次研究者们还引入了除蛋白外壳和内部RNA分子之外的第三个元件,水疱性口炎病毒的包膜蛋白VSVg,它能够促进细胞膜融合,帮助类病毒颗粒进入新细胞。
 
刚刚我的描述有点太细节了,可能不太好理解,我们再通过结果来反推一下。
 
在这三个元件同时工作的时候,细胞会生产出一批非常类似病毒的微型颗粒。这些微型颗粒可以分成三层,最内部是一段RNA分子,它可以是人们想要递送的任何一段RNA,只需要在它序列两端加上一段特殊的“船票”序列就可以。中间是Peg10蛋白质分子组成的蛋白质壳,紧紧包裹和保护了内部的RNA。最外部是一层脂质膜,膜上镶嵌着包膜蛋白VSVg,这个蛋白质分子帮助这些微型颗粒识别、结合和入侵更多的人体细胞。特别值得注意的是,研究者们还发现来自病毒的VSVg还能被替换成一个人体细胞本来就生产的蛋白质SYNA,进一步降低这些微型颗粒引起人体免疫反应的概率。新细胞入侵完成后,微型颗粒内部的RNA分子被释放出来,在这些细胞内部开始新的生命活动。
 
这套由三个元件构成的RNA递送系统,被研究者们恰如其分地命名为“SEND”,就是递送的意思。研究者们用了不少方法证明这套系统的通用性和效率,他们证明这套系统能够随心所欲地装入想要递送的RNA分子,高效率地进入大量细胞内部,然后在细胞内部启动新蛋白质的生产。我们可以想象,这套系统的应用空间是非常广阔的。刚刚我们讨论的疫苗开发当然是一个方向,SEND系统能够起到类似RNA疫苗的脂质纳米颗粒,以及腺病毒载体疫苗的腺病毒载体的作用,将一段RNA——比如说就是新冠病毒的刺突蛋白基因——送入人体细胞,激发免疫反应。相比后两种现有的系统,SEND系统的一大优势是它的外层和中层都是人体原有的蛋白质构成的,因此引起人体过激免疫反应的可能性就大大降低了,相应的可能也会降低疫苗不良反应出现的概率。
 
除此之外,这套系统应该也能用来开发基因治疗和基因编辑药物。
 
传统上,在基因治疗的临床探索中,不管是想要递送一段基因序列进入人体细胞,还是递送一套编辑基因的工具进入人体细胞,脂质纳米颗粒或者病毒仍然是最常用的两类递送工具。比如在2021年7月,Intellia公司开发的基因编辑药物NTLA-2001公布了初步临床数据,它通过脂质纳米颗粒将一套基因编辑工具递送到肝脏细胞中,破坏其中一个名叫TTR的基因,治疗一种名叫 “转甲状腺素蛋白淀粉样变性” /ATTR的罕见遗传疾病 [11]。另一家基因治疗领域的先驱公司Editas公司在开发的一款治疗先天性黑蒙/LCA的基因编辑药物,是通过一个病毒载体把基因编辑工具递送到人的眼睛深处,改变视网膜细胞中的某个特定基因。这款药物也在2020年初开始进入人体试验 [12]。这套新出现的SEND系统,应该也能在基因治疗领域有自己的用武之地。
 
两项和人类健康有关的新进展
 
除了上面介绍的两项非常科幻的研究之外,还有两项和人类健康有关的研究我认为也值得一提。但是因为篇幅所限,这里我就只好简单说说,等年底巡山报告年度总结的时候我再展开。
 
第一项研究发表于2021年7月30日的《科学》杂志 [13]。来自美国宾州大学医学院的科学家们发现让老鼠过量表达一个名叫TSLP(胸腺基质淋巴细胞生成素)的蛋白质,会让小鼠更不容易发胖,血脂降低、脂肪肝减轻,血糖改善。
 
一个蛋白能让老鼠减肥,这本身没什么奇怪的。但这项研究的独特发现在于,这些老鼠并没有少吃,也没有多消耗热量。研究者们注意到这些小鼠的皮毛总是油光发亮,越来越油腻,专门分析了毛发之后他们才意识到,这些小鼠之所以会减肥,是因为小鼠的皮脂腺分泌了大量的脂肪,通过这个途径把多余的热量排出了体外!这是一个从未被想到过的减肥新途径,传统上说一想到减肥人们想到的无非是 “管住嘴,迈开腿”,一是少吃,二是多运动多消耗。而这项研究提示我们,还有一个新思路也许可以考虑,那就是让多余的脂肪通过皮脂腺释放出来。这个思路有点像一大类降血糖药物——SGLT2抑制剂——的作用机理。这类药物并不会主动干预人体的血糖调节,而是作用在肾脏,减弱肾脏回收血糖的能力,让多余的糖分干脆通过尿液排出体外。这类药物除了能够有效地降低血糖,近年来人们还发现它们对心血管疾病有很好的保护作用 [14]。
 
另一项研究发表在同一期的《科学》杂志 [15]。以色列希伯来大学的科学家们发现,小鼠在衰老过程中,一个负责促进血管新生的信号分子——血管内皮生长因子/VEGF——的浓度会持续降低。因此推测这个分子可能是驱动衰老的原因之一。他们反过来在小鼠肝脏里人为提高了VEGF的活性,发现小鼠的年龄提高了差不多40%。这是一个非常惊人的提升,相当于人类平均寿命从80提高到了110多岁。相比之下,之前被广泛认为最有效的延长寿命的手段,饮食控制或者说节食,在小鼠模型里的延寿效果也不到30% [16]。
 
重要的是,不光活得长,这些老鼠的整体健康情况也有了系统性的提升。比如内脏脂肪变得没那么多了、皮下脂肪变得没那么少了;肝脏、肌肉、骨骼、免疫系统都更年轻;得肿瘤的可能性也降低了。也许在未来,重塑血管系统会成为人类抵抗衰老、永葆青春的方向之一。
 
好了,这就是本月的巡山报告。下个月6号,我继续为你巡山。
 
参考资料
 
[1]https://www.nature.com/articles/s41587-021-00969-6
 
[2]https://www.nature.com/articles/nature23017
 
[3]https://www.nature.com/articles/nchem.2517
 
[4]https://www.cell.com/cell-chemical-biology/fulltext/S2451-9456(18)30219-8
 
[5]https://www.nature.com/articles/s41586-020-2798-3
 
[6]https://www.nytimes.com/interactive/2020/science/coronavirus-vaccine-tracker.html
 
[7]https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.03.04.430128v1
 
[8]https://www.science.org/content/blog-post/rna-vaccines-and-their-lipids
 
[9]https://www.science.org/lookup/doi/10.1126/science.abg6155
 
[10]https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0092-8674(17)31504-0
 
[11]https://ir.intelliatx.com/news-releases/news-release-details/intellia-and-regeneron-announce-landmark-clinical-data-showing
 
[12]https://www.nature.com/articles/s41587-020-0493-4
 
[13]https://www.science.org/doi/10.1126/science.abd2893
 
[14]https://jamanetwork.com/journals/jamacardiology/fullarticle/2771459
 
[15]https://www.science.org/lookup/doi/10.1126/science.abc8479
 
[16] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3299887/
 
文章来源于王王王立铭 



推荐 2