探索生命编码奥秘 推动非编码氨基酸研究——郑州大学杨静华教授

2019-05-29

生命现象遵循热力学定律，从分子水平探索生命起源时，常常会发现生命发生发展过程中的一些逻辑问题，而这些逻辑问题的答案往往具有重大的理论和现实意义，生命不仅仅是预先编码的基因序列，生命充满着非编码物质，所以必须勇于挑战生命现象的逻辑基础，才能在生命科学中有所突破。郑州大学第一附属医院特聘教授、临床系统生物学中心主任杨静华教授致力于生命的编码过程研究，他通过不断探索，完善了RNA生命起源学说，推动了非编码氨基酸的研究，在RNA功能演化、RNA编辑以及推动非编码氨基酸发展等方面取得了重要突破。

1　完善RNA生命起源学说，开启RNA编辑过程

人类作为现代生物的代表，以蛋白质作为催化功能，并没有看到RNA的催化作用，为了探寻这个问题的根源，杨静华教授经过深入的研究，提出了由核小RNA U6/U4组成的复合体在mRNA成熟过程中起着催化作用的假说，并拿出了有力证据，确立了RNA在人类进化早期的催化功能。

杨静华教授在Tom Maniatis的实验室做研究员期间，解决了人类DNA编码谷氨酸受体和实际测到cDNA序列总是不一样的神经生物学中的难题。他设计了一个巧妙的RNA链接方案，把可能变化的腺嘌呤标记上了同位素，通过实验解决了这一难题。研究表明，哺乳动物细胞中都存在着一种未报道过的生物活性，能够非常有效地把双链RNA中的腺嘌呤通过脱氨反应变成次黄嘌呤。现在，这个过程已经被定义为“RNA编辑”过程（RNA Editing）。

2　揭秘双链RNA和“黑色物质”

完善RNA生命起源学说之后，杨静华教授针对“哺乳动物包括人类基因组编码大量双链RNA基因，在双链RNA编辑酶的作用下转为次黄嘌呤RNA，而现代哺乳动物中并没有发现大量的次黄嘌呤RNA”这一难题，在美国国立卫生院NIH RO1研究基金、NIH KO2独立职业发展基金以及SusuanG Koman基金会乳腺癌研究基金的支持下，团队针对人类双链RNA进行了深入研究，证明了哺乳动物细胞中广泛存在双链RNA编辑酶，理清了双链RNA编辑酶的蛋白质功能结构、细胞核内外分布、表达转运机制以及双链RNA的加工、调控和信号转导等。值得强调的是，哺乳动物双链RNA编辑酶受到外界刺激过程中出现急剧应激反应，特别是受到病毒感染的时候表达急剧增加，说明双链RNA信号在抗病毒过程中的重要作用。

团队进一步证实了哺乳动物细胞在感染条件下不但产生了大量的次黄嘌呤RNA，而且主要产生在编码蛋白质的信使RNA（mRNA）中，反而在核糖体 RNA（rRNA）和核内小RNA（snoRNA）很少存在。次黄嘌呤RNA聚集在细胞核中转录活跃的核小体区域。再次证实双链RNA确实表达了，但是被定量地转换成次黄嘌呤RNA了。

从RNA生命起源学说的角度上来讲，低等生物和高等生物在进化过程中对原始双链RNA的遗传功能做了不同的选择。很多低等生物，特别是病毒仍然以双链RNA作为遗传物质或成为DNA复制的中间体。相反，在哺乳动物细胞中，人类双链RNA的遗传功能已经完全被DNA取代，而且双链RNA的表达被双链RNA编辑酶严格控制，正常情况下检测不到双链RNA的表达。

3　提出非编码氨基酸的概念

应该指出，RNA生命起源学说揭示了生命遗传物质的非唯一性。特别是双链RNA编辑的发现给生命科学带来了一个更加严肃的问题，基因编码蛋白质的可靠性。既然基因翻译过程中经过了RNA编辑，那么真正人类体内的蛋白质与基因编码的蛋白质序列应该存在很大差异。为了研究真实的蛋白质，杨静华首先提出了“非编码氨基酸”的概念，即把天然蛋白质中任何与基因理论编码不一样的氨基酸残基定义为非编码氨基酸（non-coded amino acids， ncAAs）。杨静华决心利用蛋白质质谱技术解开非编码氨基酸之谜，2012年与山东大学展开紧密合作，在杨静华的领导下，他的研究团队解决了准确测定非编码氨基酸的技术难题，结果表明，人类精子蛋白组中至少存在600多种非编码氨基酸，分布在将近4万个蛋白位点上，说明真实的蛋白质氨基酸序列和DNA编码的理论蛋白质氨基酸序列存在很大差别，也说明真实蛋白质序列的多样性。和单核苷酸多样性相比，蛋白质氨基酸多样性更直接地影响着蛋白质的功能，更可能参与生理病理过程，更有望成为药物靶向和疾病标记物。可以说，继基因水平上的单核苷酸多样性，人类蛋白组非编码氨基酸的大规模测定技术将在蛋白质水平上的精准医疗领域发挥关键作用。

4　助力人类重大疾病的精准医疗

杨静华教授指出，研究生命起源不是目的，揭示生命奥秘的最终目标是造福人类健康，他受邀与郑州大学第一附属医院合作，通过与临床一线医生的紧密合作，针对临床治疗中的具体问题，建立疾病相关非编码氨基酸数据库，开发相关精准医疗检测技术，使精准医疗从基因组水平过渡到蛋白组水平。