“重磅炸弹”改写教科书!斯坦福科学家揭示一种全新类型的生物分子广泛存在

▎药明康德内容团队编辑

5月17日,顶尖学术期刊《细胞》上线了一篇研究论文,科学家们在这篇文章里向我们描述了一项令人惊讶的发现:各种细胞的表面,分布着一类过去无人知晓的新型生物分子——糖RNA(glycoRNA)
领衔这项研究的是斯坦福大学知名化学生物学家Carolyn Bertozzi教授。她指出:“这项惊人发现表明,细胞中存在着我们完全未知的生物分子途径,这无疑是颗重磅炸弹。”
糖RNA指的是糖基化的RNA分子,以一小段核糖核酸(RNA)为支架,上面连着聚糖(glycan)。长期以来的认知中,糖基化修饰会发生在各种脂质和蛋白质分子上,形成糖脂和糖蛋白。动物、植物和微生物细胞中广泛存在糖脂和糖蛋白,为生命中各种必不可少的过程做出了贡献。举个最常见的例子,我们的血型就由包裹在红细胞表面的糖脂决定。
然而很少有人想到,RNA分子也是糖基化的主要对象之一。这是因为,大多数类型的RNA分子存在于细胞核和细胞质中;而聚糖则不同,来自与细胞膜结合的亚细胞结构,糖蛋白和糖脂都位于细胞表面。用Bertozzi教授的话说:“如果你相信教科书,RNA和聚糖活在两个不同的世界中。”
这项新研究则颠覆了教科书上的既有认识。

本研究的通讯作者之一是糖基化修饰领域的专家Carolyn R. Bertozzi教授(图片来源:斯坦福大学官网)

在糖基化修饰的领域,Bertozzi教授是当之无愧的专家。她开发了很多工具来阐明糖结构在细胞中的重要作用,年仅33岁时就因此斩获“麦克阿瑟天才奖”。
在寻找糖RNA的过程中,Bertozzi教授开发的“生物正交化学”(bioorthogonal chemistry)技术大显身手。这种技术可用于在活细胞活组织上进行化学反应,同时不会干扰细胞天然的生物化学过程。简单来说,一种常用方法是将不显眼的化学报告分子连到生物分子上,当这些生物分子进行特定反应时则会发光。
研究人员用化学方法给许多不同的聚糖配备了发光基团,用来观察糖结合了什么生物分子,以及与糖结合的生物分子在细胞上或细胞内的定位。经过反复尝试和探索,研究人员注意到一种带标记的聚糖分子不断出现。最终他们发现,细胞表面,有一类保守的非编码RNA带有富含唾液酸结构的聚糖

细胞表面的三种糖基化修饰分子:糖蛋白,糖脂和新发现的糖RNA,它们帮助细胞相互交流(图片来源:参考资料 [1];Credit:Ryan Flynn)

在人类细胞中找到了糖RNA的存在后,研究人员又继续在其他细胞中进行了搜索。结果,从人类到小鼠、仓鼠、斑马鱼的不同生物体,所测试的细胞类型中都发现了糖RNA。也就是说,糖RNA的存在十分普遍,暗示着它们可能具有某些重要的基本功能。“糖RNA可能有古老的起源,也许在地球生命的诞生中发挥了某种作用。”Bertozzi教授解释说。
至于这些新发现的糖RNA有什么功能,将会是后续研究中值得探索的问题。有一些迹象表明,某些被糖基化修饰的RNA分子可能与免疫信号的传递有关,或许可以为理解自身免疫疾病打开新的大门
2019年,当Bertozzi教授的研究团队将初步发现发布到预印本服务器上,糖基化修饰RNA分子的可能性就曾引爆大量关注。《科学》期刊评论说,“这个发现可能改变生物化学的面貌,如果它能被确认的话……”而现在,这篇论文的正式发表,意味着这一惊人的发现得到了确认。
参考资料:
[1] Ryan Flynn et al., (2021) Small RNAs are modified with N-glycans and displayed on the surface of living cells. Cell. Doi: https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.04.023
[2] Stanford researchers make 'bombshell’ discovery of an entirely new kind of biomolecule. Retrieved May 18, 2021 from https://news.stanford.edu/press/view/39564
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