Nature子刊：首次實現活細胞RNA標記與無背景成像

　　 生物大分子標記技術是生物分子成像的關鍵。在科學歷史上，人們利用熒光蛋白“點亮”細胞內蛋白質, 實現了生命動態過程中蛋白質分子的可視化。熒光蛋白技術是當代生物科學研究中最重要的研究工具之一；在短短十余年內，其研究即被授予諾貝爾獎。RNA同樣具有獨特的結構、種類繁多的生物學功能以及復雜的時間空間分布。

　　與蛋白質相比，RNA種類更多，大部分種類結構功能尚未鑒定，被稱為基因組中的“暗物質”。不同種類的RNA及其修飾形式的鑒定、功能與調控研究現已經成為了國際前沿。RNA研究也迫切需要一種類似于熒光蛋白這樣的顛覆性標記技術，這是深入研究RNA功能機制極為有用的工具。

　　國際權威學術期刊《Nature Biotechnology》雜志以“Visualizing RNA dynamics in live cells with bright and stable fluorescent RNAs”為題，在線報道了華東理工大學生物反應器工程國家重點實驗室、光遺傳學與合成生物學交叉學科研究中心楊弋課題組與朱麟勇課題組為主組成的聯合攻關團隊在熒光RNA及活細胞RNA成像領域取得的突破性進展。

　　自然界尚未發現天然存在的熒光RNA。科學家們一直試圖發展人工合成的熒光RNA，用于細胞內低豐度RNA的示蹤。但迄今為止，RNA研究領域還沒有出現類似于熒光蛋白這樣簡單有效的活細胞熒光標記工具。針對這一亟需解決的技術挑戰，華東理工大學藥學院楊弋教授與化學與分子工程學院朱麟勇教授等組成了交叉學科聯合攻關團隊，歷經七年緊密合作，最終在熒光RNA研發領域取得了突破性進展。基于合成生物學及化學生物學原理，他們成功構建了系列高性能熒光RNA，在國際上首次實現了動物細胞內不同種類RNA的標記與無背景成像。

　　研究團隊發展了全新的分子設計理念及分子共同定向進化的方法新思路，首次獲得了系列高亮、穩定、低背景的熒光RNA。這些熒光RNA是僅含40余個核苷酸的RNA分子片段，可以特異結合不發光的創新染料分子，進而產生強烈熒光。其與辣椒類似，它們具有藍綠色、黃色、橙、紅等不同顏色，與五顏六色的辣椒相似，因此被命名為Pepper。通過基因編輯等手段，Pepper可以插入到不同的天然非編碼RNA與編碼RNA分子序列中，進而在活細胞內對各種RNA進行熒光標記和實時成像，而不影響它們的轉錄、定位、翻譯、降解等正常代謝。由于Pepper與染料分子的結合是非共價的，因此可以通過加入不同染料的方法，隨意改變細胞內熒光RNA的顏色，這種靈活性對于熒光標記穩定細胞株和轉基因動物的構建十分有利。

　　受益于Pepper的高亮度和強穩定性，研究團隊首次實現了活細胞RNA的超分辨成像。研究團隊還利用Pepper對單細胞中mRNA的翻譯過程進行定量研究，結果顯示癌細胞中mRNA量與其編碼蛋白質量之間存在較低相關性，這表明癌細胞的翻譯調控顯著失調，這為癌癥的診療提供一種全新的思路。

　　與現有技術相比，這項研究研發的熒光RNA在親和力、穩定性、信噪比、活細胞熒光亮度等方面提升了一到三個數量級，體現了熒光RNA從概念到實用的突破，為活細胞中RNA的功能研究提供極具價值的工具。此外，這些熒光RNA與適配體技術相結合，原則上可以針對任意信號分子、代謝物、蛋白質等靶標發展從藍色到紅外的高響應度熒光探針，其性能將有望大幅超過現有基于熒光蛋白的遺傳編碼熒光探針，為活細胞與活體生物傳感、即時診斷甚至實時診斷技術的發展提供新的機遇。

　　論文的第一作者為華東理工大學陳顯軍副研究員、張大生博士與蘇倪博士，通訊作者為朱麟勇和楊弋。該研究得到了華東理工信息科學與工程學院杜文莉教授與生物工程學院張立新教授，以及哈佛大學醫學院的Loscalzo教授的協助。該項研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、上海市科委項目、“111”計劃、生物反應器工程國家重點實驗室基金、教育部基本科研業務費、中國博士后科學基金等經費資助。