Nature颠覆生物学教条：至关重要的新蛋白质家族

Nature颠覆生物学教条：至关重要的新蛋白质家族

2016年08月21日讯 哈佛医学院的科学家们发现了几乎所有的细菌利用来构建和维持细胞壁的一个新的蛋白质家族。研究的领导者David Rudner和Thomas Bernhardt说，发现第二组细胞壁合成者可帮助为开发出急需的疗法以靶向细胞壁作为一种途径来杀死有害细菌铺平道路。

论文的资深作者、哈佛医学院微生物学和免疫生物学教授Rudner说：“我们知道这些蛋白是极好的靶标，是因为我们可以从细胞的外部抑制这些酶。”

论文的合著作者、哈佛医学院微生物学与免疫生物学教授Bernhardt说：“现在我们更好地认识了这些蛋白的功能，以及一种潜在的药物有可能如何影响它们的活性。”

细胞壁对维持细菌结构完整性，决定它的形状，抵挡住来自毒素、药物和病毒的外部攻击，起着至关重要的作用。细胞壁是由通过短肽连接在一起的糖链所构成。

半个世纪以来，人们都认为青霉素结合蛋白是主要的，有可能是唯一的细胞壁合成者。

青霉素是在1928年被发现，于1942年首次用于治疗细菌感染，然而直到1957年科学家们才了解了青霉素阻断构建细菌细胞壁的这些蛋白的机制。上世纪七八十年代针对大肠杆菌的研究详细阐明了青霉素结合蛋白构建细胞壁的机制。

后来出现的一些线索表明，可能有其他的因子参与了细胞壁生物合成。在2003年，生成了一个被该领域中的许多人所忽视的重要研究发现：在缺乏青霉素结合蛋白的情况下，枯草杆菌（Bacillus subtilis）也能够生长并合成它的细胞壁。一些研究人员对这一“遗漏的聚合酶”，有时又称“兼职酶”非常感兴趣。

论文的共同作者、哈佛医学院Bernhardt实验室前研究人员Tsuyoshi Uehara认为，一个对细胞形状、伸长、分裂和孢子形成负责的蛋白质家族：SEDS蛋白可能是这一遗漏酶的主要嫌疑犯。SEDS以一种方式沿着细菌细胞的周围移动，表明它们可能参与合成了细胞壁，它们如果失活会扰乱细胞壁合成。

为了验证SEDS蛋白可能参与了细胞壁合成这一假设，论文的第一作者、哈佛医学院Rudner实验室研究生Alexander Meeske，删除了参与聚合细胞壁的所有已知青霉素结合蛋白。而SEDS蛋白如原来那样以几乎相同的方式继续移动。观察结果使得SEDS蛋白看起来像遗漏的酶，且更像是主要作用因子而非仅仅是兼职者。随后的遗传学与生物化学实验证实，SEDS蛋白确实是一个全新的细胞壁合成者家族。

科学家们还发现，两个细胞壁合成者家族能够协同发挥作用：SEDS蛋白环绕细胞壁生成箍状（hoop-like）结构，青霉素结合蛋白分散地移动，形成了较小的结构，与箍状结构一起构建出了细胞壁。

研究人员说，早先的一些研究表明，当阻断青霉素结合蛋白时细菌会死亡，掩盖了SEDS蛋白的重要性。

在当前的论文中，科学家们发现相比青霉素结合蛋白，SEDS蛋白在细菌中更常见，这为我们带来了希望：一种潜在的靶向SEDS蛋白的抗生素能够有效地对抗广谱的细菌。

Bernhardt 说：“长期以来，在这一领域中人们认为一组酶在一组复合物中发挥作用构建了一堵墙。现在我们获得了两组酶，它们似乎在不同的系统中起作用。不知何故，它们必须协调构建这一网状结构来维持完整性，并随着细胞生长与分裂而扩大。”

这两个蛋白质家族是如何共同发挥作用的，是新研究工作提出的许多问题之一。

细菌细胞壁环绕着细胞膜，维持了细胞的完整性和形状。一旦细胞壁遭到破坏，细菌就会死亡，使得我们能够从感染中康复过来。2008年，美国科学家利用高科技显微镜技术，首次观察到了细菌细胞壁的三维结构。这使得科学家能够在纳米尺寸观察这些生物学结构。

英国细菌学家弗莱明首先发现了世界上第一种抗生素--青霉素，然而在近一个世纪后这一特效药的作用方式仍然神秘难解。人们知道，这一最古老且最广泛使用的抗生素攻击了负责构建细菌细胞壁的一些酶。2014年，哈佛医学院微生物学和免疫生物学副教授Thomas Bernhardt和同事们为这一故事添加了新章节。

2016年3月，St. Jude儿童研究医院的科学家们发现，细菌细胞壁碎片可穿过胎盘进入胎儿正在发育的神经元中，从而改变胎儿大脑的解剖学以及出生后的认知功能。

Nature子刊综述帮你总结知识点：癌症中的RNA，每个都是研究热点

基因表达紊乱是癌症的一个主要标志。事实上，转录因子活动的改变已被证明是一些癌症最常见亚型的驱动因素。RNA对基因表达至关重要，无论是以蛋白编码RNA（mRNAs）的形式，还是以参与和调节转录的非编码RNA形式（lncRNAs或snRNA）、剪接（snRNAs）和翻译（核糖体RNAs、tRNAs和microRNAs）。 最近的证据表明，RNA的加工在癌症中被系统改变，证明RNA对肿瘤发生、生长和进展的重要影响。

2020年10月，来自澳大利亚的研究人员在《 Nature Reviews Cancer 》发表题为“RNA in cancer”的综述， 讨论了编码和非编码RNA的加工或活性改变如何促进肿瘤的发生、生长和进展，强调了RNA在癌症中的既定角色（miRNA和lncRNA）和新兴角色（选择性mRNA加工和circRNA）以及它们对癌症的作用机制。

一旦RNA聚合酶II合成了 mRNA ，它必须首先剪接并进一步加工成成熟的转录物，然后从细胞核输出到细胞质，转化为蛋白质。这些相互连接的处理步骤是由许多大分子复合物完成的，例如剪接体和转录-输出复合物TREX和TREX2。

在生理条件下，基因表达也可以通过一些 非编码RNA ，包括miRNAs、lncRNAs和circRNAs来调节。通常，miRNAs通过加速靶基因的去乙酰化和降解来负调控基因的表达，而lncRNAs则通过作为调节蛋白复合物的支架、定位到基因组DNA或改变基因组结构来调节顺式或反式的基因表达。

许多miRNAs被发现与癌症相关，要么作为肿瘤抑制因子，要么作为癌基因。

miRNA的作用： 人类细胞中大多数蛋白质的表达水平受到一个或多个miRNA的某种程度的调控。单个miRNA可以具有许多mRNA靶标，而单个mRNA可以被多个miRNA靶向。尽管miRNA可以共同作用，以抑制在3'非翻译区（UTR）中具有多个miRNA结合位点的靶标的表达，仅一种类型的miRNA与靶标mRNA的结合导致相对温和减少靶基因表达。通过RNA测序已经检测到1000多种不同的miRNA。一些miRNAs，如肿瘤抑制因子let-7，在几乎每种细胞类型中都有大量表达，而另一些miRNAs具有高度的细胞类型特异性表达，或者在某些细胞类型中以非常低的水平存在或不存在。因此在检测低表达的miRNAs的可能影响时，需要谨慎。

致癌和抑癌的miRNA：

1. 靶向致癌途径负调控因子的miRNAs在失调时可能通过多个靶点抑制RAS-MEK-ERK信号和miR-155/miR-221，它们分别针对SHIP1（也称为INPP5D）和PTEN，这两个都是AKT信号的负调节器。

2. 在癌症中最常见减少的miRNA是let-7 miRNA突变体，它通过靶向强效癌基因，包括MYC、KRAS和HMGA2作为主要的肿瘤抑制因子。因此，let-7 miRNAs被认为是一个重要的治疗靶标。

3. 大量miRNAs也被报道通过限制或逆转上皮-间质转化（EMT）来限制转移和/或化疗耐药，其中最有效的是miR-200家族。

miRNA失调的机制： miRNA基因由RNA聚合酶II转录，因此受到与蛋白质编码基因相同类型的表观遗传调控。事实上，许多miRNA基因都来自于蛋白质编码基因的内含子。在癌症中有许多关于miRNAs表观遗传失调的报道。 癌症中miRNA表达水平广泛下调的一种模式是源于缺氧诱导的癌细胞中Drosha和Dicer表达水平的降低 ，以及AGO2的磷酸化 ，进而降低了Dicer与AGO2并抑制miRNA从前体到成熟miRNA的加工。 然而，并不是所有的miRNAs都会受到缺氧的下调， 例如，miR-210的转录诱导可以覆盖缺氧诱导的加工减少，并且可以抑制免疫缺陷小鼠肿瘤生长的启动，但也可以促进细胞在肿瘤缺氧的应激环境中的适应和生存。 miRNAs下调的另一个机制可能是由于基因突变或前miRNAs转运蛋白exportin 5（XPO5）磷酸化水平的变化而减少核的输出。

lncRNAs已经被发现具有致癌或肿瘤抑制功能。

lncRNAs的作用： lncRNAs是指长度超过200个核苷酸不编码蛋白质的RNA。与mRNAs一样，它们由RNA聚合酶II转录，但与mRNAs不同， 许多lncRNAs优先定位于细胞核。它们具有不同的功能，包括核作用，如调节顺式或反式中的基因表达，调节剪接以及亚单位透明结构域的成核。2010年，lncRNA HOTAIR通过参与染色质重塑促进乳腺癌转移，随后发现许多lncRNA具有影响癌症发展或进展的功能。一些lncRNAs可能具有多种看似不相关的功能。 例如，lincRNA-p21最初被鉴定为p53诱导的肿瘤抑制因子lncRNA80，并被证明介导异质性核糖核蛋白K（HNRNPK）与其邻近基因CDKN1A（编码p21）的结合并增加其转录。

致癌和抑癌的lncRNA：

1. 最近的一项研究揭示了lncRNA-REG1CP在结直肠癌中的表达经常上调。REG1CP通过将解旋酶FANJ与相邻基因REG3A86的启动子连接，促进结直肠癌异种移植瘤的生长。

2. PCAT19是一种致癌的lncRNA，它激活反式基因，促进前列腺癌的生长、侵袭和转移。

3. 细胞质lncRNAs也可能是癌基因。在MYCN扩增的神经母细胞瘤中过度表达的lncRNA linc0255，通过与核糖体蛋白RPL35的相互作用特别激活E2F1的翻译。

4. lncRNAs也可以作为肿瘤抑制剂。核lncRNA DIRC3影响局部染色质结构，激活编码肿瘤抑制因子IGFBP5的邻近基因的转录。

5. lncRNAs也可以通过调节细胞质中的信号来抑制肿瘤。细胞质lncRNA-DRAIC在去势抵抗的晚期前列腺癌中下调，并通过干扰NF-κB激酶（IKK）活性抑制剂抑制核因子-κB（NF-κB）激活来抑制其进展。

6. 一些lncRNAs仍然有可能编码小蛋白。事实上，lncRNA LINC00908可以产生一种60个氨基酸的多肽，与正常组织样本相比，该多肽在三阴性乳腺癌组织中下调，并且与整体生存率差有关。

lncRNAs的多重对立效应： 关于lncRNA基因在癌症中的影响，最能说明问题的一个例子是考虑lncRNA基因在强效癌基因表达中的作用，也可能反映了MYC在驱动对增殖和生长信号的转录反应中所起的关键作用，MYC基因的转录受多个邻近lncRNA基因转录的调控。这也凸显了lncRNA基因座可以产生具有不同甚至相反功能的RNA。通过对小鼠体内大量MALAT1 lncRNA进行基因缺失研究的对比解释，进一步强调了lncRNA对基因表达影响的复杂性。

circRNA的新角色： circRNAs基本上在所有细胞和组织中都有表达，并且在癌症中可能被错误调节。circRNA主要是反向剪接事件的产物，它将外显子拼接到前一个外显子而不是下游外显子上，从而形成共价闭合的circRNA分子。有报道称， 一些circRNA位于细胞核内并调节转录，但大多数circRNAs位于细胞质中。 单个细胞可以表达数千个circRNAs，通过对患者肿瘤和癌细胞系RNA的深度测序，总共检测到超过200000个不同的circRNAs。 一些circRNAs被发现在癌症中与相应的正常组织相比过度表达，增加了它们作为疾病生物标志物的可能性。 circRNAs有可能作为癌基因或肿瘤抑制因子发挥作用， 可能是通过充当miRNAs的海绵，而一项敲除筛选表明，前列腺癌细胞中一些高度丰富的circRNAs对细胞的最大增殖至关重要，虽然还需要更多的工作来确定致癌或肿瘤抑制circRNAs。 circRNA可能还充当多蛋白复合物的核因子或组分。

失调的circRNAs： 什么导致癌症中的细胞周期失调？基因拷贝数或circRNA前体转录的改变无疑改变了它们在某些癌症中的水平。然而，由于大多数circRNAs是来自蛋白质编码基因的选择性剪接产物，因此需要仔细区分这些变化的影响与同源蛋白水平变化的影响。circRNA水平变化的另一种方式是通过参与circRNA生物合成的剪接因子水平的改变。

mRNA前体的剪接以去除内含子并以不同的方式连接外显子是基因表达的基础。事实上，选择性剪接可以通过产生选择性蛋白质亚型来促进转录组和蛋白质组的多样性。这个过程是由主要的剪接体完成的，它执行大多数的RNA剪接反应，并且与300多种不同的蛋白质相关。

一旦mRNAs被剪接和多聚腺苷酸化，它们必须从细胞核中的转录和加工部位输出到细胞质中进行翻译。有效的mRNA输出是通过将基因表达途径中的上游过程（即转录、剪接和多聚腺苷酸化）与mRNA输出耦合来实现的。mRNA不断地通过核孔复合体的内部通道运输，使蛋白质和分子能够穿过核膜。 转录、RNA剪接和多聚腺苷酸化与mRNA输出之间存在广泛的耦合，对肿瘤的发生具有重要意义。

mRNA剪接的新角色： mRNA剪接在历史上被认为是一个内控过程，对多外显子基因的表达至关重要，但最近的研究结果显示了RNA剪接机制的调控潜力。改变的mRNA剪接机制如何促进肿瘤的发生？SRSF2、SF3B1和U2AF1的突变都不同程度地影响3′剪接位点识别。这种改变的剪接可能会影响编码促进转化的蛋白质转录物的稳定性。

选择性裂解和聚腺苷酸化： 在肿瘤中也广泛观察到下游mRNA处理步骤的改变，如前体mRNAs的裂解和多聚腺苷酸化。例如，3′UTR区在肿瘤细胞系和肿瘤标本中均发生缩短。

选择性mRNA输出的新兴作用： 基因表达途径的末端步骤之一，mRNA的核输出，在癌症中也发生了改变。虽然mRNA输出被认为是基因表达中的一个普遍的、默认的途径，但是特定的生物途径可以通过选择性的mRNA输出来调节，使某些mRNAs优先于其他的。选择性mRNA输出可以调节对癌症发展至关重要的生物学过程，如细胞增殖和基因组完整性。这种mRNA输出机制的调节潜力可被癌细胞利用以维持增殖。

在过去的几年里，大量的研究已经非常详细地揭示了RNA在癌症中发生系统性改变的程度。癌症中编码和非编码RNA的广泛改变影响了肿瘤发生的多个方面。

这些不同的RNA亚型和处理它们的蛋白质参与癌症发生的机制特性，为治疗干预提供机会。例如，一些以核心剪接体机制为靶点的化合物，如与SF3B复合物结合的E7107，在体内影响RNA剪接，但在I期临床试验中静脉注射时表现出显著的毒性。最近的研究表明，在具有剪接体突变的晚期血液恶性肿瘤中，使用SF3B复合物H3B-8800的可口服调节剂，在耐受剂量良好的小鼠模型中显示了优先抗肿瘤活性。其他研究试图通过使用介导其蛋白酶体降解的化合物作为干扰剪接的替代药理学手段来调节选择性和调节性剪接因子，如RBM39，在小鼠急性髓系白血病模型中获得成功。RNA在癌症中的广泛改变将为治疗提供大量的新机会。进一步阐明RNA加工改变促进肿瘤发生、生长和进展的基本机制，对于确保癌症疗法专门针对RNA加工过程且对正常细胞的影响最小至关重要。

首发公号：国家基因库大数据平台

参考文献

Goodall, G.J., Wickramasinghe, V.O. RNA in cancer.?Nat Rev Cancer?(2020). https://doi.org/10.1038/s41568-020-00306-0.

Broadening horizons: the role of ferroptosis in cancer（上）

本文是一篇综述，选自nature? review

摘要：调节细胞死亡过程的发现促进了癌症治疗的进展。在过去的十年中，铁死亡，一种由过度脂质过氧化驱动的铁依赖形式的调节性细胞死亡，与各种类型肿瘤的发展和治疗反应有关。实验试剂(如erastin和RSL3)、批准的药物(如索拉非尼、柳氮磺胺吡啶、他汀类和青蒿素)、电离辐射和细胞因子(如IFNγ和TGFβ1)可诱导铁死亡和抑制肿瘤生长。然而，铁死亡性损伤可以在肿瘤微环境中引发炎症相关的免疫抑制，从而促进肿瘤生长。铁死亡对肿瘤生物学的影响程度尚不清楚，尽管一些研究发现了癌症相关基因(如RAS和TP53)突变、编码参与应激反应途径(如NFE2L2信号传导、自噬和缺氧)的蛋白质的基因突变、上皮-间充质转化与激活铁死亡的治疗反应之间的重要相关性。在这里，我们介绍了铁死亡的关键分子机制，描述了铁死亡和肿瘤相关信号通路之间的相互作用，并讨论了铁死亡在全身治疗、放射治疗和免疫治疗中的潜在应用。

大多数癌症治疗策略旨在选择性地消除癌细胞，而不伤害非恶性细胞。调节性细胞死亡(RCD)过程的不同致死子程序不同地影响肿瘤进展和对治疗的反应。与意外细胞死亡相比，RCD由特定的信号转导途径控制，这些途径可以通过药理学或遗传干预来调节。最广泛研究的RCD类型是细胞凋亡、焦亡、坏死和铁死亡，每一种都有独特的分子机制。死亡受体和线粒体途径是凋亡激活的两种最常见的机制，一个称为胱天蛋白酶的细胞内蛋白酶家族负责这些形式的RCD的效应期。焦亡也是一个半胱天冬酶依赖的过程，其效应期需要半胱天冬酶1或半胱天冬酶11介导的gasdermin D的裂解来释放其N端结构域，从而可以寡聚化并在质膜中形成孔。坏死的发生没有半胱天冬酶的激活，而是涉及其他效应分子，如假激酶MLKL，由RIPK3介导的磷酸化激活。

铁死亡这个术语是在2012年提出的，指的是一种由无限制的脂质过氧化和随后的质膜破裂引起的铁依赖性RCD。铁死亡可通过外在或内在途径诱发。外源途径是通过抑制细胞膜转运蛋白如胱氨酸/谷氨酸转运蛋白(也称为系统xc)或通过激活铁转运蛋白5-羟色胺转运蛋白和乳转铁蛋白来启动的。内在途径通过阻断细胞内抗氧化酶(如谷胱甘肽过氧化物酶GPX4)而被激活。尽管这一过程不涉及胱天蛋白酶、MLKL或gasdermin D的活性， 但铁死亡的效应分子仍有待鉴定 。值得注意的是，氧化损伤，一种由谷氨酸介导的神经细胞xc系统抑制引起的氧化损伤，其分子机制与铁死亡相似。

细胞凋亡在过去的30年里得到了广泛的研究；然而，肿瘤学中以凋亡调节因子(如来自半胱天冬酶或BCL-2家族的蛋白质)为靶点的治疗药物的临床应用仍然面临挑战。对凋亡的抵抗是癌症的标志，因此，靶向非凋亡的RCD过程可能提供抑制肿瘤生长的替代策略。三个早期临床前观察支持某些致癌信号和铁死亡诱导之间的联系:(1)铁死亡激活剂erastin被鉴定，因为它能够选择性地在含有突变型而非野生型RAS的癌细胞中触发细胞死亡；(2)RAS-RAF-MEK-ERK通路的激活是erastin诱导的细胞死亡所必需的和(3)铁，已知对癌细胞增殖很重要，也是erastin诱导的细胞死亡所必需的。随后的研究发现了一种通过铁积累、脂质过氧化和膜损伤控制铁死亡的复杂信号通路。

该网络作为肿瘤学中潜在的新靶点已经引起了极大的关注(表1)。特别是，对传统疗法有抵抗力或具有高转移倾向的癌细胞可能特别容易发生铁死亡敏感，从而开辟了靶向治疗研究的新领域。作为对先前综述的补充，我们旨在深入了解铁死亡在肿瘤发展中的机制和功能，并将其作为潜在的治疗靶点。我们描述了肿瘤异质性和与铁死亡敏感阈值相关的信号，并强调了临床应用的潜在治疗药物。

铁积累和脂质过氧化是铁死亡过程中引发膜氧化损伤的两个关键信号。铁死亡的核心分子机制涉及调节氧化损伤和抗氧化防御之间的平衡。

与非恶性细胞相比，癌细胞(尤其是癌症干细胞)的生长强烈依赖于微量元素铁。流行病学证据表明，高膳食铁摄入量增加了几种癌症类型的风险(如肝细胞癌(HCC)和乳腺癌)。这些特点表明，铁螯合药物(如去铁胺)或增加铁介导毒性的药物(如索拉非尼、柳氮磺吡啶、他汀类和青蒿素等诱导铁死亡的药物)可用于治疗癌症患者。

在动物模型中，由于多种水平的干预(如增加铁吸收、减少铁储存和限制铁流出)导致的铁积累增加通过整合的信号通路促进铁死亡。5-羟色胺转运体介导或乳转铁蛋白介导的铁摄取通过转铁蛋白受体(TFRC)和/或另一种未知受体促进铁转运，而SLC40A1介导的铁输出抑制铁转运。铁蛋白(一种铁储存蛋白)的自噬降解通过增加细胞间铁水平来增强铁死亡，而外泌体介导的铁蛋白输出抑制铁死亡。参与铁硫簇生物发生铁利用的几种线粒体蛋白(包括NFS1、ISCU26、CISD1和CISD2)可能通过降低有效的氧化还原活性铁含量来负调节铁死亡。 过量的铁通过至少两种机制促进随后的脂质过氧化:通过依赖铁的芬顿反应产生活性氧和激活含铁的酶(例如，脂氧合酶) 。因此，铁螯合剂和抗氧化剂可防止铁中毒。铁螯合剂去铁胺联合常规经动脉化疗栓塞的安全性和有效性目前正在不能切除的HCC患者中进行研究(NCT03652467)。

在铁死亡过程中，多不饱和脂肪酸(PUFAs)，特别是花生四烯酸和肾上腺素酸，最容易发生过氧化反应，从而导致脂质双层的破坏，影响膜功能。细胞膜中多不饱和脂肪酸的生物合成和重塑需要酶ACSL4和LPCAT3。ACSL4催化游离花生四烯酸或肾上腺素酸和辅酶a的结合，分别形成衍生物AA–CoA或AdA–CoA，然后LPCAT3促进它们酯化成膜磷脂酰乙醇胺，形成AA–PE或AdA–PE。ACSL3将单不饱和脂肪酸(MUFAs)转化为它们的酰基辅酶a酯，以结合到膜磷脂中，从而保护癌细胞免受铁敏感性。AMPK介导的beclin1磷酸化通过抑制还原型谷胱甘肽(GSH)的产生而促进铁死亡，而AMPK介导的ACAC磷酸化被认为通过限制PUFA的产生而抑制铁死亡。这些研究扩展了AMPK的已知功能，揭示了这种激酶作为能量传感器的作用，通过不同下游底物的磷酸化决定细胞命运。过氧化物酶体介导的缩醛磷脂生物合成为铁缺乏症期间的脂质过氧化提供了另一种PUFA来源。最后，不同的脂氧合酶在介导脂质过氧化以产生氢过氧化物AA-PE-OOH或AdA-PE-OOH方面具有环境依赖性作用，这些氢过氧化物促进铁死亡。例如，脂氧合酶ALOX5、ALOXE3、ALOX15和ALOX15B负责来源于各种肿瘤类型(BJeLR、HT-1080或PANC1细胞)的人细胞系中的铁死亡，而ALOX15和ALOX12在来源于非小细胞肺癌(NSCLC)的H1299细胞中介导p53诱导的铁死亡。

几种膜电子转移蛋白，特别是POR和NADPH氧化酶(NOXs)有助于铁死亡脂质过氧化的活性氧产生。在其他情况下，哺乳动物线粒体电子传递链和三羧酸循环，再加上谷氨酰胺分解和脂质合成信号，参与了铁死亡的诱导，尽管线粒体在铁死亡中的作用目前仍有争议。当新的治疗方法可用时，进一步评估不同类型肿瘤中脂质过氧化调节因子的表达谱对指导患者选择是至关重要的

抗氧化酶GPX4可以直接将磷脂氢过氧化物还原为羟基磷脂，从而作为癌细胞中铁死亡的中心阻遏物。GPX4表达和生存结果之间的关系是肿瘤类型依赖性的。例如，GPX4的高表达水平与乳腺癌患者的预后呈负相关，但与胰腺癌患者的良好生存结果呈正相关。GPX4在铁死亡中的表达和活性依赖于谷胱甘肽和硒的存在。 谷胱甘肽是由半胱氨酸、甘氨酸和谷氨酸三种氨基酸合成的；半胱氨酸的可用性是这一过程的主要限制因素。 在哺乳动物细胞中，xc系统在将胱氨酸(半胱氨酸的氧化形式)导入细胞用于随后的GCL介导的谷胱甘肽生产中起主要作用。系统xc由两个子单元组成，SLC7A11和SLC3A2。 SLC7A11的表达和活性进一步被NFE2L2正向调节，并被肿瘤抑制基因负向调节，如TP53、BAP1和BECN1 。这种双重调节构成了一种微调机制来控制铁死亡中的谷胱甘肽水平。谷胱甘肽的其他来源可能包括反式硫化途径，该途径由氨酰基-tRNA合成酶家族负调节，如CARS1，CARS1中的一些多态性与胃癌风险增加相关。 GPX4以谷胱甘肽为底物，将膜脂氢过氧化物还原为无毒的脂醇 。在GPX4中用半胱氨酸残基取代硒代半胱氨酸(U46C)增加了它的铁死亡抗性。对系统xc(用伊拉斯汀、柳氮磺胺吡啶或索拉非尼)或GPX4(用RSL3、ML162、ML210、FIN56或FINO2)的药理学抑制诱导铁死亡。同样，SLC7A11或GPX4的基因缺失会导致脂质过氧化，并导致某些细胞或组织的铁死亡。 GPX4缺失还介导小鼠中的其他RCD过程(如凋亡、坏死和焦亡)，表明脂质过氧化位于这些途径的十字路口，尽管下游效应物可能有所不同 。

几个非GPX4途径，包括AIFM2–CoQ10、GCh1–BH4和ESCRT- III膜修复系统，在防止铁死亡期间的氧化损伤方面也具有作用。这些修复途径之间可能存在协同或互补效应。事实上，AIFM2调节还原性CoQ10产生，但也可以通过激活ESCRT-III膜修复系统来防止癌细胞的铁死亡。

RAS家族(HRAS、NRAS和KRAS)的癌基因是所有人类癌症中最常见的突变。在发现索托菲尼之前，这些蛋白质被认为是“undruggable”，索托菲尼是KRAS-G12C突变蛋白质的直接抑制剂，在非小细胞肺癌患者中具有很好的活性，尽管对这种化合物的获得性抗性是常见的。KRAS-G12C的另一种选择性抑制剂阿达格列西布也显示出对KRAS-G12C阳性非小细胞肺癌和其他实体肿瘤患者的令人鼓舞的临床活性。其他针对RAS信号传导的间接策略依赖于筛选RAS依赖性生长抑制剂或特定细胞死亡诱导剂时识别的小分子。 铁死亡诱导剂erastin和RSL3对工程化RAS突变肿瘤细胞显示出选择性致死作用 。 RAS或其下游信号分子(BRAF、MEK和ERK)的遗传或药理学抑制逆转了erastin和RSL3的抗癌活性 ，可能是因为突变的RAS信号通过调节铁代谢相关基因(如TFRC、FTH1和FTL19)的表达丰富了细胞铁库。KRAS突变型肺腺癌细胞对SLC7A11抑制剂诱导的铁敏感；此外，在EGFR具有上游突变的非小细胞肺癌衍生细胞对铁死亡敏感。 这些临床前的发现支持了铁死亡的诱导可能是对抗致癌性RAS携带肿瘤的合适策略的观点 。

在临床前研究中，致癌RAS突变体(NRASV12、KRASV12和HRASV12)的异位表达降低了RMS13横纹肌肉瘤衍生细胞的铁死亡易感性，表明这些突变可能在特定情况下抑制铁死亡。此外，对117种癌细胞系对erastin的反应的分析揭示了RAS依赖和RAS非依赖铁死亡机制，这些试图破译使某些癌症易受铁死亡诱导的特定遗传特征的努力正在进行中。

在大约50%的人类癌症中，TP53是双等位基因突变或缺失的，导致野生型P53活性的丧失和肿瘤进展。所有人类癌症中最常见的六种TP53突变包括R175H(5.6%)、R248Q (4.37%)、R273H (3.95%)、R248W (3.53%)、R273C (3.31%)和R282W(2.83%)。众所周知， p53是一种转录因子，它与靶基因的启动子结合，然后激活或抑制基因合成 。例如，p53主动调节BBC3(也称为PUMA)和BAX的表达，以诱导凋亡。相比之下， p53介导的SLC7A11转录抑制促进癌细胞的铁死亡 。TP53改变(突变或多态性)改变了P53促进细胞凋亡和铁死亡的能力。p53 3KR (K117R，K161R，K162R)乙酰化缺陷突变株不能诱导细胞凋亡，但完全保留了诱导肺癌细胞系铁死亡的能力。另一个乙酰化缺陷突变体p53 4KR(K98R和3KR)和p53 P47S(一种位于p53 N端反式激活结构域的多态性)也不能诱导铁死亡。有趣的是，p53 R273H和R175H不能结合DNA，但仍然可以通过抑制其他转录因子的活性来抑制SLC7A11的表达，从而表明整合的转录因子网络控制了铁死亡主要调控因素的表达。

一些代谢相关基因，如SAT1、FDXR和GLS2，已被报道为在各种条件下负责p53介导的铁死亡的直接靶标，从而强调了p53在铁死亡中作为参与代谢的基因的调节剂的重要性。p53还具有通过直接结合二肽基肽酶DPP4来抑制人结直肠癌细胞中氮氧化物介导的脂质过氧化或通过诱导纤维肉瘤细胞中CDKN1A的表达来限制铁死亡的能力。DPP4抑制剂(如vildagliptin、alogliptin和linagliptin)用于降低2型糖尿病患者的血糖水平，并可能限制铁死亡激活剂的抗癌活性。 迄今发表的数据不仅暗示脂质过氧化是铁死亡的关键因素，而且单一p53靶基因或结合蛋白在铁死亡中的总体重要性可能是细胞类型特异性的 。此外，MDM2和MDMX这两种结合p53并调节其稳定性的蛋白质以与p53无关的方式促进癌细胞中的铁死亡，从而强调了铁死亡中p53的稳定性可能不依赖于来自MDM家族的蛋白质。Eprenetapopt和COTI-2都旨在重新激活突变型p53，目前正在应用于急性髓系白血病(AMLNCT03931291)和各种实体恶性肿瘤(NCT04383938和NCT02433626)；这些药物的临床活性可能与铁死亡有关。

NFE2L2是氧化应激信号的主要调节因子，在肿瘤进展中具有双重作用:NFE2L2活性不足可导致早期肿瘤发生，而NFE2L2高组成性活性可触发肿瘤进展和对治疗的抵抗。NFE2L2在癌细胞中的表达不仅受KEAP1介导的蛋白质降解调节，还受致癌信号通路(如KRAS-BRAF-MYC)的转录调节。临床前研究表明NFE2L2信号是抵抗铁死亡的重要防御机制，并与HCC细胞对索拉非尼的抗性有关。Sequestosome 1是一种多功能支架蛋白，可结合KEAP1，并防止其在癌细胞的铁死亡过程中结合新合成的NFE2L2。

NFE2L2通过反式激活铁代谢 (包括SLC40A1、MT1G、HMOX1和FTH1)、 谷胱甘肽代谢 (包括SLC7A11、GCLM和CHAC1) 和ROS解毒酶 (包括TXNRD1、AKR1C1、AKR1C2和AKR1C3、SESN2、GSTP1和NQO1)中涉及的几种细胞保护基因来 抑制铁死亡中的氧化损伤 。NFE2L2中的功能获得突变或KEAP1中的功能丧失突变进一步增加了氧化应激反应的复杂性，这反过来可能影响对铁死亡的抗性。NFE2L2对铁死亡抗性的贡献和NFE2L2抑制剂(如布鲁塞尔醇和葫芦巴碱)增强铁死亡的治疗潜力需要在临床前和临床研究中进一步探讨。

缺氧促进肿瘤形成和治疗抵抗。缺氧的主要调节因子——缺氧诱导因子包括一个氧不稳定的α亚单位(包括缺氧诱导因子1α、EPAS1(也称为缺氧诱导因子2α)和缺氧诱导因子3α)和一个组成型表达的β亚单位(ARNT)。在常氧条件下，缺氧诱导因子EGLN家族的成员将缺氧诱导因子1α和EPAS1羟基化，然后被E3泛素连接酶VHL识别用于蛋白酶体降解。在低氧条件下，羟化酶失活导致HIF1α和EPAS1积累并与ARNT形成异二聚体，从而诱导参与低氧适应和存活的基因转录。HIF1α和EPAS1表达在多种癌症类型中都升高，通常与患者预后不良有关.

在临床试验中，已经探索了使用小分子，如2-甲氧基雌二醇(NCT00030095)、BAY 87-2243 (NCT01297530)、PX-478 (NCT00522652)和PT2385抑制缺氧诱导因子信号的策略。在这些药物中，PT2385可以稍微提高转移性透明细胞肾细胞癌(RCC)患者的生存率，而长期使用PT2385会导致获得耐药性。在临床前研究中， 缺氧诱导因子似乎在调节癌细胞铁死亡中具有双重作用 。EGLN用于催化缺氧诱导因子羟基化，不仅是氧的铁依赖性传感器，也是半胱氨酸的铁依赖性传感器。铁螯合剂可能通过抑制EGLN的活性来提高缺氧诱导因子的稳定性。在HT-1080纤维肉瘤细胞中，缺氧诱导的HIF1α表达通过增加脂肪酸结合蛋白3和7的表达来抑制铁死亡，从而促进脂肪酸摄取并增加脂质储存能力以避免随后的脂质过氧化。相反，在肾细胞癌衍生的细胞中，EPAS1的激活通过上调HILPDA的表达而促进铁死亡，从而增加PUFA的产生和随后的脂质过氧化。相比之下，在肾细胞癌衍生的细胞中，活化的EPAS1通过上调HILPDA的表达促进铁死亡，从而增加PUFA产生和随后的脂质过氧化。因此，有效控制缺氧诱导因子介导的信号是维持脂质稳态以调控铁死亡反应所必需的。如果将肿瘤细胞中铁死亡调控蛋白基因的表达作为纳入/排除标准，临床试验中缺氧诱导因子抑制剂的使用可能会得到改善。

上皮-间充质转化(EMT)是上皮细胞失去与上皮表型相关的极性和细胞间粘附特性，并逐渐获得与间充质表型相关的迁移和侵袭能力的过程。在临床实践中，EMT被认为会产生癌症干细胞，导致转移性扩散并导致治疗耐药性。EMT介导的肿瘤转移和耐药性是由转录因子刺激的，如SNAI1、TWIST1和ZB1，它们都是肿瘤学中潜在的治疗靶点。除了限制大多数抗癌治疗的效果，EMT信号还可以促进铁死亡(图3)。人类癌细胞系和器官样细胞中的高度间充质样细胞状态与对铁死亡易感性相关。ZB1的高基线转录水平与细胞对铁死亡敏感性相关，部分归因于ZB1诱导的PPARγ的上调，PPARγ是肝脏脂质代谢的主要调节因子。EMT的积极调节因子蛋白LYRIC(也称为间粘附素)通过抑制GPX4和SLC3A2的表达来促进铁死亡。CD44依赖性铁内吞作用的增加促进了铁依赖性去甲基化酶的活性，从而促进了与EMT信号传导相关的基因的表达，从而使乳腺癌细胞对铁死亡敏感。来自这些临床前研究的数据表明， EMT可能赋予铁死亡治疗的敏感性 。

EMT的第一步涉及上皮细胞之间接触的中断。钙粘蛋白1介导的细胞-细胞接触据报道可防止铁死亡。相反，SNAI1、TWIST1或ZB1表达增加可恢复铁死亡敏感性。其他细胞粘附促进剂，如整合素亚单位α6和β4，也能保护体外乳腺癌衍生细胞不发生铁死亡。相比之下，参与HIPPO途径的转录因子(如YAP1和WWTR1(也称为TAZ，通常在发育过程中控制细胞数量和器官大小)的激活通过调节铁死亡调节剂(如ACSL4、TFRC、EMP1和ANGGPTL4)的表达促进癌细胞的铁死亡。总的来说，这些发现强调了理论上的使用铁死亡诱导药物特异性消除具有间充质样表型的癌细胞的可能性。

未完待续………………

为什么说RNA最可能是生命进化早期遗传信息的载体和具有催化功能的生物大分子？

长期以来，人们总以为只有核酸才是遗传物质，所以应该先有DNA；但其实和核酸一样，蛋白质的分子结构十分规则，而且也有螺旋结构。科学家长期研究后发现，蛋白质完全具备遗传物质的条件，能够贮藏、复制和传递生命信息。尤其是近年来生物学家发现，疯牛病、疯羊病的病原体是朊病毒，而朊病毒的本质就是蛋白质，可以自我复制。这无疑表明蛋白质也可以作为遗传物质。

RNA World假说的提出

针对上述悖论问题，争论一直不休，直到上世纪80年代两个著名的实验导致了一种新的假说被提出。

1982年，Colorado大学化学系T.R. Cech实验室在研究单细胞原生动物喜温四膜虫（Tetrahymena thermophila）时发现, 刚转录出来的“前体核糖核酸（rRNA）”，在一定条件下能够自发地催化其切割和剪接反应, 它切除一段核苷酸链, 再将切头两端连接形成成熟的rRNA分子, 从而导致自身长度的缩短。在此反应后会释放出一段由413个核苷酸组成的“插入序列（Intervening Sequence, IVS）”。这一过程显示RNA具有酶的催化功能，起催化作用的正是IVS，是前提rRNA中的自剪切内含子（Self-splicing intron）。然而, 成熟的RNA一旦形成，IVS的催化活性也随之丧失，因而自剪接内含子仍然不是一个真正意义上的催化剂和地道的酶。但它的的确确表现出了类似酶的功能，所以Cech等称之为“核酶（ribozyme）”。

此外，1978年，Yale大学的S.Altman在纯化大肠杆菌核糖核酸酶P（此酶是细菌和高等真核生物细胞内都有的一种tRNA处理酶，是RNA和蛋白质的复合体）时发现，其中一种RNA是细胞催化反应所必需的。1983年，他与N.R. Pace合作实验证明，在细胞环境里，核酸酶P为了在特定位点切开tRNA前体，既需要RNA也需要蛋白质。但是在试管里，RNA的亚单元单独就能在恰当的位点切开tRNA，而蛋白质却不行。第二年初，Altman利用一种重组DNA模板转录的核糖核酸酶的RNA亚单元去催化tRNA前提，发现能引起后者精确的突变。这项实验排除了复合体蛋白质污染的可能，从而清楚地证明RNA亚单元具有货真价实的催化功能。

后来，人们从不同生物中获得了数十种Ribozyme，有切割型的也有剪接型的，既能催化自身反应也能催化其它分子反应。此时，Ribozyme已被确认具有完全意义上的催化剂（酶）功能。Cech和Altman也因为此项极具轰动效应的发现分享了1989年的诺贝尔化学奖。

鉴于RNA既可以作为信息载体，又具有催化功能，换句话说就是既有DNA样作用又可以发挥蛋白质功能，人们自然会想到在生命起源之处最早出现的生物分子系统和遗传物质是RNA，而不是DNA或蛋白质。1986年，另一位因发明基因测序的诺贝尔奖获得者、Harvard大学的W.Gilbert在Nature（319:618）上正式撰文阐述这个话题，并首次提出了“RNA World”学说。

这一学说的中心是：在生命起源的早期阶段存在一个完全由RNA分子组成的分子系统，在这一体系中，系统的信息由RNA进行储存，一部分具有催化功能的RNA分子催化RNA自身信息的传递及RNA分子的自我复制；由于这一系统能够使信息得到储存及复制，所以这一系统能够生存并进化；最后，信息的储存由结构更加稳定的DNA分子代替，而催化功能由催化能力更强的蛋白质取代，从而形成了现代意义上的生命体系。随着一些新实验的验证和新现象的发现，“RNA World”假说在生物学领域内还是具有很高的影响力的，一般的著作甚至一些分子生物学教科书都把它作为确认的事实加以介绍。

其实这种思想实际上可以上溯到上世纪60年代。当时，美国Illinois大学的C. Woese、位于加州的Salk研究所的L. Orgel、以及发现DNA双螺旋结构的英国生物学家F. Crick都认为RNA是最早的生物本征分子，并且先后预言RNA可能具有催化功能。他们的这一认识是基于RNA在现有生物体内的普遍存在：我们知道在DNA的转录和翻译过程中，离不开信使RNA（mRNA）、核糖体RNA（rRNA）和转运RNA（tRNA）等3种RNA的参与，最后才有蛋白质的合成。此外，以RNA而不是DNA为遗传物质形式的病毒的发现，也表明这种设想的合理性和可能性。但当时由于未找到RNA催化的证据，这一想法沉睡多年，直到Cech和Altman的发现才公布于众。随后，RNA多功能研究才更多的走上了生物学家的实验台，反义RNA和RNA干扰技术（06年诺贝尔生理医学奖）的发现不能不说部分受益于此。

RNA催化的后期实验

随着RNA研究热潮的兴起，除了上面提到的Cech和Altman的工作之外，还有其它几项研究也是值得称道的。

1992年，美国生物学家Noller等用高浓度的蛋白酶K、强离子去污剂SDS以及苯酚等试剂处理大肠杆菌50S的大亚单位，去掉与23SrRNA结合的各种核糖体蛋白，结果发现得到的23SrRNA仍具有肽酰转移酶的活性，能催化肽链的合成；同时，Cech实验室也发现，氨基酸与tRNA间键的形成和断裂是由rRNA单独催化完成的；1995年，Colorado大学的M. Illangasekare等人研究发现，RNA（不是rRNA，也不需要氨酰tRNA合成酶）可以催化氨酰基的转移，且经过筛选，其反应速度至少增加105倍；同样是在1995年，Harvard大学的Szostak小组通过“试管内进化系统”发现了能够参与C-N键合成的Ribozyme（Nature,374:777）; 1998年，MIT的David Bartel小组的体外实验发现了一种能催化合成RNA的单体—嘧啶核苷酸 (Natuer,395:223)。他们的进一步研究还发现了一种核酶能够基于1条RNA模版合成第三条RNA。所以RNA能够基于1条RNA模版合成第三条RNA，也就是说，RNA能够复制RNA，使遗传信息得到传递，尽管所合成的第三条RNA的长度仅为14个核苷酸（Science,2001,292:1319）。

上述研究结果，都极大地丰富了RNA的化学内容，为RNA World学说提供了强有力的证据，表明早期生命活动可能主要是通过RNA的催化实现的。“RNA World”是生命出现早期的一个非常重要的时期，这一时期或许根本没有蛋白质和DNA的出现。

RNA World的另一个解释

前面曾提到病毒，这里就从病毒说起。病毒是非细胞形态的生命体，具有一个核酸分子(DNA或RNA) 与蛋白质外壳构成的核—衣壳结构。关于它的进化地位目前虽有争论。但引人注意的是以RNA为遗传物质的病毒，尤其是类病毒（仅由一个有感染性的RNA分子构成）的存在，是否也证明了RNA分子功能上的特殊性? 病毒是如何起源的？它与其它物种的起源有什么关系？如果单纯讨论病毒自身的进化,我们是否可以这样认为:先有类病毒,再演化为RNA 病毒,最终衍生为DNA 病毒？长期以来，这个问题一直困扰着进化生物学家。

长期以来有这样一种假说，该假说认为，病毒起源于细胞，病毒的基因来源于细胞基因，当细胞基因的小片段从细胞基因组上逃逸后，被蛋白包裹起来，就形成了病毒。当然，基于病毒的寄宿性，科学家有理由这样认为，因为病毒太简单了，离开了细胞他们就无法完成各种生命活动。

然而长期从事DNA复制机制研究的法国生物学家Patrick Forterre不这么认为，它在研究DNA复制中发现，病毒的DNA复制酶和复制机制不同于细菌以及真核生物。如果病毒起源于细胞，那么它和细胞DNA的复制应该是类似的。

与之相反，Forterre认为病毒处在物种进化的中心位置，并且其他物种的DNA都来自于病毒。他觉得RNA应该是最早的遗传信息的载体，在这期间形成了以RNA为基因组的类单细胞生物（被认为是除原核生物，真核生物，古核生物之外的第四种尚未发现的新物种）。由于RNA的不稳定，这些细胞的RNA极易形成小片段，这些小片段被蛋白质包裹起来，就形成了最初的病毒。这些病毒去侵染细胞，遭到细胞的抵抗，细胞产生出降解RNA的蛋白，来分解外来的RNA。这就是现在细胞降解外源RNA（RNAi）机制的起源。病毒也在进化，他们不断的修饰自己的基因组，使之由单链变成双链由RNA变成DNA，所以就更加稳定，抵御住了宿主的降解。然后这些病毒就在宿主内生活下去，由于DNA比RNA有更好的稳定性，所以就取代了宿主RNA，成为胞内唯一的遗传物质。所以，细胞DNA来源于病毒DNA，细胞核源于病毒。

这一假说遭到很多人的质疑，他们认为在DNA出现之前，不可能存在如此复杂的生命系统，所以Patrick Forterre假说的前体就不成立。不过Patrick Forterre说：这些人的说法和达尔文的进化论相悖，因为从RNA到DNA才体现出进化。

确实，从进化的角度似乎应该是先有RNA，后才出现DNA。除了上面的“蛋鸡悖论”和“RNA World”假说可以作为佐证之外，从纯化学角度考虑也是如此：1）RNA分子比较简单，只有一条链，DNA分子却很复杂，有两条链，按照进化规律，简单的分子总是最先出现；2）RNA分子中核糖的C2位上有羟基，较之DNA分子上的脱氧核糖，前者的化学性质很活泼，从而使得RNA链不稳定，按照从不稳定向更稳定的进化方向，也是RNA先出现才对。

事实上，Forterre的假说还是有一定合理性，今天的RNA干扰技术无疑就是对该假说的绝佳证明。但让人存在一些疑问：1）以RNA为基因组的类细胞系统存不存在？2）该假说为RNA向DNA的变迁提供了外来动力（抵抗宿主的降解），其内在机制又是什么？也就是说为什么单链的RNA变成了双链的DNA？3）RNA是如何实现向DNA的转变的呢？

对于第一个疑问的答案我们不得而知。对于第二点，一方面我们可以认为是前面提到的DNA分子的相对稳定性让大自然选择了它而摈弃了RNA，另一方面我们可以用加州Scripps研究所的Beier等人的实验结果来解释，他们在合成实验的基础上发现，RNA之所以在现在的生物体内以部分双链的形式存在，自然界之所以选择了RNA的双螺旋结构，是因为其兼具高的键合强度和好的柔韧性，这样可以更好的履行生命的职责（Science,1999,83:699）。而一旦RNA分子中的核糖被更稳定的脱氧核糖所取代，其自然会朝着双链DNA的方向进化，这是由化学内在机制决定的。

至于以RNA为遗传物质的早期生命如何将携带遗传信息的能力传给目前的DNA及将催化等功能移转给蛋白质等问题也一直缺乏有说服力的证据。特别是在功能方面，由于这取决于三维空间的排列方式，功能并无法如遗传信息般，可经由配对（base-pairing）方式有效实现DNA→RNA尤其是RNA→DNA（部分病毒内）那样的线性方式传递，造成生物分子间的功能传递机制始终不明。2006年，美国Scripps研究院的Gerald F. Joyce等人首先在R3C RNA（由57个核酸所组成的核酶）的基础上先合成相对应的DNA序列，当然这一合成的DNA序列并不具任何催化活性。然后通过体外活体进化技术（a process of accelerated in vitro evolution），研究人员成功地在试管中发现了一段具有和原始的核酶活性相当的DNA序列，这证明了以核酸为基础的遗传信息系统之间除了遗传信息可通过线性的方式传递，在一定次数的突变基础上，功能也可以同样的方式在两系统之间进行（Chemistry & Biology,2006,13:329）。第三个疑问也被解决了。

关于Gerald F. Joyce，这里再多说几句。他1978年毕业于美国芝加哥大学，1984年在UCSD获得博士学位，1985-1988年在Salk研究院做博后，1989起任Scripps研究院分子生物学系教授，研究领域包括RNA生物化学及通过体外进化技术开发新型RNA和DNA聚合酶。他对早期生命化学比较感兴趣，认为核酸是基因分子，其可以在试管中被扩大和突变。利用核酸作为催化剂和基因分子的双重性质，他的实验室设计发明了体外RNA分子直接进化技术，在试管中进化核酸聚合酶的速度最高可达到每天一百代，大大快于自然界速度。他们利用这种体外进化系统探索RNA的催化潜力，重点研究那些对自身有催化复制能力的RNA聚合酶。利用这种人工进化系统及选择和突变理论，Jocye揭示了新型RNA聚合酶可能在早期生命形成过程中扮演重要角色，向我们展示了从无生命的化学物质如何进化为生命体的过程。正是由于在该领域的杰出贡献，他于2005年获国际生命起源协会最高奖Urey奖。

Science上几篇用于RNA World及生命起源解释的研究论文

核糖体是将所有的生命中的遗传信息翻译成蛋白质的分子工厂，首次得到的原子分辨率的一个大的核糖体子单位(ribosomal subunit)的结构图展示了一些出人意料的细节，增强了对地球上生命起源的“RNA世界”模型的支持。

Yale大学长期从事核糖体研究的科学家Peter B. Moore和Thomas A. Steitz以及他们的同事们报告了来自嗜盐细菌Haloarcula marismortui上的一个大的核糖体亚单位的分辨率为2.4埃的完整的原子结构。这一亚单位包括两个核糖体RNA(rRNA)分子和31个蛋白质。这些研究人员发现rRNA域(domain)象核糖体中的3维拼图玩具的组成部分那样互琐，从而构成一个单一的实体。伴随的球状蛋白质在核糖体外部围绕着rRNA，有些蛋白质的奇形怪状的延伸进入到核糖体的实体中。但核糖体上的活性部位(active sites)—那些催化蛋白肽链形成的地方—只包括rRNA。核糖体蛋白质本身似乎不参与将遗传信息变成蛋白质的反应，它们的作用也许类似于粘土或砂浆，将关键的rRNA“砖”粘在一起。

这篇长达16页的工作以article的形式发表在Science上（2000,289:905-920）。另外，在作为姊妹篇同时发表的第二篇文章中（Science,289:920-930），他们指出，上述结构意味着核糖体实际上是一种核酶，既一个可以催化自身化学反应的RNA分子。这个大的核糖体子单位包括了一个从它和一个小的核糖体子单位的接触点到它后面的隧道(tunnel)，这个隧道是核糖体工厂“装配线”的主要出口，在更多的氨基酸被加上去后，它将多肽链不断地送出。在隧道的入口处一个深的裂缝的底部是肽链形成的活性部位，研究人员在这里仔细观察了这个全RNA域的催化性能。

这些核糖体上的部位是从哪里、怎样获得催化能力的？在同一期上Science上还刊载了同在Yale大学分子生物物理与生物化学系工作的Gregory W. Muth的一篇文章（Science,289:947），根据嗜盐细菌的研究者Gregory W. Muth及其同事对大肠杆菌(E. Coli)核糖体的活性部位的相应工作，rRNA上一个似乎所有活着的物种都保留下来的位置上的单一核苷酸碱基，具有正合适的酸碱性质从而能做肽键形成的质子的供体和受体。这些核糖体中RNA的独立和主角的作用可能进一步支持了地球上的生命起源于RNA的观点，因为RNA是一个即能存储遗传信息又能催化反应来繁殖其它分子的分子。

针对上述3项结果，最早发现ribozyme的Thomas R. Cech发表了他的perspective，讨论了这些发现以及RNA世界的可能性（Science,289:879）。
说了这么多，也该回到开篇提到的有关“核糖开关”的文章了。一些细菌能够四处“游动”，变形成新的形态，有时甚至变为剧毒性的，而所有这一切并不需要DNA的参与。鉴于RNA功能多样性的诸多发现，人们很自然会想到是它在作祟。那么，RNA是如何调节基因的呢？ Ronald Breaker（又是Yale大学的，不过隶属Howard Hughes医学研究所）和同事发现，仅有两个核苷组成的名为cyclic di-GMP的RNA分子能够激活一个更大的RNA结构——核糖开关（riboswitch）。核糖开关能够调控大量的生物活性，它们位于信使RNA的单链上并传输DNA的遗传指令，能够独立决定该激活细胞里的哪些基因，而这曾被认为是蛋白质独有的能力。Breaker实验室已经用化学方法制造出了核糖开关。而自2002年以来，已经发现了大约20种天然的核糖开关，其中大部分都藏在DNA的非基因编码区。此次研究有助解释与生命起源有关的问题。也就是说，数十亿年前，包含RNA的单链核苷可能是生命的最初形式，执行了目前由蛋白质完成的一些复杂的细胞功能。Breaker认为，核糖开关在细菌中高度保存，表明了它们的重要性和古老血统（Science,2008,321:411）。

再说RNA World假说

在生命起源中，RNA先发生的学说能够被科学界更多的学者所接受，得益于上述关于RNA功能多样性的发现。但是要想真正地证明RNA是最早发生的遗传物质，还存在很多的问题，最大的问题是，要想在模拟原始的条件下合成RNA非常困难。Joyce也认为这是“RNA World”假说中最薄弱的环节（Science,1989,246:1248）

前生物合成实验表明，在原始地球上，当诸如水蒸气、CO2和N2等气体分子遇上闪电或太阳紫外线照射时，可以生成大量氢氰酸和甲醛等，它们进一步反应则得到碱基。但是，进化没有明显的理由从大量同分异构体和结构类似的产物中选择这些碱基、还有核糖，而且还能形成指定的结合方式和完美的序列结构。

这甚至让人怀疑是一只“上帝之手”在秘密操控着这一切。1974年的诺贝尔生理医学奖获得者Christian de Duve即认为“RNA World”太复杂很不可思议。在其1991年所著的Blueprint for a Cell一书中，de Duve提出了一个更古老的思想：生命起源于某种原始的新陈代谢。他认为早期地球上随意发生的化学反应可能已经产生出大量的多肽，它的周围存在许多其它有机分子；许多这样的化合物具有天然的催化性，它们一旦形成，能选择性地控制原始化学反应；于是某些物质的浓度会优先增加，然后依次开始催化更进一步的反应；众多的使催化剂和反应产物相互联系的网络将减少副反应，从而提供一种非遗传的自然选择模式，而这些被选出的催化剂正式今天生物体内一些酶的原始祖先。de Duve的这一系统假说实际上跟我前面博文中提到的不对称自催化以及Wachtershauser的化学自养学说是一致的，后两者甚至可以说是给de Duve的“细胞蓝图”假说提供了实验证据。然而，de Duve自己也承认，在实验室中关键步骤一个也没被证明。

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