尋訪住在我們身體裡的剪接師｜中研院院士鄭淑珍的RNA剪接研究
撰文 中央研究院研之有物編輯群如果DNA是電影劇本，記載著生物體應該演出什麼樣的電影，RNA就像依劇本拍攝出來的影片片段，須再透過「剪接」才能組成與劇情相符的故事。細胞內的「剪接師團隊」包括五個小核核醣核酸（小核RNA），以及多種蛋白因子、蛋白複合體，而它們分工合作的機制，是被中央研究院分子生物研究所的鄭淑珍院士與團隊，透過實驗在生物體內所發現的。
｛本內容節錄自《研之有物：見微知著！中研院的21堂生命科學課》，由時報文化出版提供，僅反映作者意見，不代表誠品立場；未經授權，請勿轉載｝
中研院分子生物研究所的鄭淑珍院士，與團隊透過實驗發現生物體內的「RNA剪接師團隊」。
❐ 發生在你我體內的「RNA剪接」
40年前，鄭淑珍還是臺灣大學化學系的大四生，以蛇毒蛋白為材料，跟著羅銅壁院士做專題研究。「生化研究跟化學實驗很不一樣，和生命的連結感更強，你會發現很多自然奧祕等待我們研究。」鄭淑珍回想起喜歡上生化實驗課的日子。
一轉眼40年過去，鄭淑珍仍在基礎研究的崗位上孜孜矻矻，只是研究對象不再是蛇毒蛋白，而是探索生物體內RNA剪接的奧祕。電影剪接教父華特．莫屈（Walter Murch）曾說：「最好的剪接，是像眨眼一樣自然。」而在自然界中，生物體內也有許多「RNA剪接」正在運行，速度甚至比眨眼一瞬還要快。
了解RNA剪接之前，我們首先需要對生物的中心定律（Central Dogma）——「從DNA到蛋白質」這段過程，有一點概念。
RNA剪接：DNA會先轉錄成RNA，再剪接加工為成熟mRNA，並送去細胞質轉譯製造蛋白質（圖中剪刀為RNA剪接的示意位置）。
人體中有各種蛋白質參與不同任務，例如代謝作用、調節肌肉收縮、免疫反應等等，而每種蛋白質的功能皆被「編碼」於最源頭的DNA基因片段。最源頭的DNA基因片段，可細分為兩種區段：表現子（Exon，或稱外顯子）、介入子（Intron，或稱內含子）。
「表現子」於RNA剪接時會被留下，而「介入子」會在RNA剪接時被捨去。保留的表現子被組成一段mRNA遺傳訊息，並依此mRNA遺傳訊息轉譯製造出對應的蛋白質，蛋白質再於生物體內發揮應有的功能。
DNA基因片段，分為表現子（Exon）和介入子（Intron）。（資料來源：鄭淑珍提供）
人體中所有的表現子，也就是能夠製造蛋白質的基因編碼，其實只占人體基因體總長度的1.5%。為什麼這麼少的基因，卻能組合出人體中那麼多種複雜的蛋白質？為什麼在某些情況下，表現子的DNA序列明明無異常，卻產出奇怪的蛋白質，導致生理異常或遺傳性疾病？
答案在於「RNA剪接」是否正確運作，亦即是否能剪掉不要的介入子，並保留、組裝需要的表現子。
RNA剪接過程中，由核酸及蛋白因子組成的「剪接體」，會剪下不需要的介入子、組裝被保留的表現子。（資料來源：鄭淑珍提供）
❐ 「捨」與「留」的精準度，關係生理健康
賈斯汀．張（Justin Chang）在《剪接師之路》（FilmCraft: EDITING）中談到：
「剪接主要是透過減法來達成的一門藝術，否決那些對最終成果無用的元素（⋯⋯）這個形式經常不只是由保留了什麼來決定，被刪除了什麼也同等重要。」
這個心法不單指電影剪接，生物體內的RNA剪接也是。我們可試著將RNA剪接加工成mRNA的過程，想像成下圖：
RNA剪接加工成mRNA的過程：由核酸及多種蛋白因子組成的剪接體（Spliceosome），就像生物體內的電影剪接團隊。
RNA基因片段，是根據DNA電影腳本拍攝出來的影片片段，而剪接體（Spliceosome）就像生物體內的剪接師團隊，將需要的影片片段留下來組裝、鋪陳為有意義的故事情節；在剪接中所不需要的畫面，就如同被剪去的介入子。
若某一步驟剪錯，不論是少了或多了一段影片片段，電影劇情就會讓人看得一頭霧水；而最終產出的錯誤蛋白質，也會讓體內生理機制滿頭問號，導致生理異常或遺傳性疾病。
❐ 建構RNA剪接路徑
要了解RNA剪接哪裡出錯，需先透澈解析剪接路徑。鄭淑珍團隊以酵母菌為模式系統，透過實驗拆解RNA剪接加工成為mRNA的步驟，找出是哪些「剪接師」——蛋白因子、蛋白複合體——參與其中。
RNA剪接路徑（資料來源：鄭淑珍提供）
酵母菌這種單細胞生物，有辦法幫助我們了解人體嗎？鄭淑珍說明，RNA剪接是真核生物體內一個基本的生化反應，其機制在各種生物中大致相似。雖然人體比酵母菌複雜很多，但人體的基因數量其實只有酵母菌的4倍。高等生物體內，一段基因編碼做出不只一種蛋白質，就是利用「剪接」排列組合來達成。
經過多年努力，並結合其他研究團隊提供的資訊，鄭淑珍對剪接路徑的認知如同上圖呈現。簡單來說，RNA剪接過程可分為四個階段：組裝→活化→催化→拆解。這段過程中，由5個小核核醣核酸及多種蛋白因子組成剪接師團隊，擔綱剪接任務。
在RNA剪接過程中，有些蛋白因子負責將要被組裝的表現子拉近一點；有些蛋白複合體（例如NTC）負責活化結構、催化剪接反應；有些蛋白複合體（例如NTR）負責拆解結構，讓蛋白因子可以重新參與一次剪接輪迴。
其中的NTC、NTR蛋白複合體，和Cwc22、Cwc24、Cwc25、Yju2等蛋白因子，一開始沒人知道它們的存在與功能，直到鄭淑珍團隊透過生化實驗，一一拆解RNA剪接步驟，才發現這些默默參與反應的「剪接師團隊」。
自然情況下，生物體內的剪接過程有可能會出錯。例如，當剪接蛋白因子都被套牢在RNA基因片段上，導致新的RNA沒有人手來剪接，就會對細胞產生不良影響。可以這麼想像：當剪接師團隊全都在同一個電影專案上白費工夫，就會拖累了後續新電影的剪接進度。
❐ RNA剪接研究，未完待續
反覆的生化實驗操作，仔細偵測實驗產物的變化，並運用想像力推論變化的原因。雖然耗時費力，鄭淑珍卻認為：
「實驗程序必須很扎實，才能獲得確實的結果。很多時候實驗會碰到瓶頸，無法破解，但當想了很久終於想通突破的方法，就是做研究最開心的時候！」
不少遺傳性疾病跟RNA剪接有關，但要以此發展藥物，必須徹底了解RNA剪接途徑的機制，才能對症下藥。令人振奮的是，2016年底美國FDA批准了一款治療脊髓性肌肉萎縮症的藥，可以矯正、調控病患運動神經元蛋白質的RNA剪接異常。鄭淑珍提到，這支外國團隊在此領域努力不懈地鑽研了20多年，最後終能攜手生技公司與藥廠合作開發新藥。臨床實驗結果證實藥物非常有效，兒童越早接受治療效果越好，是很成功的新藥。研究團隊主持人也因此獲得2019年相當於科學界奧斯卡獎的重大突破獎。
除了脊髓性肌肉萎縮症藥物研發成功的激勵，RNA剪接研究也照進另一道曙光。RNA剪接的途徑，從前必須透過生化實驗來推論。近年來由於冷凍電子顯微鏡技術的躍進，解出了剪接複合體的複雜結構，可以觀察剪接途徑不同階段的剪接體結構細微的部分，相當於直接「看見」RNA剪接過程，也得以應證過去的實驗推論。這令研究人員內心狂喜，因為剪接體的結構既複雜又不穩定，過去很難想像其結構能輕易被解出來。「很多這個領域的創始元老，都已80多歲，沒想到有生之年可以親眼看到這些結構，他們都很開心！」鄭淑珍的眼中也散發出期待的光芒：
雖然多理解了不少機制，但還有許多需要探索的課題，所以我們就在這個領域繼續努力。
RNA剪接正發生在你我體內。這項領域雖已累積不少成果，但仍有很多面向有待深入研究。人們越了解它們，科學家越有機會面對因剪接缺失造成的疾病。
✑延伸閱讀
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.
・
・
・
・
與21位生命科學家一同打開好奇心、激發想像力，體驗機智的生命科學大發現
☞《研之有物：見微知著！中研院的21堂生命科學課》
✦
▌延伸閱讀
☞誠品選書｜《基因：人類最親密的歷史》
☞誠品選書｜《破解基因碼的人：諾貝爾獎得主珍妮佛．道納、基因編輯，以及人類的未來》
☞誠品選書｜《研之有物：穿越古今！中研院的25堂人文公開課》
☞誠品選書｜《科學的40堂公開課》
1975年成立，為華文世界第一家股票上櫃出版公司。出版書籍包括文學、人文社科、商業理財、生活風格、科普知識、漫畫、趨勢、心理勵志等各領域，獲得國內外專家讀者、多項大獎肯定，打造出無數暢銷傳奇和重量級作者，將持續介紹好書給愛閱讀的讀者。
迷商品
聯絡我們
加入誠品LINE好友
回列表頁
上一則
下一則
精彩推薦
