近日，藥學(xué)院、國家生物反應(yīng)器工程重點實驗室、光遺傳學(xué)與合成生物學(xué)交叉學(xué)科研究中心楊弋/陳顯軍教授團隊在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊Trends in Cell Biology上發(fā)表題為《Capabilities and challenges for the use of fluorescent RNAs in RNA dynamics research》的觀點文章，系統(tǒng)總結(jié)了熒光RNA在活細胞RNA動態(tài)可視化研究中的最新進展、面臨的挑戰(zhàn)及未來發(fā)展方向。

　　RNA在細胞內(nèi)發(fā)揮著多種關(guān)鍵生物學(xué)功能，其時空動態(tài)變化對基因表達調(diào)控等生命過程具有重要影響。熒光RNA是一類由RNA適配體與熒光染料組成的成像工具，能夠在無需依賴蛋白質(zhì)標(biāo)記的情況下，實現(xiàn)活細胞中RNA動態(tài)的高時空分辨成像，正在成為RNA生物學(xué)研究的重要技術(shù)體系。近年來，隨著熒光RNA性能的大幅提升，熒光RNA已可實現(xiàn)單分子水平、超分辨率、多重成像乃至內(nèi)源RNA標(biāo)記與成像，在RNA生物學(xué)研究中展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。楊弋/陳顯軍教授團隊在過去幾年相繼發(fā)展了系列高性能熒光RNA以及活細胞RNA標(biāo)記與成像技術(shù)，相關(guān)研究成果發(fā)表于Nature Biotechnology（2019）、Nature Methods（2023）、Nature Chemical Biology（2021、2024a、2024b）等期刊。

　　文章首先總結(jié)了熒光RNA在推動RNA動態(tài)研究方向的最新突破。Spinach、Pepper、Clivia等熒光RNA標(biāo)簽可被融合在小非編碼RNA的5’、3’或者內(nèi)部莖環(huán)位置實現(xiàn)對5S、U6、7SK、U1等小非編碼RNA的原位標(biāo)記與動態(tài)成像。此外，研究人員通過串聯(lián)、并聯(lián)或者串并聯(lián)方式將多個熒光RNA標(biāo)簽進行融合，獲得的多拷貝串聯(lián)體具有顯著增強的熒光信號，進而實現(xiàn)低豐度mRNA的高信噪比甚至是單分子成像。此外，Pepper、Okra、RhoBAST、Clivia等熒光RNA憑借其優(yōu)異的熒光亮度和光穩(wěn)定性，被用于活細胞RNA的SIM、STED等超分辨率成像，揭示了RNA在RNA顆粒內(nèi)的非均一分布特性。研究人員還利用熒光RNA實現(xiàn)活細胞RNA-蛋白質(zhì)相互作用的實時檢測，在降低背景干擾的同時可顯著提升檢測靈敏度。進一步地，熒光RNA技術(shù)還可衍生出一類通過序列雜交激活的熒光RNA探針，它們無需對基因組進行改造便可實現(xiàn)對細胞內(nèi)源RNA分子的標(biāo)記成像。

熒光RNA技術(shù)在活細胞RNA動態(tài)成像中的多場景應(yīng)用

　　文章隨后對利用熒光RNA進行活細胞RNA標(biāo)記成像提出了一些建議，包括如何選擇生物正交的熒光RNA進行多色RNA成像、如何選擇合適的高亮度熒光RNA、如何優(yōu)化染料的標(biāo)記濃度獲得高信噪比成像圖片、如何對具有快速光切換性質(zhì)的熒光RNA進行成像、以及如何選擇合適的熒光RNA融合位點來減小對靶標(biāo)RNA的干擾等。這些建議將會幫助研究人員更好地開展基于熒光RNA的活細胞RNA標(biāo)記與成像，助力RNA生物學(xué)功能與調(diào)控機制研究。

　　文章最后對熒光RNA技術(shù)未來發(fā)展面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)提出了前瞻性看法。熒光RNA技術(shù)仍具有廣闊的優(yōu)化空間和發(fā)展前景。未來的研究方向包括但不限于：理性設(shè)計與優(yōu)化熒光染料結(jié)構(gòu)，提升細胞內(nèi)亮度與光穩(wěn)定性，降低背景熒光；設(shè)計更小型、高親和力的RNA適配體，減少對RNA天然功能的影響；推動熒光RNA在活體動物中的RNA成像應(yīng)用，突破組織自發(fā)熒光和組織穿透深度的限制；同時，借助人工智能輔助加速高性能熒光RNA的設(shè)計，進一步拓展其在RNA生物學(xué)研究和應(yīng)用中的潛力。隨著熒光RNA的快速發(fā)展，熒光RNA技術(shù)有望為RNA動態(tài)調(diào)控機制解析、疾病診斷新工具開發(fā)、先進生物傳感器構(gòu)建等提供關(guān)鍵支撐。

　　我校方夢悅博士、江瀅博士為本論文的共同第一作者，楊弋和陳顯軍教授為共同通訊作者。研究工作獲得國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、上海市細胞代謝光遺傳學(xué)技術(shù)前沿科學(xué)研究基地、中國博士后科學(xué)基金、國家生物反應(yīng)器工程重點實驗室等項目資助。