你好，我是王立铭。2021年9月6日，第31期《巡山报告》又和你见面了。
在这期《巡山报告》里，我将重点为你介绍两项生命科学研究成果。这两项研究都和核酸分子，也就是DNA和RNA有关，而且听起来都挺“科幻”的。
第一项研究发表于2021年7月29日的《自然-生物技术》杂志，成果来自清华大学生命科学学院的朱听实验室。这项研究里，科学家利用镜像生物学技术，把人工合成的自然界完全不存在的DNA分子变成了信息存储甚至是加密存储的工具。
用DNA序列存储信息是一个拥有很长的历史的概念。道理不难理解。DNA分子无非是A/T/C/G四种碱基分子按照某个特定顺序首尾相连形成的链条。在生物体内，这条长链按照三个相邻的碱基对应一个氨基酸分子的方式记录蛋白质分子的信息，指导蛋白质分子的生产。
那么类似的，只要设计出一套信息编码方案，理论上就能用DNA分子编码任何信息。比如，两个相邻的碱基分子一共有4X4=16种组合，足以编码0-9十个阿拉伯数字。我们可以规定，AA对应0、AC对应1等等。类似的，三个相邻的碱基分子一共有4X4X4=64种组合，足以编码26个英文字母，我们可以规定AAA对应字母A、AAC对应字母B等等。这样，我们就可以把数学公式和英文文章写成DNA序列。
2017年，甚至有科学家把人类1878年拍摄的一段马匹奔跑的电影，写成了DNA序列，并存储在了细菌当中。技术逻辑是类似的。把电影拆分成许多静态图像，每张图像再拆分成许多个像素点，每个像素点对应一个特定的灰度值，这样一来，电影就被拆解成了一长串数字的排列。按照上面的方法把这段数字写入DNA序列，然后化学合成一段DNA分子，再转入细菌就可以了 [1]。
用这种方法存储信息，除了听起来比较科幻之外，确实也有几个潜在的好处——
首先，信息的存储和读取分别可以靠DNA的化学合成和DNA测序技术来解决，而两者的成本都在飞速降低，降低速度还超过了计算机领域著名的摩尔定律。
其次，DNA分子作为信息介质，存储密度远远大于人类基于电磁技术制造的存储工具，比如硬盘、U盘、磁带等等。毕竟，DNA分子存储一个比特的信息只需要几个碱基分子。
此外，以DNA形式存储的信息复制起来非常方便。比如上面提到的那个DNA存电影的研究，一旦把记录电影信息的DNA转入细菌体内，细菌每一次分裂繁殖都会把DNA分子忠实的复制一份。人们只需要时不时加一点便宜的营养液，细菌就能替我们实现信息的指数级复制。
那么，“镜像DNA”又是从何说起呢？
这又是另一个科幻的话题。地球生物体内部有许多重要的生物大分子，比如DNA、RNA、蛋白质等。这些生物大分子的组成单元，比如组成DNA的脱氧核糖核苷酸、组成RNA的核糖核苷酸、组成蛋白质的氨基酸，都拥有不对称三维结构。就拿氨基酸分子来说，它的基本结构可以被看成是一个不对称四面体，中心是一个碳原子，上面连着四个化学基团。这就意味着，在三维世界里，理论上应该存在一个和它化学构成完全一致，但三维结构正好镜像对称的“镜像”分子。
打个比方说明一下：就像我们的两只手，大小、形态，甚至是肤色、皮肤质地、掌纹指纹都是高度相似的。如果把两只手相对放在一起，那左右手恰好就像在彼此照镜子一样。生物大分子也是一样的，有左手DNA就有右手DNA，有左手蛋白质就有右手蛋白质。
有意思的是，目前（迄今为止）我们所知的所有地球生物都有非常严格且专一的“手性选择”。比如，它们都选择而且只选择了右手DNA和左手蛋白质来构造生命活动。细胞内部所有的配套设施统统都以此为基础。
但既然生物大分子都是镜像对称的，按理说，生命活动选择当左撇子还是右撇子，在物理学和化学的层面上是没有任何区别的。换句话说，镜像世界里的生物，比如使用左手DNA和右手蛋白质的生物，理论上是完全可以存在的。现今所有地球生物的手性选择，可能只是进化开端的一次偶然。
既然如此，就有很多人幻想能在实验室里人工制造一个镜像生物，至少是一个镜像细胞出来。从原理上说，这肯定能做到，但技术上难比登天。因为这种想象中的镜像生物体内所有的生物大分子都和地球生物都不同，无法用现成的生物材料，只能在实验室里人工制造。也就是说，要制造一个镜像生物，得人工把这个生物所需的所有生物大分子都合成和组装起来才可以。这个任务至少在目前（2021年9月）还是科幻级别的。
但朝着这个方向，已经有不少激动人心的进展在发生。
比如在2016年，清华大学的朱听实验室就在实验室里走出了镜像生物世界的一小步。他们人工合成了一个由174个右手氨基酸组成的镜像蛋白质——一个小型的DNA聚合酶。然后又用这个镜像世界里的DNA聚合酶，生产了一小段镜像世界里的左手DNA分子，由几十个碱基组成。换句话说，他们初步证明了，镜像生命的一个重要的功能——DNA复制——是可以实现的 [2]。
刚刚（2021年7月）发表的这项研究，朱听实验室进一步把镜像世界的DNA复制过程推进到了实用的水平。
这一次，他们人工合成了一个由775个氨基酸组成的大号右手蛋白质，也是目前人类合成的最大的镜像蛋白质——Pfu DNA聚合酶。相比2016年那个版本，这个新的镜像DNA聚合酶在复制能力和准确度上都有本质的提升，能够准确地复制上千个碱基组成的镜像DNA分子。考虑到地球生物体内大部分的基因就是这个长度，也就是说，它们这套新的镜像DNA合成系统已经足够未来的镜像生物使用了。
那这套镜像系统是不是也能用来存储信息呢？
当然可以。研究者们干脆把法国生物学家路易斯·巴斯德在1860年的一段学术论文，也是第一篇提及镜像生物学的论文，写入了镜像DNA分子当中。原理大致和上面提到的类似，这里就不再展开了。
当然，你肯定会问：既然天然存在的右手DNA就能存储信息，为啥要这么麻烦的使用左手镜像DNA呢？
研究者们给出了两个非常有意思的理由：
第一个理由是，信息存储的稳定性。
地球生物都能制造切割天然右手DNA分子的酶。如果DNA分子在存储环境里遇了这些酶，就会被逐渐切割破坏。而左手镜像DNA就不一样了，地球生物前所未见，根本不会被地球生物识别和破坏，因此稳定性大大提高。
研究者还做了一个对比，把人工合成的左手DNA和天然的右手DNA分别放到采集到的环境水样本里，天然右手DNA分子一天之后就检测不到了，而镜像左手DNA分子一年后还能稳定存在。
第二个理由就更有意思了，镜像左手DNA分子还能用来给信息加密。
研究者设计了一个有趣的系统：他们把巴斯德的那段学术论文用天然右手DNA编码存储，等于是明码信息。同时，又把破解信息的秘钥（简单来说就是一串数字，用来告诉对方这段文字里哪些位置上的字母应该挑出来读。根据秘钥的提示，把挑出来的字母拼在一起，就是一段新的信息）存在一小段镜像左手DNA里，然后把这些DNA混在一起。
假设这管DNA在非常时期被当成鸡毛信秘密传递出去了，万一被敌人截获，就算敌人知道信息写在DNA序列上，也只能给天然右手DNA测序，然后发现，哦，原来就是一段平平无奇的学术论文。只有我方才知道，信息秘钥其实写在镜像左手DNA上，通过特殊的测序方法读取秘钥 [3]，就能解读出被加密的信息。
当然，在我看来，这项研究更重要的价值还是在基础生物学领域内。
研究者们第一次建立了一套有实用性的镜像DNA复制系统，能够实现大多数镜像基因的准确复制。这为我们重建整个镜像生物世界打开了大门。也许在不远的将来，我们就可以在试管里实现镜像生物世界里的“中心法则”——镜像DNA分子编码基因，指导镜像RNA分子的转录、镜像蛋白质的生产；甚至，逐步逼近镜像细胞的制造。
这个研究的理论意义和应用价值，我觉得都会有无穷的想象空间。
本期巡山要讨论的第二项研究，是一种新型的RNA投送系统。
RNA投送系统，听起来很不好理解。但实际上在过去这1-2年，我们没少在新闻上看到它，有好几种新冠疫苗的开发都离不开它。
这里简单做个回顾：
在新冠疫苗的研发上，有一个广泛使用的思路，就是把一段编码新冠病毒表面刺突蛋白的DNA或者RNA分子送入人体细胞，让人体自己生产新冠刺突蛋白，直接诱发针对这种蛋白的免疫记忆。这样一来，当真正的新冠病毒入侵之后，人体免疫系统就可以快速识别它表面最显著的特征，也就是那个刺突蛋白，并加以消灭。
欧美各国广泛使用的由德国BioNTech公司和美国辉瑞公司联合开发的RNA疫苗、美国Moderna公司开发的RNA疫苗，都是这个原理。国内的康希诺公司、英国的阿斯利康公司、美国的强生公司，分别开发上市的腺病毒载体疫苗，也是类似的逻辑 [4]。
这两类疫苗的区别在于，用什么方法把编码刺突蛋白的核酸分子送入人体细胞——
RNA疫苗是直接把编码刺突蛋白的RNA分子送入人体。但RNA分子很不稳定，而且容易引起人体免疫系统的过度反应，因此两家公司除了对RNA分子进行化学修饰以降低毒性之外，还用脂质纳米颗粒把RNA分子包裹了起来。进入人体之后，这些纳米颗粒能够和人体细胞膜融合，将内部的RNA分子释放进入细胞，在那里指导新冠刺突蛋白的生产。
而腺病毒载体疫苗的投送方法有所不同。研究者们使用了某种天然存在的、能够感染人体细胞的病毒，把编码刺突蛋白的DNA片段放进病毒当中。注射疫苗后，这些腺病毒感染人体细胞，就会将病毒内部包裹的DNA输送到人体细胞中，编码刺突蛋白的DNA片段就可以开始工作了。
两套投送系统理论上都有很高的工作效率，新冠RNA疫苗和腺病毒载体疫苗也都已经在不少国家广泛使用了 [5]。但两套系统也都有自己的问题——
对人体来说，纳米颗粒投送系统本身就是一个外来的入侵者，会引发比较严重的免疫反应。这可能也是RNA疫苗整体不良反应比例比较高的原因之一 [6]。而且，脂质纳米颗粒的开发生产也不容易，纳米颗粒的化学构成、批量生产、质量控制都是门槛很高的工作 [7]。
相比之下，腺病毒作为天然存在的投送系统，开发难度不大，但也有自己的麻烦——人类社会中，很大比例的人或早或晚都被腺病毒感染过，因为这类病毒是引发感冒和其他呼吸道传染病的常见病毒。这样一来，很多人已经带有了对这类病毒的“预存免疫”。再打腺病毒载体疫苗的话，可能还没等投送系统把编码刺突蛋白的DNA送入人体细胞，这些载体就已经被人体免疫系统消灭了。这当然会影响疫苗的效果。
本期巡山要介绍的这项研究提出了一种全新的RNA投送系统。接下来，这套系统也许能用来开发新一代的新冠疫苗，以及更多种全新的病毒疫苗。这篇论文在2021年8月20日发表于《科学》杂志，研究者们来自美国布罗德研究所张锋实验室 [8]。
这项研究的起点很有意思。科学家们早就知道，人类基因组上有很多所谓的逆转录元件，总长度占到了人类基因组DNA总长度的8%。这类DNA序列，可以被看成是真正意义上的“自私的基因”。对于人类来说，它们绝大多数都没有什么生物学功能，少部分还会带来疾病。在人类繁殖过程中，这类逆转录元件会借机疯狂复制和繁殖。而且，这些逆转录元件不光能在同一个细胞内实现自身的复制繁殖，在极少数情况下，还能实现细胞之间的“穿越”，在更多细胞中扩增。
经典的例子就是神经细胞中的Arc基因。Arc就是一个逆转录元件，除了能在细胞内部通过逆转录方式复制繁殖之外，还能自己制造一个蛋白质外壳，内部包裹一些 Arc RNA 分子，形成一个类似病毒颗粒的结构。这些类似病毒的颗粒能够进入临近的细胞，释放内部的 Arc RNA，重新开始新一轮的逆转录和繁殖复制。
结合刚刚咱们讨论的内容你应该很容易想到，Arc其实就是一个天然的RNA投送系统。你看，同一段Arc基因，一方面能生产Arc蛋白质分子，组装出类似病毒的微型颗粒；另一方面，还能生产 Arc RNA，并把这些 Arc RNA 装入类病毒颗粒内部保护起来。然后，这种颗粒还能离开细胞，入侵新的细胞，并在那里释放出内部的RNA。
如果这套系统能进一步优化，提高投送效率，同时能够自由投送各式各样的RNA分子，那这套投送系统是有很广阔的应用空间的。
于是，研究者们就在小鼠和人类基因组里做DNA序列分析，试图寻找更多类似Arc的逆转录元件。很快，他们把焦点锁定在了一个叫Peg10的逆转录元件上。这个Peg10和Arc的基因序列相似，也能形成类似病毒的微型颗粒，产量还要远远高于Arc。而且和Arc一样，也能在内部包裹自己的RNA（Peg10 RNA）。
在这个基础上，研究者们做了两个重要的技术改进——
首先，他们想看看这套系统能不能投送除了自己的RNA之外的RNA。结果证明，是可以的。关键在于，需要在想要投送的RNA序列两端连上一段特殊的不编码蛋白质的核酸序列。你可以把这段多加上去的核酸序列看成是Peg10微型颗粒的“船票”，只有看到这段序列，Peg10才会把RNA分子结合并包裹起来。
其次，研究者们还引入了除蛋白外壳和内部RNA分子之外的第三个元件——水疱性口炎病毒的包膜蛋白VSVg，它能够促进细胞膜融合，帮助这些类病毒颗粒进入新细胞。
刚刚我的描述有点太细节了，可能不好理解，我们可以通过结果来反推一下——
在这三个元件同时工作的时候，人体细胞会生产出一批非常类似病毒的微型颗粒。这些微型颗粒可以分成三层：最内部是一段RNA分子，可以是人们想要投送的任何一段RNA。中间是Peg10蛋白质分子组成的蛋白质壳，紧紧包裹和保护内部的RNA。最外部是一层脂质膜，膜上镶嵌着包膜蛋白VSVg，帮助这些微型颗粒识别、结合和入侵更多的人体细胞。
值得注意的是，研究者还发现，把来自病毒的VSVg替换成一个人体细胞本来就生产的蛋白质SYNA，还能进一步降低这些微型颗粒引起过激免疫反应的概率。
这套由三个元件构成的RNA投送系统被研究者们命名为“SEND”，就是“投送”的意思。研究者们证明，这套系统能够随心所欲的装入想要投送的RNA分子，高效率的进入大量细胞内部，然后在细胞内部启动新蛋白质的生产。
可以想象，这套系统的应用空间是非常广阔的。
首先，疫苗开发当然是一个方向。
SEND系统能起到类似RNA疫苗的脂质纳米颗粒，以及腺病毒载体疫苗的腺病毒载体的作用，将一段RNA，比如新冠病毒的刺突蛋白基因，送入人体细胞内部，激发免疫反应。相比现有的系统，SEND系统的一大优势在于，它的外层和中层都是人体原有的蛋白质构成的，引起人体过激免疫反应的可能性就大大降低了，相应的，可能也会降低疫苗不良反应出现的概率。
除此之外，这套系统应该也能用来开发基因治疗和基因编辑药物。
传统上，在基因治疗的临床探索中，不管是投送一段基因序列进入人体细胞，还是投送一套编辑基因的工具进入人体细胞，脂质纳米颗粒或者病毒仍然是最常用的两类投送工具。
比如2021年7月，Intellia公司开发的基因编辑药物NTLA-2001公布了初步临床数据。它通过脂质纳米颗粒将一套基因编辑工具投送到肝脏细胞中，破坏其中一个名叫TTR的基因，能够治疗一种名叫“转甲状腺素蛋白淀粉样变性”（ATTR）的罕见遗传疾病 [10]。
另一家基因治疗领域的先驱——Editas公司，开发的一款治疗先天性黑蒙（LCA）的基因编辑药物，是通过一个病毒载体把基因编辑工具投送到人的眼睛深处，改变视网膜细胞中的某个特定基因。这款药物也在2020年初开始人体试验 [11]。
这套新出现的SEND系统应该也能在基因治疗领域有自己的用武之地。特别是考虑到它的组成元件全部来自人体自身，人体的耐受程度、不良反应的严重程度可能都会比上面说的两类现成技术有优势。而且，这套系统还有进一步优化拓展的空间。比如刚刚提到的Arc系统，这套在神经系统内部天然存在的递送系统，也许未来能帮助我们开发专门用于治疗脑部疾病的基因药物。
除了两项非常科幻的研究之外，还有两项和人类健康有关的研究我认为也值得一提。但是因为篇幅所限，这里我只好简单说说——
第一项研究发表于2021年7月30日的《科学》杂志 [12]。来自美国宾州大学医学院的科学家们发现，让小鼠过量表达一个名叫TSLP（胸腺基质淋巴细胞生成素）的蛋白质，会让小鼠更不容易发胖、血脂降低、脂肪肝减轻、血糖改善。
一个蛋白能让老鼠减肥，这本身没什么奇怪的。但这项研究的独特发现在于，这些老鼠并没有少吃，也没有多消耗热量。研究者们注意到，这些小鼠的皮毛总是油光发亮，越来越油腻。专门分析了小鼠的毛发之后他们才意识到，这些小鼠之所以会减肥，是因为小鼠的皮脂腺分泌了大量的脂肪，通过这个途径把多余的热量排出了体外。
这是一个从未被想到过的减肥新途径。传统上一说到减肥，人们想到的无非是“管住嘴，迈开腿”，一条是少吃，一条是多运动、多消耗；而这项研究提示我们，还有一个新思路也许可以考虑，那就是让多余的脂肪通过皮脂腺释放出来。
另一项研究发表在同一期的《科学》杂志。以色列希伯来大学的科学家发现，小鼠在衰老过程中，一个负责促进血管新生的信号分子——血管内皮生长因子（VEGF）——的浓度会持续降低。因此推测，这个分子可能是驱动衰老的原因之一。
为了证明这个猜想，他们反过来在小鼠肝脏里人为提高了VEGF的活性，发现小鼠的年龄提高了差不多40%。这是一个非常惊人的提升，相当于人类平均寿命从80岁提高到了110多岁 [13]。相比之下，之前被广泛认为最有效的延长寿命的手段——饮食控制，在小鼠模型里的延寿效果也不到30% [14]。
重要的是，不光活得长，这些小鼠的整体健康情况也有系统性的提升。比如，内脏脂肪变得没那么多了、皮下脂肪变得没那么少了；肝脏、肌肉、骨骼、免疫系统也都更年轻了；得肿瘤的可能性也降低了。也许在未来，重塑血管系统会成为人类抵抗衰老、永葆青春的方向之一。
这就是本月的《巡山报告》。下个月6号，我继续为你巡山。
参考文献
[1]https://www.nature.com/articles/nature23017
[2]https://www.nature.com/articles/nchem.2517
[3]https://www.cell.com/cell-chemical-biology/fulltext/S2451-9456(18)30219-8
[4]https://www.nature.com/articles/s41586-020-2798-3
[5]https://www.nytimes.com/interactive/2020/science/coronavirus-vaccine-tracker.html
[6]https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.03.04.430128v1
[7]https://www.science.org/content/blog-post/rna-vaccines-and-their-lipids
[8]https://www.science.org/lookup/doi/10.1126/science.abg6155
[9]https://ir.intelliatx.com/news-releases/news-release-details/intellia-and-regeneron-announce-landmark-clinical-data-showing
[10]https://www.nature.com/articles/s41587-020-0493-4
[11]https://www.science.org/doi/10.1126/science.abd2893
[12]https://www.science.org/lookup/doi/10.1126/science.abc8479
[13]https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3299887/
狗仔卡
发表于 2024-10-25 06:26 PM
提升卡
置顶卡
沉默卡
喧嚣卡
变色卡