寻访住在我们身体里的剪接师｜中研院院士郑淑珍的RNA剪接研究

撰文中央研究院研之有物編輯群

如果DNA是电影剧本，记载着生物体应该演出什麽样的电影，RNA就像依剧本拍摄出来的影片片段，须再透过「剪接」才能组成与剧情相符的故事。细胞内的「剪接师团队」包括五个小核核醣核酸（小核RNA），以及多种蛋白因子、蛋白复合体，而它们分工合作的机制，是被中央研究院分子生物研究所的郑淑珍院士与团队，透过实验在生物体内所发现的。

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中研院分子生物研究所的郑淑珍院士，与团队透过实验发现生物体内的「RNA剪接师团队」。

中研院分子生物研究所的郑淑珍院士，与团队透过实验发现生物体内的「RNA剪接师团队」。

发生在你我体内的「RNA剪接」

40年前，郑淑珍还是台湾大学化学系的大四生，以蛇毒蛋白为材料，跟着罗铜壁院士做专题研究。「生化研究跟化学实验很不一样，和生命的连结感更强，你会发现很多自然奥秘等待我们研究。」郑淑珍回想起喜欢上生化实验课的日子。

一转眼40年过去，郑淑珍仍在基础研究的岗位上孜孜矻矻，只是研究对象不再是蛇毒蛋白，而是探索生物体内RNA剪接的奥秘。电影剪接教父华特．莫屈（Walter Murch）曾说：「最好的剪接，是像眨眼一样自然。」而在自然界中，生物体内也有许多「RNA剪接」正在运行，速度甚至比眨眼一瞬还要快。

了解RNA剪接之前，我们首先需要对生物的中心定律（Central Dogma）——「从DNA到蛋白质」这段过程，有一点概念。

DNA会先转录成RNA，再剪接加工为成熟mRNA，并送去细胞质转译制造蛋白质（图中剪刀为RNA剪接的示意位置）。

RNA剪接：DNA会先转录成RNA，再剪接加工为成熟mRNA，并送去细胞质转译制造蛋白质（图中剪刀为RNA剪接的示意位置）。

人体中有各种蛋白质参与不同任务，例如代谢作用、调节肌肉收缩、免疫反应等等，而每种蛋白质的功能皆被「编码」於最源头的DNA基因片段。最源头的DNA基因片段，可细分为两种区段：表现子（Exon，或称外显子）、介入子（Intron，或称内含子）。

「表现子」於RNA剪接时会被留下，而「介入子」会在RNA剪接时被舍去。保留的表现子被组成一段mRNA遗传讯息，并依此mRNA遗传讯息转译制造出对应的蛋白质，蛋白质再於生物体内发挥应有的功能。

DNA基因片段，分为表现子（Exon）和介入子（Intron）。（资料来源：郑淑珍提供）

DNA基因片段，分为表现子（Exon）和介入子（Intron）。（资料来源：郑淑珍提供）

人体中所有的表现子，也就是能够制造蛋白质的基因编码，其实只占人体基因体总长度的1.5%。为什麽这麽少的基因，却能组合出人体中那麽多种复杂的蛋白质？为什麽在某些情况下，表现子的DNA序列明明无异常，却产出奇怪的蛋白质，导致生理异常或遗传性疾病？
答案在於「RNA剪接」是否正确运作，亦即是否能剪掉不要的介入子，并保留、组装需要的表现子。

RNA剪接过程中，由核酸及蛋白因子组成的「剪接体」，会剪下不需要的介入子、组装被保留的表现子。（资料来源：郑淑珍提供）

RNA剪接过程中，由核酸及蛋白因子组成的「剪接体」，会剪下不需要的介入子、组装被保留的表现子。（资料来源：郑淑珍提供）

「舍」与「留」的精准度，关系生理健康

贾斯汀．张（Justin Chang）在《剪接师之路》（FilmCraft: EDITING）中谈到：
「剪接主要是透过减法来达成的一门艺术，否决那些对最终成果无用的元素（）这个形式经常不只是由保留了什麽来决定，被删除了什麽也同等重要。」

这个心法不单指电影剪接，生物体内的RNA剪接也是。我们可试着将RNA剪接加工成mRNA的过程，想像成下图：

RNA剪接加工成mRNA的过程：由核酸及多种蛋白因子组成的剪接体（Spliceosome），就像生物体内的电影剪接团队。

RNA剪接加工成mRNA的过程：由核酸及多种蛋白因子组成的剪接体（Spliceosome），就像生物体内的电影剪接团队。

RNA基因片段，是根据DNA电影脚本拍摄出来的影片片段，而剪接体（Spliceosome）就像生物体内的剪接师团队，将需要的影片片段留下来组装、铺陈为有意义的故事情节；在剪接中所不需要的画面，就如同被剪去的介入子。
若某一步骤剪错，不论是少了或多了一段影片片段，电影剧情就会让人看得一头雾水；而最终产出的错误蛋白质，也会让体内生理机制满头问号，导致生理异常或遗传性疾病。

建构RNA剪接路径

要了解RNA剪接哪里出错，需先透澈解析剪接路径。郑淑珍团队以酵母菌为模式系统，透过实验拆解RNA剪接加工成为mRNA的步骤，找出是哪些「剪接师」——蛋白因子、蛋白复合体——参与其中。

RNA剪接路径（资料来源：郑淑珍提供）

RNA剪接路径（资料来源：郑淑珍提供）

酵母菌这种单细胞生物，有办法帮助我们了解人体吗？郑淑珍说明，RNA剪接是真核生物体内一个基本的生化反应，其机制在各种生物中大致相似。虽然人体比酵母菌复杂很多，但人体的基因数量其实只有酵母菌的4倍。高等生物体内，一段基因编码做出不只一种蛋白质，就是利用「剪接」排列组合来达成。

经过多年努力，并结合其他研究团队提供的资讯，郑淑珍对剪接路径的认知如同上图呈现。简单来说，RNA剪接过程可分为四个阶段：组装→活化→催化→拆解。这段过程中，由5个小核核醣核酸及多种蛋白因子组成剪接师团队，担纲剪接任务。

在RNA剪接过程中，有些蛋白因子负责将要被组装的表现子拉近一点；有些蛋白复合体（例如NTC）负责活化结构、催化剪接反应；有些蛋白复合体（例如NTR）负责拆解结构，让蛋白因子可以重新参与一次剪接轮回。

其中的NTC、NTR蛋白复合体，和Cwc22、Cwc24、Cwc25、Yju2等蛋白因子，一开始没人知道它们的存在与功能，直到郑淑珍团队透过生化实验，一一拆解RNA剪接步骤，才发现这些默默参与反应的「剪接师团队」。

自然情况下，生物体内的剪接过程有可能会出错。例如，当剪接蛋白因子都被套牢在RNA基因片段上，导致新的RNA没有人手来剪接，就会对细胞产生不良影响。可以这麽想像：当剪接师团队全都在同一个电影专案上白费工夫，就会拖累了後续新电影的剪接进度。

RNA剪接研究，未完待续

反覆的生化实验操作，仔细侦测实验产物的变化，并运用想像力推论变化的原因。虽然耗时费力，郑淑珍却认为：
「实验程序必须很扎实，才能获得确实的结果。很多时候实验会碰到瓶颈，无法破解，但当想了很久终於想通突破的方法，就是做研究最开心的时候！」

不少遗传性疾病跟RNA剪接有关，但要以此发展药物，必须彻底了解RNA剪接途径的机制，才能对症下药。令人振奋的是，2016年底美国FDA批准了一款治疗脊髓性肌肉萎缩症的药，可以矫正、调控病患运动神经元蛋白质的RNA剪接异常。郑淑珍提到，这支外国团队在此领域努力不懈地钻研了20多年，最後终能携手生技公司与药厂合作开发新药。临床实验结果证实药物非常有效，儿童越早接受治疗效果越好，是很成功的新药。研究团队主持人也因此获得2019年相当於科学界奥斯卡奖的重大突破奖。

除了脊髓性肌肉萎缩症药物研发成功的激励，RNA剪接研究也照进另一道曙光。RNA剪接的途径，从前必须透过生化实验来推论。近年来由於冷冻电子显微镜技术的跃进，解出了剪接复合体的复杂结构，可以观察剪接途径不同阶段的剪接体结构细微的部分，相当於直接「看见」RNA剪接过程，也得以应证过去的实验推论。这令研究人员内心狂喜，因为剪接体的结构既复杂又不稳定，过去很难想像其结构能轻易被解出来。「很多这个领域的创始元老，都已80多岁，没想到有生之年可以亲眼看到这些结构，他们都很开心！」郑淑珍的眼中也散发出期待的光芒：
虽然多理解了不少机制，但还有许多需要探索的课题，所以我们就在这个领域继续努力。

RNA剪接正发生在你我体内。这项领域虽已累积不少成果，但仍有很多面向有待深入研究。人们越了解它们，科学家越有机会面对因剪接缺失造成的疾病。

延伸阅读
Chung, C. S., Tseng, C. K., Lai, Y. H., Wang, H. F., Newman, A. J. & Cheng, S.-C. (2019). Dynamic protein–RNAinteractions in mediating splicing catalysis. Nucleic Acids Research, 47, 899–910.
Liang, W. W., & Cheng, S. C. (2015). A Novel Mechanism for Prp5 Function in Prespliceosome Formation and Proofreading the Branch Site Sequence. Genes & Development, 29(1), 81–93.
Tseng, C. K., & Cheng, S. C. (2008). Both Catalytic Steps of Nuclear Pre-mRNASplicing Are Reversible. Science, 320(5884), 1782–1784.
Chan, S. P., Kao, D. I., Tsai, W. Y. & Cheng, S. C. (2003). The Prp19p-associated Complex in Spliceosome Activation. Science, 302, 279–282.

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