在生命起源之初，那是RNA的世界，它们主宰着生命的一切。经过数十亿年的进化，最初的RNA似乎从生物体内消失了。但科学家却在细菌中，发现了古老RNA的遗迹，它们像开关一样控制着基因的表达，有条不紊地调控着细菌的新陈代谢，这是不是意味着，关闭RNA开关，就能扰乱细菌的新陈代谢，杀死细菌呢?
细菌一直在用一种神秘的方式，调控着维生素的合成。2001年秋天，笼罩在细菌周围的这股神秘气息引起了我们的兴趣。越来越多的证据表明，地球上最早的生命形式起源于RNA(核糖核酸)，那么神秘气息的背后是不是RNA在作祟?带着这个问题，我们在美国耶鲁大学的研究小组起程了，要用试验揭开谜底。试验中的发现虽在意料之中，但仍让所有人大吃一惊：我们发现了一种新的细胞自我调控形式，起主要作用的竟是一类最古老的RNA分子。
长期以来，RNA一直被看作是一种低级的信使分子，但它却身兼要职，手握大权，并用完善的机制来维护自己的“威严”。对于古老的RNA分子，虽然科学家对它们的运作机理还不甚了解，但它们可能是上天赐给人类的征服疾病的新武器，因为许多致病细菌就是依赖古老的RNA分子来调控基本代谢的。
这种古老的自我调节方式能在现代生物中保留下来，就足以说明它的重要性。细菌细胞具有惊人的适应能力，同时也是一个微型工厂，源源不断地生产自己所需的养料。细菌的最终目的只有一个——无休止地自我复制。然而，只有那些能在不断改变的环境中、在你死我活的资源竞争中保持快速增殖的细菌，才能一代一代延传至今。
寻找调控蛋白
在细菌中，很多生理活动都是由蛋白质调控的，但是科学家始终没有找到调控维生素合成的蛋白质，难道调控维生素合成的另有他物?
在短短20分钟内，细菌能够从基因组的复制开始，制造出大量的精细分子，完成自我复制。每一种生物在繁殖时，都会忠实地复制基因组，遗传给下一代，因为其中包含着细胞复制的蓝图。这张蓝图由4个核苷酸字母写成，每一个核苷酸都含有一种碱基——腺嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶或鸟嘌呤。在普通细菌中，多达90％的DNA都被用于编写指令。构建新细胞时，细菌就可以利用这些指令，组装蛋白机器，组织必需的新陈代谢步骤，加速生化反应的进行。
在细胞工厂中，当RNA聚合酶与染色体DNA结合，开始将DNA转录为具有相似化学构成的信使RNA(mRNA)时，复制过程就启动了。细菌非常“性急”，一个聚合酶才刚开始对DNA信息进行转录，另一个聚合酶就已经紧贴过来，迫不及待地开始合成下一个mRNA分子了。大部分DNA信息编码的都是某一种蛋白质，但也有一些被称为操纵子(operon)的DNA片段，编码着一组功能相关的蛋白质的信息。RNA的化学性质不如DNA稳定，细菌将mRNA转录片段视为复印件，没用的mRNA会被迅速降解，回收利用，保证工厂内的蛋白制造机器——核糖体接收到的全是最新的工作指令。
核糖体也是个“急性子”。通常，在聚合酶完成转录之前，核糖体就已经像火车车厢一样一字排开，准备开始读取和执行mRNA的指令。它们沿着mRNA“铁轨”移动，逐一将核苷酸三联密码翻译成特定的氨基酸，并将氨基酸连接到不断延长的多肽链上。当这条多肽链由核糖体生产出来之后，它就会自己折叠，形成复杂的三维结构——一个新的蛋白产生了，可以随时投入工作。
细胞内化合物的顺利合成，尤其依赖两种蛋白：一是负责运输原料的转运蛋白(transporter)，而另一种则是酶蛋白。酶蛋白是一种生物催化剂，能在复杂的新陈代谢循环途径中，通过多个连续的反应步骤，加快物质的转换过程。不过细菌也非常谨慎，决不浪费资源制造多余的细胞结构，它们经过进化，已经形成了一套调控机制，能够根据养分的供求变化，制造相应的细胞结构。科学家在研究细菌的这套调控机制时，第一次感受到了管理维生素的那股神秘力量。
通常，细菌会“派遣”多种蛋白持续监测各种原料的当前储量，并据此调节分布在各条“生产线”上的转运蛋白及酶的数量。例如，在大肠杆菌中，有一种叫做乳糖阻遏蛋白(Lac repressor)的蛋白复合物，它会在乳糖不足的时候，阻碍聚合酶接近与乳糖合成有关的DNA序列。当乳糖浓度超过一定浓度时，乳糖阻遏蛋白就会释放这些DNA，启动相关基因的转录过程。
当染色体DNA完成转录，mRNA释放出来之后，监控蛋白将通过类似的调控机制来决定mRNA该何去何从。枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)是一种生活在土壤中的细菌，在它的细胞内，有一种叫作TRAP的蛋白质复合物，调控着编码色氨酸合成酶及色氨酸转运蛋白的操纵子。当TRAP认为不需要这些蛋白质时，它就会将mRNA的前导端紧紧包裹起来，让核糖体无法辨认mRNA上的翻译起始位点。这样一来，mRNA链就会自我折叠，形成发夹状(自我封闭)，从而提前终止翻译。
除了拥有能够控制基本蛋白合成的装置之外，细菌还有一个制造特殊化合物的大型“工具箱”。人类必须通过食物来获取维生素，但细菌却懂得如何合成维生素。许多结构复杂的维生素实际上扮演着“辅酶”(coenzyme)的角色。顾名思义，辅酶就是一些辅助酶蛋白的小分子，它们是具有强大功能的专业工具。很多新陈代谢途径都与辅酶的制造过程有关，天性节俭的细菌会严格控制这类成本高昂的合成过程，在不需要辅酶的时候，它们会立即终止合成过程。
细菌是如何调控辅酶的合成过程呢?研究一直在进行。20世纪90年代末，科学家在研究中发现了一种分子模式，让他们不禁想起了TRAP和乳糖阻遏体系。他们开始努力寻找那个负责感知辅酶、控制mRNA转录和翻译的监控蛋白，但始终一无所获，于是一个更大的难题出现了：假如细胞不是通过假设中的监控蛋白来衡量养分浓度的话，它们又有什么样的监控机制呢?一个与这道难题风马牛不相及的研究领域——RNA分子应用，为我们提供了令人意想不到的答案。想要理解其中的奥妙，我们首先得简单回顾一下核糖体的故事。
RNA世界的遗产
核酶是具有催化能力的RNA，它是古老RNA世界遗留下来的。虽然经过了数十亿年的进化，但在今天的细菌中。我们仍能找到核酶，这是否意味着核酶具有超乎寻常的功能呢?
我们或许可以把蛋白质看作滑轮、齿轮、管道以及传送带，正是它们把原料转运到细胞内部。然而在细胞工厂中，并非所有的重要部件都由蛋白质组成。最值得一提的是，核糖体有一个RNA核，它的成分与mRNA完全相同。但与mRNA不同的是，虽然核糖体RNA(ribosomal
RNA，rRNA)一开始也是DNA的转录片段，但它没有携带制造蛋白质的任何信息。相反，rRNA会立即将自己折叠成特定的形状，包裹在其中的核苷酸碱基相互结合，形成一个类似终止子(terminator)的发夹结构。
核糖体RNA的折叠程度很高，部分序列经过轻微的化学修饰后，会变得更加牢固。蛋白“订书钉”和蛋白“支架”会加固RNA内部的缝隙，有些蛋白质还会包裹在RNA的表面。但是在原子水平上所作的结构分析显示，负责催化氨基酸之间新化学键形成的核糖体核心，完全是由RNA构成的。
具有蛋白质催化能力的RNA结构确实存在，这让每一个熟悉“RNA世界”理论的人都激动不已。“RNA世界”是美国特拉华大学的哈罗德·怀特三世(Harold WhiteⅢ)在20世纪70年代末提出的一个有关早期生命形式的理论。怀特观察到，在许多辅酶的化学结构中都含有RNA组分。例如，腺苷钴胺(adenosylcobalamin)就含有一个完整的RNA核苷酸，而焦磷酸硫胺素(thiamine pyrophosphate)则含有一段糖一磷酸骨架。这些核苷酸片段似乎是在为其他蛋白质提供附着位点。怀特推测，这些奇特的结构可能是从远古时代遗留下来的，那时的原生细胞(protocell)还相当低级，没有进化出现代的DNA储存系统或蛋白合成系统。当时的RNA有着双重职能：既是储存信息的分子，又是生物聚合物(biopolymer)，能折叠成代谢机器，执行现在通常由蛋白质担任的繁杂工作。
到了20世纪80年代初，人们已经在现代生物中发现了两个具有催化能力的古老RNA分子。其中一个是核糖核酸酶P(RNase P)，它是细菌中的一种RNA分子，能够剪切初始RNA转录片段；另一个则是一类奇妙的RNA序列，它能够通过一系列化学键的交换，对自身(原本较长的mRNA转录片段)进行剪接。凭借以上两个发现，美国耶鲁大学的悉尼·阿尔特曼(Sidney Altman)和科罗拉多大学博尔德分校的托马斯·切赫(Thomas R．Cech)获得了1989年的诺贝尔化学奖。他们的发现证明，先前被视为只能被动接受信息的RNA分子，能够折叠成复杂的三维结构，并像酶一样，加快化学反应的速率。科学家给这些RNA酶起了一个统一的名称——核酶(ribozyme)。
怀特推断，假如核酶是从“RNA世界”遗留下来的，或许是因为它们的功能异常重要，经过进化产生的新蛋白无法取代它们的功能。20世纪90年代初，在细胞外操纵生物分子的研究手段日趋成熟。研究人员创造性地利用了RNA的特殊能力——RNA能够自我折叠成复杂的具有特殊功能的形状，进行了多项实验。科学家希望通过测试RNA的多能性，来证实“RNA世界”假说；同时，他们也在寻找核酶在生物技术领域的新用途。正是我们的研究小组在这方面所做的研究，引导我们找到了除蛋白质以外，在细菌中调节辅酶制造过程的那股神秘力量。
天然传感器
在细菌中，有一类特殊的RNA分子，它们就像天然传感器一样，能感知某些营养元素的存在。如果发现了某种营养元素，它们就会与之结合，重新组织自己的结构，关闭基因表达，不再合成能制造这些营养元素的蛋白质。这类RNA分子就像一个开关，能够控制基因的表达，于是科学家把它命名为“核糖开关”。
美国马萨诸塞综合医院的杰克·w·绍斯塔克(Jackw．Szostak)与另外两位科学家一起，联合开发了一种叫做“试管进化”(test-tubeevolution)的技术。这种方法可以对数以万亿计的合成RNA序列进行达尔文测试(Darwinian test)，只有“最适应的分子”可以通过这个测试。利用试管进化技术，绍斯塔克的研究小组很快就发现了各种能与三磷酸腺苷(ATP)、有机染料、氨基酸及抗生素紧密结合的短小RNA结构。
绍斯塔克将这些RNA称为核酸适体(aptamer)。这个词源于拉丁文aptus，意为匹配合适。尽管它们是人工合成的，但是除了与目标分子紧密结合以外，许多核酸适体还具有一个更重要的生物学特性：它们能够排斥与自己结构相近的分子。
我们实验室决定利用这种高度选择性，设计一个由RNA构成的传感器。我们的计划是合成一个可识别目标分子的核酸适体。它可以先与目标分子结合，再与第二个RNA片段结合，而后者能发出直观的信号，显示核酸适体已经结合了目标分子。我们选择了锤头状核酶(hammerhead ribozyme)作为第二个RNA片段，这种核酶以独特的结构而得名，它是自然界最简单、最有效的自剪切核酶之一。我们可以将一个荧光标记结合在锤头状核酶的一端，一个猝光基团(quencher group，能够削弱周围的荧光)结合在RNA折叠结构内。一旦核酸适体找到目标分子，并与它结合，就会引发连锁反应：锤头状核酶发生自我剪切，猝光基团与荧光标记分离，荧光标记发出荧光。这个过程就像是将灯罩从灯泡上移开一样。
事实证明，RNA确实非常擅长发挥传感器功能。后来，我们开发出核酸适体偶联核酶(aptamer-coupledribozyme)，能够检测并报告多种分子的存在。我们还可以将不同的传感器置于同一块微芯片上，就算多种化学物质混杂在一起，也可以同时准确检测出它们的存在。
如此轻松就合成出了能够检测小分子的RNA，而且它们还能有目的地重组自己的结构，诱导小分子与自己结合，这让我们不禁想到，在自然进化的过程中是否也曾出现过类似的RNA呢?显然，RNA世界遗留下来的核酶仍然在现代生物中执行着重要的任务，那么在现代生物的基因组中，是否还隐藏着尚未被发现的序列，编码着重要的RNA机器呢?
我们开始仔细查阅历年的科学文献，希望找到天然核酸适体的线索，却只发现了零星的吊人胃口的记录，其中提到一些没有携带遗传信息的RNA序列，似乎在细胞内起着重要的调控作用。随后的研究工作让我们越来越接近那股神秘的调控力量。我们找到了有关BtuB蛋白的记载，这种蛋白是大肠杆菌的一种细胞器的组成部分，作用是将辅酶B12从外界运送到细胞内。编码BtuB的mRNA起始于一段由240个核苷酸组成的引导序列。通常，细菌的引导序列都比较短，如此长的引导序列是不是意味着非同寻常的功能呢?这成了我们的一个研究线索。另一个研究小组也发现，当细胞中B12的浓度很高的时候，BtuB蛋白的合成就会受到抑制。然而到目前为止，科学家还没有发现能够感应B12的蛋白探测器(protein sentry)。
我们从其他科学家以前发表的研究结果得知，B12的存在，会在某种程度上阻止核糖体与编码BtuB的mRNA结合。一项研究也暗示，mRNA引导序列的结构，会在B12出现时发生改变。BtuB的mRNA的引导序列如此之长，是不是包含着能与B12结合的天然核酸适体呢?它们是不是在调控自身基因的表达呢?
我们利用一种叫做串联标记(in－line probing)的技术，来监测在B12存在的情况下，BtuB的mRNA的各个部分是否会发生变化——结构是变得更加规整，还是更加松散。最引人注意的是，在靠近BtuB的mRNA编码区域的起始端，出现了一个新的结构。也许就是这个结构阻止了核糖体与mRNA的结合。RNA似乎能够感知B12还能阻止核糖体翻译自己，从而调节B12的转运，就像TRAP调节枯草芽孢杆菌中的色氨酸转运蛋白一样。这个RNA分子就像一个开关，能够控制基因的表达，于是我们把它命名为“核糖开关”(riboswitch)。
在研究BtuB的引导序列的同时，另一个尚未得到解释的调控过程也引起了我们的注意。以前的研究明确地指出，在各类细菌中，编码辅酶B1的合成酶及转运蛋白的mRNA都包含一段相同的RNA序列，而且在累积了大量辅酶B1的细胞中，这段序列发生了突变，使合成酶、转运蛋白的基因所受到的正常抑制失效。在大肠杆菌中，一种操纵子的mRNA编码了两种生物合成酶(biosynthetic enzyme)．在该mRNA的引导序列中，有一段序列与核糖体的结合位点靠得很近。我们证实，B1能诱导该mRNA的结构发生变化，紧紧封锁了与核糖体的结合位点。后来，我们又发现，在这个引导序列中，一个含有91个核苷酸的短小序列能与B1结合。与我们制作的人工传感器一样，这个核糖开关含有一个独立的天然核酸适体，与RNA序列中的编码序列相连，进而调控B1的合成。
因此，我们至少发现了两种具有明显调控功能的mRNA，它们可以自行决定是否翻译自身编码的蛋白质，而不需要监控蛋白的介入。mRNA不是只会从DNA那里被动接受信息的复制品，它们可以将自己折叠成特定的形状，主动选择自身的命运。这两种RNA并非生物学上的奇异现象，那些蛰伏在科学文献中、与多种基础细胞代谢有关的天然RNA开关，很快便走进了科学家的视野。
与枯草芽孢杆菌有亲缘关系的细菌中，都含有一段相同的RNA序列，我们后来才知道这是一种核糖开关，它能识别腺苷甲硫氨酸(S-adenosylmethionine，缩写为SAM)。控制着辅酶B2的合成与转运的一段已知RNA片段则是另一个核糖开关。在大肠杆菌中，有一段mRNA序列曾被认为编码了一种蛋白质，用以监控赖氨酸的合成，但实际上，这也是一个复杂的赖氨酸核酸适体的一部分，该核酸适体也在很多细菌中调控着氨基酸的合成。由此可见，核糖开关是一种普遍存在的调控基因表达的形式。
关闭核糖开关
如果能找到某种药物，使细菌产生“幻觉”，误以为已经有足够的营养物质，从而关闭细菌的基因表达，让它无法获得重要的营养成分，也许就能让细菌因营养不良而死亡。
到目前为止，通过核酸适体结构，我们已经发现了十多种核糖开关。尽管它们在某些特征和机理上有所不同，但已表现出一些普遍性。核糖开关是一种mRNA，能调控自身基因的表达——要么将自己携带的信息翻译成蛋白质，要么在核糖体进行翻译之前，选择“自杀”。之所以能做到这一点，是因为核糖开关拥有感测目标代谢产物的能力，可以监控细胞对自己编码的蛋白质的需求，然后相应地改变自己的结构。因而，核糖开关具有两大重要部分：感测代谢产物的核酸适体和“表达平台”序列(负责编码蛋白质的工作)。
核酸适体是特定小分子代谢产物的复合受体，即使在亲缘关系相距甚远的生物中，同一类核酸适体的核心结构都是相同的。核糖开关的表达平台(包括一部分核酸适体结构)包含的一些序列，能够通过重组自身结构来影响基因表达。我们最初发现的B12和B1核糖开关所拥有的表达平台，都能通过改变自己的构型，隐藏能被核糖体识别的序列，从而阻碍翻译的起始。其他含有相同核酸适体的核糖开关的表达平台，则能使mRNA形成终止子发夹结构，提早终止mRNA转录。
随着我们对核糖开关的了解越来越深，我们不禁感叹，进化机制实在太精密了!例如，在细胞中，识别代谢产物必须要在几秒钟内完成，因为RNA聚合酶合成出一段mRNA引导序列，然后核糖体与之结合并开始翻译所用的时间，就只有这短短的几秒钟。因此，核糖开关能否感测到目的分子的决定性因素，在于它与代谢物结合的速度，而不是强度。在核酸适体和表达平台之间，有一段调速序列，能使RNA聚合酶暂时停止工作。有时，由此产生的时间延迟非常重要，因为这样就能为核酸适体留下充足的时间，去捕捉代谢产物，从而适当地重组表达平台。
当我们开始在细菌的基因组中搜索新的核糖开关时，更多的惊喜冒了出来。仅在枯草芽孢杆菌的基因组中，我们就发现了8个具有核糖开关特征的新序列。其中一个具有两个核酸适体，它的功能似乎是启动基因表达，而不是关闭表达。还有一个不仅是核糖开关，而且还是一种可以由代谢产物激活的核酶。这种核酶的表达平台不会发生结构上的重组，而是进行自我剪切，也就是说，它能够在自己携带的信息被翻译之前，进行自我毁灭。
在目前所发现的核糖开关中，只有一类存在于多细胞生物(真核生物)中，其余的只存在于细菌中。真核生物的基因调控机制比细菌复杂，而且从DNA序列到蛋白质合成的途径也更加迂回。在真核生物中，最初的基因转录产物并不是可以直接翻译成蛋白质的短小mRNA序列，而是含有大量非编码序列(内含子)的原始mRNA。它必须经过剪切，去除内含子之后，才能被翻译成蛋白质。就在这个剪切阶段，我们发现了一个核糖开关。
在许多真菌和植物(包括水稻)中，辅酶B1的核酸适体出现在合成硫胺(thiamine)的操纵子的『人]含子序列中。当核糖开关与B1结合时，它们似乎能够导致内含子周围的RNA结构发生重组，从而阻止剪切的进行。虽然我们对这个过程的详细情况还不甚了解，但是它也许能封闭mRNA上的全部信息，或者阻止mRNA被转移到细胞中适合的部位进行翻译。
有趣的是，有一种已知的抗真菌药物能够与B1核糖开关结合。有证据显示，这种药物能够让真菌产生“幻觉”，误以为已经有足够的B1从而阻止真菌合成更多的B1。因为真菌实际上并没有获得这种重要的营养成分，它的生长就会放缓，最终可能因B1的缺乏而死亡。正如这个例子所示，在很多微生物中，核糖开关起着非常关键的作用——调控重要养分的供应，因此它有望成为抗生素的新的作用靶标。
现在我们已经知道，核糖开关是很多致病细菌的“命门”，它调控着多种重要代谢产物的产生。许多研究人员都在寻找可以“欺骗”这些细菌的分子，让核糖开关的核酸适体将“欺骗分子”当作天然代谢产物，从而诱发对细菌有害的基因调控反应。
一些研究小组也在尝试用人工核糖开关来控制活细胞的基因表达(例如在基因疗法中的应用)。他们想设计一种开关，能用类似药物的无害分子来启动，然后将这个开关整合到治疗性基因(therapeutic gene)中。医生把带有人工开关的基因注入病人的细胞中，让病人服用含有“触发分子”的药物，开启这个开关。就像核糖开关在抗生素领域的应用一样，这种应用也处于研究的初级阶段。
当年发现核酶后，科学家给这些古老的分子赋予了现代的用途，这让很多人感到惊喜和振奋。现在，核糖开关的出现，让人们再度惊喜和兴奋起来。我们今天似乎只保留了远古RNA世界遗留下来的少量片段，但这些具有复杂机制和调控作用的RNA装置却仍然顽强地存在于现代生物体内。我们不禁想知道，这些核糖开关是不是RNA世界留下来的最后一丝遗迹，或者说在现代细胞(甚至人类的细胞)中，是不是还有更多的原始分子在细胞的代谢及管理过程中起着作用。也许，它们正在默默等待着我们去发现。