科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了修飾細(xì)胞表面的糖衣RNA分子
多種分子從細(xì)胞表面突出，包括糖蛋白、糖脂和新發(fā)現(xiàn)的糖核糖核酸。該圖將 RNA 描述為雙鏈莖和環(huán)，聚糖作為從它分支出來的 Tinkertoy 樣結(jié)構(gòu)。圖片來源：Emily M. Eng/R。弗林等人/Cell 2021
一些 RNA 分子具有意想不到的糖衣
糖附著在細(xì)胞外膜上的某些RNA分子上。新發(fā)現(xiàn)的“糖RNA”可能與免疫信號傳導(dǎo)有關(guān)。
令人驚訝的是，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了裝飾細(xì)胞表面的糖衣 RNA 分子。
這些所謂的“糖RNA”從哺乳動物細(xì)胞的外膜中伸出，在那里它們可以與其他分子相互作用。這一發(fā)現(xiàn)于 2021 年 5 月 17 日發(fā)表在《細(xì)胞》雜志上，顛覆了目前對細(xì)胞如何處理 RNA 和聚糖的理解。
“這可能是我一生中最大的科學(xué)沖擊，”研究作者、斯坦福大學(xué)霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員 Carolyn Bertozzi 說?！案鶕?jù)我們理解細(xì)胞生物學(xué)的框架，聚糖和 RNA 沒有物理接觸的地方?！?/p>
通常，RNA 在細(xì)胞核中產(chǎn)生并被運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞質(zhì)中，在那里它作為制造蛋白質(zhì)的模板。直到現(xiàn)在，科學(xué)家們還認(rèn)為聚糖是分開的。但這項(xiàng)新研究表明，這兩個分子實(shí)際上相遇了，糖衣 RNA 會到達(dá)細(xì)胞表面。
Bertozzi 團(tuán)隊(duì)的初步發(fā)現(xiàn)在 2019 年將它們發(fā)布在預(yù)印本服務(wù)器 bioRxiv.org 上時引起了相當(dāng)大的關(guān)注?，F(xiàn)在，科學(xué)家們報(bào)告了糖質(zhì) RNA 的新物理位置，從而為糖衣 RNA 在免疫疾病中發(fā)揮了可能的作用。
不應(yīng)該存在的分子
幾十年來，研究人員一直在研究“糖生物學(xué)”。除其他功能外，糖在細(xì)胞通訊中起著關(guān)鍵作用。此前，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了附著在蛋白質(zhì)和脂肪上的聚糖。糖分子甚至遍布細(xì)菌和真菌的細(xì)胞壁，幫助細(xì)胞交流和感染宿主。
直到現(xiàn)在，糖生物學(xué)和 RNA 生物學(xué)還沒有重疊。這兩個領(lǐng)域的科學(xué)家使用不同的化學(xué)和技術(shù)來研究他們的分子。該研究的合著者瑞恩弗林（Ryan Flynn）在研究生期間從事 RNA 研究，直到在 Bertozzi 實(shí)驗(yàn)室偶然遇到一名學(xué)生時才接觸到糖生物學(xué)。“聚糖在生物學(xué)中至關(guān)重要，我不知何故對它們一無所知，”他說。弗林很感興趣。
“這可能是我一生中最大的科學(xué)沖擊?！?/p>
— Carolyn Bertozzi，斯坦福大學(xué) HHMI 研究員
Bertozzi 于 2017 年讓 Flynn 成為博士后。他學(xué)到的越多，就越想知道聚糖是否可能與 RNA 聯(lián)系起來。例如，該團(tuán)隊(duì)知道一種可以結(jié)合 RNA 的聚糖酶。這讓弗林想知道 RNA 本身是否可以與糖連接。盡管大多數(shù)聚糖存在于稱為高爾基體的細(xì)胞區(qū)室中，但一種類型的聚糖確實(shí)混合在細(xì)胞質(zhì)中，而 RNA 通常存在于其中。
現(xiàn)在做鋁合金，在熱處理的時候（退火）怎么樣能防止試樣被氧化呢?我們的爐子比較老，不能充保護(hù)氣體，不能抽真空，也沒有真空設(shè)置，怎么辦?
所以弗林開始尋找糖鏈核糖核酸。他對細(xì)胞內(nèi)的聚糖進(jìn)行化學(xué)標(biāo)記，然后在標(biāo)記的分子中尋找 RNA。命中意味著他發(fā)現(xiàn)了一個同時包含 RNA 和糖的分子。他進(jìn)行了幾個月的實(shí)驗(yàn)。在那段時間里，“我什么也沒找到，”他說。但這并不完全正確。
弗林也一直在高爾基體中尋找糖核糖核酸。由于預(yù)計(jì)不會出現(xiàn) RNA，因此該測試用作陰性對照——這是一種確認(rèn)他的實(shí)驗(yàn)沒有在他所看到的任何地方都檢測到 RNA 的方法。
但陰性對照一直呈陽性。不知何故，RNAs 與高爾基體中的糖結(jié)合在一起。Bertozzi 說，該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為該實(shí)驗(yàn)一定是被污染了?！拔覀冊噲D想出一百萬個關(guān)于這種糖如何與 RNA 物理關(guān)聯(lián)的答案?！?/p>
弗林做了他能想到的所有實(shí)驗(yàn)，以排除信號來自 RNA 以外的其他物質(zhì)的可能性。答案從未改變。他在實(shí)驗(yàn)室可以培養(yǎng)的每一種細(xì)胞中都發(fā)現(xiàn)了糖核糖核酸。他甚至在老鼠的組織中發(fā)現(xiàn)了它們，最近，在細(xì)胞表面發(fā)現(xiàn)了糖核糖核酸。
細(xì)胞表面的三種分子，糖蛋白、糖脂和糖核糖核酸（從左到右）幫助細(xì)胞相互交流。圖片來源：R. Flynn 等人/Cell 2021
“他們應(yīng)用了人們可以想象的所有可能的方式來確認(rèn)聚糖修飾的 RNA 的存在，”化學(xué)生物學(xué)家 Chuan He 說，他是芝加哥大學(xué)的 HHMI 研究員，他沒有參與這項(xiàng)新工作。
Bertozzi 和 Flynn 將這一發(fā)現(xiàn)歸功于他們不同尋常的技能交集。結(jié)合來自 RNA 生物學(xué)和糖生物學(xué)的工具和專業(yè)知識，他們可以發(fā)現(xiàn)一種看似顯而易見的現(xiàn)象——如果你知道如何尋找它的話。
意外的連接
與此同時，Bertozzi 實(shí)驗(yàn)室的研究人員也一直在研究一種稱為“Siglecs”的細(xì)胞表面蛋白。這些分子與聚糖結(jié)合并在免疫系統(tǒng)中發(fā)揮作用。弗林想知道 Siglecs 是否也可以與新發(fā)現(xiàn)的糖鏈核糖核酸結(jié)合。
設(shè)備推薦: 熒光顯微鏡
“這是其中之一，'讓我們試一試，誰知道'實(shí)驗(yàn)，”Bertozzi 說。Flynn 測試了 12 種不同的 Siglec 分子，發(fā)現(xiàn)其中兩種分子粘附在糖鏈上。
文獻(xiàn)檢索顯示，其中一個 Siglec 分子先前與自身免疫性疾病狼瘡有關(guān)。Bertozzi 說，尋找這些不同類型的分子之間的聯(lián)系開始填補(bǔ)新的生物學(xué)圖景。這張圖片可能看起來像這樣：RNA 掛在細(xì)胞表面，用糖裝飾。這些糖附著在 Siglec 蛋白上，幫助免疫系統(tǒng)區(qū)分?jǐn)澄摇?/p>
弗林說，在了解糖核糖核酸如何——或者是否——參與免疫信號之前，科學(xué)家們還有很多東西需要學(xué)習(xí)。他現(xiàn)在在波士頓兒童醫(yī)院和哈佛大學(xué)干細(xì)胞和再生生物學(xué)系經(jīng)營自己的實(shí)驗(yàn)室，并計(jì)劃研究這些問題。
Bertozzi 說，追求不太可能的觀察的自由使糖核糖核酸的發(fā)現(xiàn)成為可能?！斑@就是 HHMI 提供的，”她說?！叭绻沂且幻跫壙茖W(xué)家，偶然發(fā)現(xiàn)了這一點(diǎn)并獲得了 NIH 的資助，我們會在研究部分被嘲笑。”
