1、2023 年 第 4 卷 第 1 期|Synthetic Biology Journal 2023，4（1）：141-164RNA转录后代谢时空精密控制技术刘韧玫1，2，3，李乐诗1，2，杨小燕1，2，陈显军1，2，杨弋1，2（1 华东理工大学光遗传学与合成生物学交叉学科研究中心，生物反应器工程国家重点实验室，上海 200237；2 华东理工大学药学院，上海市细胞代谢光遗传学技术前沿科学研究基地，上海 200237；3 华东理工大学生物工程学院，上海 200237）摘要：RNA种类繁多且功能多样，是细胞活动的核心分子之一。RNA代谢调控对于基因和RNA功能研究、细胞生命活动解析以及疾病治疗手段
2、的开发都是至关重要的。为了深入研究RNA时间、空间分布以及功能机制，科学家们一直在追求可以在活细胞内对RNA分子活动进行精密控制的技术，这也是近些年生命科学领域的研究热点之一。目前基于基因编辑、转录调控等可以控制RNA转录生成的技术已较为成熟，但对于RNA转录后代谢的控制技术尚在发展与突破阶段。此前，RNA转录后代谢调控工具是通过调节RNA或基于RNA结合蛋白的RNA效应因子来实现的，但它们的时空分辨率较低，很难对RNA转录后代谢进行定时、定量和定位精密调控。光遗传学凭借其独特的高时空分辨率、非侵入性等优势已经被逐步用于发展活细胞RNA代谢时空精确控制技术。目前，基于核苷酸光化学修饰、遗传编码
3、光响应因子的光遗传学工具已经可实现在转录或转录后水平对RNA多种代谢活动的时空精密控制，包括生成、运输、翻译、降解等。本文将介绍RNA代谢调控系统的研究进展，并聚焦于RNA转录后代谢的光遗传学调控技术，同时对其未来发展前景进行了展望。关键词：光遗传学；RNA代谢；RNA功能；时空精密控制；光控RNA结合蛋白中图分类号：Q816 文献标志码：A Technologies for precise spatiotemporal control of post-transcriptional RNA metabolismLIU Renmei1，2，3，LI Leshi1，2，YANG Xiaoyan1
4、，2，CHEN Xianjun1，2，YANG Yi1，2（1Optogenetics&Synthetic Biology Interdisciplinary Research Center，State Key Laboratory of Bioreactor Engineering，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China；2Shanghai Frontiers Science Center of Optogenetic Techniques for Cell Metabolism，School
5、 of Pharmacy，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China；3School of Bioengineering，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China）Abstract:RNA exhibits complex dynamics and functions at specific times and locations inside cells,which include 收稿日期：2022
6、-09-13 修回日期：2022-11-18基金项目：国家重点研发计划（2022YFC3400100，2019YFA0904800，2021ZD0202200）；国家自然科学基金（32121005，21937004，32150028，91857202，32001026）引用本文：刘韧玫，李乐诗，杨小燕，陈显军，杨弋.RNA转录后代谢时空精密控制技术 J.合成生物学，2023，4（1）：141-164Citation：LIU Renmei，LI Leshi，YANG Xiaoyan，CHEN Xianjun，YANG Yi.Technologies for precise spatiotempo
7、ral control of post-transcriptional RNA metabolism J.Synthetic Biology Journal，2023，4（1）：141-164DOI:10.12211/2096-8280.2022-050特约评述合成生物学 第 4 卷changes in their expression,degradation,translocation,splicing and other chemical modifications.The precise regulation of RNA metabolism is crucial for the st
8、udies of gene and RNA functions,the analysis of cellular activities,as well as the development of treatments for diseases.In order to deeply understand the temporal and spatial distribution and functional mechanism of RNA,scientists are always pursuing technologies that can precisely control the act
9、ivity of RNA molecules in live cells.There are several gene editing-or transcriptional regulation-based methodologies that can regulate RNA synthesis in live cells.However,technologies for controlling the post-transcriptional metabolic behaviors of RNA are highly desirable,but they are less attained
10、.Traditional methodologies for regulating RNA metabolism,e.g.,regulatory RNA or RNA-binding proteins-based synthetic RNA effectors,suffer from low spatiotemporal resolution,making them difficult to dynamically regulate the post-transcriptional RNA metabolism in real time.Optogenetics has been used f
11、or precise spatiotemporal control of RNA metabolism in live cells due to its unique advantages of high spatiotemporal resolution and non-invasiveness.At present,photochemical modifications of nucleotides and genetically encoded photosensitive factors-based optogenetic tools have been applied for spa
12、tiotemporal control of various RNA metabolism at transcriptional or post-transcriptional levels,including transcription,translocation,translation and degradation.This article introduces recent progress in regulation of RNA metabolism,in particular the optogenetic control of post-transcriptional RNA
13、metabolism,including technologies based on photochemical modified nucleotides,light-induced protein heterodimerization combined with RNA tethering,light-induced interactions between RNA-binding proteins and their cognate RNA motifs.Finally,we highlight prospects on technologies for precise spatiotem
14、poral control of post-transcriptional RNA metabolism.Keywords:optogenetics;RNA metabolism;RNA function;precise spatiotemporal control;light-switchable RNA-binding proteins142第 4 卷 RNA作为DNA与蛋白质之间遗传信息传递的中间载体为人们所熟知。随着基因组学和生物信息学的发展，特别是高通量测序技术的大量应用，科学家发现细胞中还存在种类繁多且数量庞大的非编码RNA（non-coding RNA，ncRNAs）1-2。尽管
15、这些ncRNAs不编码蛋白质，但它们在许多重要的细胞生命过程中都扮演至关重要的角色2-4，如在哺乳动物早期发育过程中调节多种基因的正确表达、参与炎症反应等。近年来RNA生物学研究进展迅速，不同种类的RNA及其修饰形式的鉴定、起源、功能与调控已经成为了国际研究前沿，而小 干 扰 RNA（small interfering RNA，siRNA）、RNA适配体以及基于RNA的基因操作与分子识别技术也是国际生物技术应用的重要热点之一。这些研究不仅革新了人们对许多生物学基本概念和基本问题的认知，而且在生命科学、生物工程和医学中具有广阔的应用前景。细胞内的RNA具有特定的时间、空间分布及不同的转录后修饰状
16、态，可以像蛋白质一样形成复杂的高级结构进而与其他分子产生相互作用5-7。但与蛋白质研究相比，科学家们对细胞内RNA的时间空间分布及其功能研究目前仍然相对滞后很多，其中一个重要原因是过去很长时间里缺乏可以在活细胞内对RNA分子活动进行精密控制的技术，使得深入研究RNA功能与调控机制面临重要技术挑战。迄今为止，RNA调控技术的研究主要集中在RNA 生成的控制，包括在基因和转录两个层面。在基因层面上，科学家们可以利用基因编辑技术，如锌指核酸酶（ZF）、转录激活因子样效应物（TAL 或 TALE）以及成簇的规则间隔的短回文重复序列与其相关蛋白（CRISPR/Cas），通过对特定DNA序列的敲入、敲除、替换或突变等遗传操作，进而实现对RNA序列和功能的改变8-9。在转录水平上，各种基于 Gal4、LexA 等 DNA 结合结构域、TALE或CRISPR/dCas（核酸酶缺陷型Cas 蛋白）的转录调控系统10-13与表观遗传修饰系统13-15也陆续被开发出来，可以实现对活细胞和活体内源与外源RNA生成的时空精确控制。然而，除了RNA的生成，RNA还存在很多的转录后代谢活动。例如，转录生成后的RNA