每時每刻，在人體的數十萬億個細胞中，DNA都在透過轉錄過程被“讀取”成信使RNA（mRNA）分子。轉錄過程是如何開始的呢？科學家對這個問題已經有了清晰的瞭解：一種被稱為RNA聚合酶的蛋白質會集結到特定的DNA分子區域，開始合成mRNA分子。但是，科學家還不太清楚的是，細胞是如何知道何時該停止這一轉錄過程的。

在一項新的研究中，一組生物學家透過與物理學家合作，發現RNA分子自身會透過一個反饋迴路（細胞中一種用於控制其生物功能的系統）來調節其形成：當RNA分子過少時，細胞就會啟動轉錄過程，以產生更多的RNA分子；在達到了一定閾值，產生足夠多的RNA分子後，轉錄就會停止。此外，這項研究還讓生物學家對另一個存在已久的謎題產生了新見解。詳細的研究結果已於近期發表在《細胞》雜誌上。

研究的生物部分是由麻省理工學院的Richard Young所領導的小組進行的，在此之前，他們就將研究重點集中在了一種被稱為轉錄凝聚體的細胞液滴上，這種液滴能聚集將DNA轉錄成RNA的所需分子。Young的團隊在2018年發現，這種小液滴通常會在轉錄過程開始時形成，然後在轉錄過程結束時溶解。

透過這一發現，他們想要進一步瞭解，這些轉錄凝聚體的溶解是否與由它們所產生的RNA的化學性質有關——更具體一點說，是否與這些RNA所攜帶的高負電荷有關。如果情況是這樣的話，就說明RNA是一種可以透過反饋機制來調控細胞過程的分子。

在初步測試中，研究人員先採用體外實驗檢測了RNA的含量是否會影響凝聚體的形成。他們發現，在細胞的生理水平範圍之內，低含量的RNA會促進轉錄凝聚體（小液滴）的形成，而高含量的RNA會阻礙轉錄凝聚體的形成。

論文的另一位主要作者Jon Henninger說：“作為一名生物學家，我們很難根據現有資料提出新的假設，也很難用新的方法來理解事物是如何運作的。我們可以進行篩選，對可能參與了這一複雜過程中的新事物——新蛋白質、新RNA進行識別，但這仍然受到我們對所有這些東西會如何相互作用的傳統理解的限制。”而與物理學家的合作，可以幫助他們超越現有資料所能提供的理論範圍。

物理學家Krishna Shrinivas是這項研究的合作者，他建議可以建立一個計算機模型，用該模型來研究被轉錄的RNA與轉錄凝聚體之間的物理作用和化學作用。在他的設計中，這一模型不僅要能用於重現現有結果，還要能對各種可能情況進行測試。有了這樣一個模型，研究人員就可以探討各種可能出現在細胞中的情況，例如不同長度的RNA會以不同的速度產生，那麼隨著時間的推移，凝聚體會發生什麼？

在模型中對這類問題進行研究後，他們開始進行實驗操作，並最終欣喜地得到了與模擬預測完美匹配的實驗結果。一系列的模擬和實驗讓研究人員證實了他們的假設：產生的RNA分子所攜帶的高負電荷會影響RNA的轉錄。不僅如此，他們的另一個預測也與實驗結果相符，即在一開始，低含量的RNA會增強凝聚體的形成；隨後，當RNA的含量增高時，凝聚體會溶解。這些RNA的電荷是由RNA的磷酸主鏈所攜帶的，所以一個RNA分子的有效電荷與其長度成正比。

為了在活細胞中測試這一發現，研究人員對小鼠胚胎幹細胞進行了改造，使其具有發光的轉錄凝聚體。然後，他們使用一種化學物質來破壞轉錄的延伸階段。最終，他們同樣觀察到了與模型預測一致的結果：由於化學物質的破壞所造成的能溶解凝聚體的RNA分子的匱乏，增加了細胞中凝聚體的大小和壽命。相應的，當研究人員透過誘導細胞讓其產生額外的RNA時，這些位點的轉錄凝聚體就全部溶解了。

這表明，這種非平衡的反饋機制在調節細胞中的生物分子凝聚體上扮演著重要角色。此外，它還讓研究人員意識到，對這種反饋機制的理解將有可能幫助解答一個長期存在於哺乳動物基因組中的謎題：非編碼RNA的作用。

研究人員認為，瞭解RNA在細胞中的這種新作用，可以為多種疾病的治療提供資訊。作者Ozgur Oksuz說：“有些疾病實際上是由單個基因表達的增加或減少引起的，我們現在知道，如果你調節RNA的水平，就能對轉錄凝聚物進行預測。因此，你可以透過調整疾病基因的表達來恢復你想要的表達，甚至可能恢復你想要的表型，從而治療疾病。”

對RNA行為的更深入理解，能夠為更廣泛的治療提供資訊。Young補充說，RNA是一個重要的靶，在過去的10年裡，各種直接靶向RNA的藥物已經被成功研發，從機制上理解RNA分子如何調節基因表達，將有望彌合疾病中的基因失調和靶向RNA的新治療方法之間的差距。

https://news.mit.edu/2021/rna-molecules-masters-of-their-own-destiny-0105