专访戚益军：只有积累才能使偶然成为可能

　　

“很多有意思的研究发现是偶然的，但只有积累才能使偶然成为可能。对于一个研究者来说，能心无旁骛的专注于自己感兴趣的研究，是一件很幸运的事情。”
                                                             ——NIBS高级研究员戚益军

 

（戚益军研究员，图片来源：戚益军）

   自06年回国迄今近六年的时间里，戚益军研究员所领导的研究组就已在Cell，Molecular Cell，Genes & Development等刊物上发表了多项重要的研究成果，取得了多项突破性发现。对此戚益军博士淡然地表示：“我希望我们实验室的研究能对我们所在领域有原创性的贡献，并被同行所认可。研究结果能发在好杂志当然值得高兴，但这不是我们所刻意追求的。”

   戚博士还表示：“我们实验室的所有研究都集中在植物小分子RNAs的作用机理和功能，通过持续不断的努力就会有些积累。很多有意思的研究发现是偶然的，但只有积累才能使偶然成为可能。对于一个研究者来说，能心无旁骛的专注于自己感兴趣的研究，是一件很幸运的事情。我实验室的同学们时时和我分享他们实验中的起起落落；对他们，我心怀感激！”

   近期这一研究组又在Cell杂志上发表文章，报道了一类在DNA双链断裂（double strand breaks, DSBs）修复中起重要作用的新型小分子RNA，这是戚益军研究组植物小分子RNAs积累研究的又一突出成果，是DSB修复机理认识上的一个突破性新概念。为了更深入的了解这一成果，以及这一研究组一路走来的故事，生物通特联系了戚益军老师，就相关问题请教了他。

新型小分子RNAs：diRNA

   小分子RNAs（small RNAs）是一类动植物细胞内自然产生的非编码RNAs，这种个头不大的分子涉及到了众多生物学过程，比如调控发育和细胞功能，抵抗病毒侵染，以及染色质修饰等等。而戚益军研究组最新的研究论文则发现了一类在DSB修复中起重要作用的小分子RNA。

   他们将这种RNAs命名为DSB诱导小RNAs(DSB-induced small RNAs, diRNAs)，diRNAs大小为21个核苷酸，在拟南芥和人类细胞中都存在，是DSB修复必需的小分子。戚博士说：“这一发现为DSB修复信号通路加入了一种全新的RNA组分。”

   这项研究发现diRNAs的生物合成需要PI3激酶ATR、RNA聚合酶IV (Pol IV)和Dicer-蛋白的参与。这些因子和Pol V突变可显著降低DSB修复效率。此外，研究人员还证实在拟南芥中diRNAs是通过Argonaute 2 (AGO2)招募而参与调控DSB修复的。在人类细胞中，研究人员证实敲除Dicer和Ago2可抑制DSB修复。

   很多研究表明DSB的发生能触发断裂DNA周围组蛋白的一系列修饰，这些组蛋白修饰可以帮助DSB的有效修复。研究人员推测diRNAs可能作为向导分子，通过其结合的蛋白AGO2，特异性地招募组蛋白修饰酶类或染色质重塑复合体至DSB位点，通过对DSB周围染色质进行修饰从而促进DSB的修复。diRNAs的另一种可能作用机理是，diRNA/AGO2复合体直接与DSB修复蛋白互作并将其招募至DSB位点介导修复。“我们现在正通过实验验证这两种可能的作用机理”，戚博士表示。

   DNA双链断裂（DSB）对于生物机体影响重大，是真核生物基因组后果最严重的损伤之一，与癌症在内的多种疾病密切相关。这项最新研究不仅发现了diRNAs这种在DSBs修复中扮演重要角色的因子，而且解析了其部分作用机理，这无疑对于DSBs修复具有重要意义，未来diRNAs也有可能被利用作为药物开发的新靶标。不过戚博士也解释道，“目前，我们对diRNAs的认识还处于起始阶段，讨论它们的临床应用可能为时尚早。”

DiRNA的更深入探索

   这项研究不仅在植物拟南芥中证明了diRNAs参与了DSB修复，而且在人类细胞中也证实了其保守性，那么在原核生物中是否也存在这种小分子呢？它是否还具有其它作用呢？

   对此戚博士指出，“DNA损伤的应答与修复的一些基本过程在原核生物和真核生物中是高度保守的。我们在植物和人细胞中的研究表明，diRNAs的产生和作用分别依赖于经典RNA干扰通路中的两类蛋白，Dicer（负责把长双链RNA加工成小分子RNA）和Argonaute（AGO, 负责结合小分子RNA以实现其功能）。原核生物不具有经典的RNA干扰机制，但近几年发现在原核生物里存在一种类似于RNA干扰的所谓CRISPR系统，主要用于防卫外源入侵的DNA。因此，原核生物很可能没有和diRNAs产生和作用机制完全一样的小分子RNAs，但我们不能排除在原核生物中有类似于diRNAs的小分子RNAs的存在。”

   “diRNAs是特异性地由DSB所诱导的，因此我们推测这些小分子RNAs很可能只在DNA损伤修复过程中起作用。DSB修复是一个复杂的生物学过程，涉及DNA复制、染色质修饰和细胞周期调控等诸多事件，所以diRNAs可能会直接或间接参与这些生物学事件。diRNAs的发现为研究DSB修复机理提供了一种全新的思路， 很多有意思的可能性有待进一步的研究去阐明。”

   在2009年，一组研究人员在脉孢菌中发现了一类受DNA损伤诱导、主要来源于rDNA区域的小分子RNAs：qiRNAs (QDE2-interacting small RNAs)，这种小分子RNAs被认为是通过抑制蛋白质翻译而有助于DNA损伤响应（DNA damage response, DDR)的。而最新发现的这种diRNAs机制也许还可以为qiRNAs的作用机制提供另一种解释：“rDNAs通常都以重复序列方式成簇分布于基因组中，这种重复序列本身就是同源重组（DSB修复方式之一）很好的底物。当遭受DNA损伤威胁时，DSB可随机发生在基因组中，如果DSB发生在rDNAs，那断裂位点周围就会如我们所发现的那样产生小分子RNAs。也就是说，qiRNAs可能就是一类来源于rDNAs的diRNAs”，戚博士说。

RNA干扰研究带来更多惊喜

   RNA干扰（由小分子RNAs介导的生物学过程）研究领域的重要性已经凸显出来，在这一领域还有哪些未解迷题？未来将如何发展呢？

   对于这一问题，戚博士认真的说：“通过众多实验室十几年的研究，人们对RNA干扰的机理和功能已经有了比较深入的认识。但也有不少比较重要的问题没有解决，比如说：miRNAs在细胞内环境中是如何找到它们的靶标mRNA的？由小分子RNA介导的染色质修饰的特异性是如何实现的？Dicer和AGO家族成员的功能特异性如何决定的？基因组上很多区域都产生小分子RNAs，这些小分子RNAs的产生有什么生物学意义？这些问题也是我们实验室所感兴趣的。说实话，我不知道也不敢预测这一领域的发展趋势，可以预测的东西往往不是那么令人激动。我更期盼RNA干扰领域的研究能给人们带来更多出乎意料的发现，diRNAs的发现对我们来说就是这样的惊喜。”

积累中前进

   戚益军研究组在过去几年中一直致力于植物小分子RNA的作用机理和功能方面的研究，曾于08年在Cell发表文章，报道拟南芥中AGO复合物结合小RNAs的分拣规律，揭示了小RNA的末端序列在此过程中的重要作用。

   DiRNAs是在其实验室以前对植物RNA干扰进行系统研究基础上发现的。他们最初发现在拟南芥（一种模式植物）中，AGO2的表达可以被引起DNA损伤的化合物或电离辐射所诱导，这促使他们去研究DNA损伤修复过程中是否有小分子RNAs的参与。

   戚博士说：“diRNAs和其它小分子RNAs一样，它们的产生需要Dicer，它们也需要和AGO蛋白结合行使功能。它们同样遵循我们以前发现的一些规则，比如，diRNA和AGO2的结合遵循我们之前发现的由5’末端核苷酸决定小分子分拣的规律；而我们发现diRNAs生成过程需要拟南芥三个Dicer的协同作用，与我们之前报道的水稻long miRNA的产生机制类似，等等。我们实验室的这些研究一方面更深入地阐明了植物小分子RNAs的产生和作用机制，另一方面也揭示了一些以前不被人所知的小分子RNA的新功能。”

   也就是这些一步一步成果的积累使得戚益军研究组踏踏实实地获得了一个又一个重要的发现。

欲了解戚益军研究组更多信息，请参阅：http://www.nibs.ac.cn/index.php?act=view&id=725 或http://www.cls.edu.cn/PrincipalInvestigator/index988.shtml

（生物通：王蕾）

原文摘要：

A Role for Small RNAs in DNA Double-Strand Break Repair

Eukaryotes have evolved complex mechanisms to repair DNA double-strand breaks (DSBs) through coordinated actions of protein sensors, transducers, and effectors. Here we show that 21-nucleotide small RNAs are produced from the sequences in the vicinity of DSB sites in Arabidopsis and in human cells. We refer to these as diRNAs for DSB-induced small RNAs. In Arabidopsis, the biogenesis of diRNAs requires the PI3 kinase ATR, RNA polymerase IV (Pol IV), and Dicer-like proteins. Mutations in these proteins as well as in Pol V cause significant reduction in DSB repair efficiency. In Arabidopsis, diRNAs are recruited by Argonaute 2 (AGO2) to mediate DSB repair. Knock down of Dicer or Ago2 in human cells reduces DSB repair. Our findings reveal a conserved function for small RNAs in the DSB repair pathway. We propose that diRNAs may function as guide molecules directing chromatin modifications or the recruitment of protein complexes to DSB sites to facilitate repair.

作者简介：

戚益军 博士
北京生命科学研究所高级研究员
清华大学生命科学学院教授

教育经历
2001 浙江大学博士学位
1995 南京农业大学学士学位

工作经历
2011-现在 清华大学生命科学学院教授
2010-现在 北京生命科学研究所高级研究员
2006-2010北京生命科学研究所研究员
2004-2006 美国冷泉港实验室博士后
2001-2004 美国俄亥俄州立大学博士后

研究概述：
小分子RNAs介导的RNA干扰 (RNA interference, RNAi) 是真核生物中的一种保守的基因表达调控机制。它在发育调控，抵抗病毒侵染，以及染色质修饰等诸多生物学过程中起到重要的作用。在植物中存在复杂的RNAi通路，其中包括miRNA介导的mRNA靶标切割或翻译抑制和siRNA介导的DNA和组蛋白甲基化进而引起转录水平的基因沉默。最近，我们实验室发现一类被命名为diRNA的小分子RNAs可在DNA双链断裂修复中起重要作用。
我们实验室综合遗传学，分子生物学，生物化学和生物信息学的方法，以拟南芥和水稻为模式生物，研究中植物RNAi的作用机理和功能。我们的主要兴趣包括植物RNAi通路中新组分的鉴定、RNAi组分在不同通路中的特异化、diRNA在DNA双链断裂修复中的作用机制以及各类小分子RNA在植物生理和发育过程中的功能。除小分子RNAs外，我们对植物中长非编码RNA（long non-coding RNA）的作用机制和生物学功能也感兴趣。