2024年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎：揭示基因調(diào)控的隱藏力量

出品：科普中國

作者：可可

監(jiān)制：中國科普博覽

2024年10月7日，瑞典卡羅琳醫(yī)學(xué)院宣布，將今年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎授予美國科學(xué)家Victor Ambros和Gary Ruvkun，以表彰他們在發(fā)現(xiàn)微小RNA（microRNA）及其在基因調(diào)控中的作用方面做出的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)。這項突破性發(fā)現(xiàn)揭示了生命調(diào)控的一個全新維度，對我們理解生命過程具有深遠(yuǎn)影響。

來自馬薩諸塞大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Victor Ambros和來自波士頓市麻省總醫(yī)院及哈佛醫(yī)學(xué)院的Gary Ruvkun榮獲2024年諾貝爾生理學(xué)及醫(yī)學(xué)獎

（圖片來源：諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎委員會）

microRNA——基因表達(dá)的新調(diào)控者

要理解這項發(fā)現(xiàn)的重要性，我們需要先了解基因表達(dá)的基本過程。

在生物學(xué)中，DNA中的遺傳信息通過一系列步驟最終產(chǎn)生蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)是執(zhí)行生命功能的主要分子。而Ambros和Ruvkun的發(fā)現(xiàn)為這個過程增添了一個新的調(diào)控層面。

每個細(xì)胞都含有相同的染色體組，因此擁有完全相同的基因集合。細(xì)胞類型特異性功能的產(chǎn)生是由于在每種細(xì)胞類型中只有特定的一部分基因被激活。

（圖片來源：諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎委員會。插圖：Mattias Karlén）

他們發(fā)現(xiàn)的微小RNA是一類很短的RNA分子，通常只有20-24個核苷酸長。這些微小分子不產(chǎn)生蛋白質(zhì)，而是通過影響其他RNA分子來調(diào)節(jié)基因的活動。

我們可以把微小RNA比作一個精密的“音量調(diào)節(jié)器”。就像我們可以通過調(diào)節(jié)音響的音量旋鈕來控制聲音的大小，微小RNA能夠精確地調(diào)節(jié)基因表達(dá)的強(qiáng)度和時間。

從線蟲到人類的驚人發(fā)現(xiàn)

如今，這一重大發(fā)現(xiàn)源于Ambros和Ruvkun對一種非常低等的動物——線蟲的研究。上世紀(jì)80年代，Ambros和Ruvkun在研究線蟲生長相關(guān)的生理學(xué)機(jī)制時，偶然發(fā)現(xiàn)了一個奇怪的“指揮官”。這個“指揮官”就是lin-4基因。

通常，基因的工作是指導(dǎo)細(xì)胞制造蛋白質(zhì)，就像工廠里的設(shè)計圖紙。但是，lin-4這個“指揮官”不一樣，它不制造蛋白質(zhì)，而是產(chǎn)生了一種很短的RNA分子。更有趣的是，這個短小的RNA分子似乎能夠影響另一個基因lin-14的工作。

這就好比在一個大工廠里，發(fā)現(xiàn)了一個小小的開關(guān)，居然能控制整個生產(chǎn)線的運(yùn)轉(zhuǎn)！

1993年，Ambros和Ruvkun分別發(fā)表論文，解釋了這個神奇的控制過程。他們發(fā)現(xiàn)lin-4 RNA就像一把鑰匙，能夠與lin-14基因產(chǎn)生的信使RNA（也就是mRNA，注意其縮寫容易與microRNA混淆）的某些部分完美匹配。當(dāng)這把“鑰匙”插入“鎖孔”后，就會阻止lin-14產(chǎn)生蛋白質(zhì)。

科學(xué)家們在研究lin-4和lin-14這兩個基因時，發(fā)現(xiàn)了一件非常有趣的事情。lin-4基因產(chǎn)生的一小段microRNA，就像一個微型密碼，而這個密碼恰好能部分匹配lin-14基因末端的一些重復(fù)片段。這就像是發(fā)現(xiàn)了兩個基因之間的秘密通信方式！

（圖片來源：諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎委員會。插圖：Mattias Karlén）

microRNA的發(fā)現(xiàn)就像是揭示了生命中的一個隱藏開關(guān)，為我們理解生命如何精確調(diào)控自己開啟了一扇新的大門。

然而，這個發(fā)現(xiàn)一開始并沒有引起太多關(guān)注。

直到2000年，Ruvkun的實驗室發(fā)現(xiàn)了名為let-7的第二個微小RNA。讓科學(xué)家們興奮的是，let-7不僅存在于線蟲中，還在人類和其他動物中被發(fā)現(xiàn)。

這意味著，微小RNA調(diào)控機(jī)制在動物進(jìn)化中具有普遍性和重要性。

微小RNA的廣泛作用

隨著研究的深入，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)微小RNA參與調(diào)控生物體發(fā)育和生理過程的方方面面：

在動物的成長過程中，微小RNA幫助控制各個發(fā)育階段的精確時間。

例如，在線蟲從幼蟲到成蟲的轉(zhuǎn)變過程中，lin-4和let-7起著關(guān)鍵作用。微小RNA還參與決定細(xì)胞的命運(yùn)。它們可以穩(wěn)定特定細(xì)胞類型的特征，同時抑制其他細(xì)胞類型的基因表達(dá)。這對于維持組織的正常功能至關(guān)重要。

顯示動物發(fā)育異常的線蟲lin-4和lin-14突變體。lin-4突變體重復(fù)執(zhí)行細(xì)胞譜系的發(fā)育程序，導(dǎo)致體內(nèi)積累卵子但沒有形成外陰；而lin-14突變體體型較小，缺乏幼蟲期發(fā)育。線蟲圖像改編自(Ambros, 2008)

**在成年生物體內(nèi)，微小RNA幫助維持各種組織的穩(wěn)態(tài)。**它們像一個精密的平衡器，確保細(xì)胞內(nèi)各種基因的表達(dá)水平保持在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。

**當(dāng)生物遇到環(huán)境壓力時，某些微小RNA還能幫助細(xì)胞做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。**它們可以迅速調(diào)整基因表達(dá)，使細(xì)胞能夠應(yīng)對外部變化。

從實驗室到臨床：微小RNA的醫(yī)學(xué)應(yīng)用

科學(xué)家們已發(fā)現(xiàn)，微小RNA的異常與多種疾病有關(guān)，包括癌癥、心臟病和神經(jīng)系統(tǒng)疾病等。這為疾病的診斷和治療提供了新的思路。

在診斷方面，某些微小RNA可以作為疾病的生物標(biāo)志物。例如，通過檢測血液中某些微小RNA的水平，醫(yī)生可能在未來更早地發(fā)現(xiàn)某些癌癥。這種無創(chuàng)的檢測方法有望革新疾病的早期診斷。

在治療方面，科學(xué)家們正在探索通過調(diào)節(jié)特定微小RNA的活性來治療疾病。例如，在某些癌癥中，一些微小RNA的表達(dá)異常升高，而另一些則異常降低。通過恢復(fù)這些微小RNA的正常水平，可能達(dá)到抑制腫瘤生長的效果。

微小RNA還在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出潛力。研究表明，通過操控某些微小RNA，可以影響干細(xì)胞的分化方向，這為組織修復(fù)和器官再生提供了新的可能性。

microRNA：從被人冷落到未來可期

微小RNA的發(fā)現(xiàn)為我們揭示了生命的一個新維度。就像我們發(fā)現(xiàn)了調(diào)控基因的一個隱藏開關(guān)，這個發(fā)現(xiàn)讓我們對生命的復(fù)雜性有了新的認(rèn)識。

但是，我們對微小RNA的了解還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

未來，科學(xué)家們將繼續(xù)探索微小RNA的作用機(jī)制，尋找更多與疾病相關(guān)的微小RNA。同時，如何將實驗室的發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為臨床應(yīng)用，也是一個重要的研究方向。我們可以期待，基于微小RNA的新型診斷工具和治療方法將不斷涌現(xiàn)。

此外，微小RNA研究也可能為其他領(lǐng)域帶來啟發(fā)。例如，在農(nóng)業(yè)中，通過調(diào)控植物的微小RNA，可能培育出抗病蟲害或適應(yīng)氣候變化的新品種。在環(huán)境保護(hù)方面，微小RNA可能成為監(jiān)測生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的新工具。

2024年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎的頒發(fā)，不僅是對Ambros和Ruvkun個人成就的肯定，更是對整個微小RNA研究領(lǐng)域的認(rèn)可。隨著研究的深入，微小RNA領(lǐng)域必將繼續(xù)為生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)帶來更多驚喜和突破。

今天看似無關(guān)緊要的發(fā)現(xiàn)，可能成為未來改變世界的突破口。這就是科學(xué)的魅力所在，也是激勵我們不斷探索的動力。