10月7日,瑞典卡羅琳醫(yī)學院宣布,將2024年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎授予科學家維克托·安布羅斯(Victor Ambros)和加里·魯夫昆(GaryRuvkun),表彰他們發(fā)現(xiàn)了微小RNA(microRNA)及其在轉(zhuǎn)錄后基因調(diào)控中的作用。
上世紀80年代,這兩位科學家在秀麗隱桿線蟲(C.elegans)體內(nèi)共同發(fā)現(xiàn)了第一個微小RNA(lin-4)及其調(diào)控靶標(lin-14),揭示了一種全新的基因表達調(diào)控機制,為理解基因調(diào)控和疾病發(fā)生機制開辟了新的研究方向,對現(xiàn)代分子生物學和醫(yī)學研究產(chǎn)生了深遠影響。經(jīng)過40余年的研究和積累,二人終于在2024年獲得諾獎。
值得一提的是,幫助兩位科學家斬獲諾獎的秀麗隱桿線蟲,是一種體長僅1毫米的非寄生性蠕蟲。它憑借自身獨特的生物學特性,成為了遺傳學、發(fā)育生物學、神經(jīng)科學及衰老等領域的重要模型生物,相關研究此前已多次獲得諾獎。
據(jù)不完全統(tǒng)計,2002年,科學家們利用線蟲發(fā)現(xiàn)了細胞程序性死亡的遺傳調(diào)控機理,獲得了諾貝爾生理學或醫(yī)學獎;2006年,科學家們利用線蟲發(fā)現(xiàn)了RNA干擾現(xiàn)象而獲得諾貝爾生理學或醫(yī)學獎;2008年又有科學家在線蟲中建立綠色熒光蛋白研究基因表達的方法而獲得諾貝爾化學獎。
雖然“人蟲有別”,但是線蟲研究中所發(fā)現(xiàn)的一些生物學機制,在人類身上也被證實存在
“小透明”的大魅力
秀麗隱桿線蟲是一種長度僅為1毫米的線蟲,通常生活在土壤和腐爛的植物中,以細菌為食。它的身體構造簡單,只有302個神經(jīng)元,但卻能夠展示出復雜的行為,提供豐富的生物學信息。這種適度的生物復雜性使得研究者能夠在細胞和神經(jīng)網(wǎng)絡的層面上進行深入研究。
對于科學家而言,選擇合適的模型生物是研究成功的關鍵之一。秀麗隱桿線蟲作為一種卓越的模型生物,有著多方面的優(yōu)勢:
·透明的身體結(jié)構
秀麗隱桿線蟲通體透明,允許研究者輕松觀察其內(nèi)部結(jié)構和細胞活動。這種特性使得生物學家能夠在顯微鏡下實時觀察細胞分裂、發(fā)育等生物過程,提供了獨特的實驗視角。
圖片來源:倫敦大學學院
·“快速迭代”的生命周期
秀麗隱桿線蟲以大腸桿菌為食,可在實驗室中大量培養(yǎng),且從受精卵發(fā)育到成熟個體的周期僅需約三天。這種快速的生命周期使得科學家能夠在短時間內(nèi)進行多代實驗,從而觀察遺傳變化和進化過程。此外,線蟲還可以進行冷凍,解凍之后仍能繼續(xù)研究,適合長時間保存。
·易于操控的遺傳特性
自然條件下,大多數(shù)秀麗隱桿線蟲是雌雄同體,每個個體都能夠自體受精并產(chǎn)生約300個后代。這種特性使得研究者能夠輕松操控遺傳特性,便于進行遺傳實驗和研究基因的功能。
雌雄同體(上)和雄性(下)秀麗隱桿線蟲的解剖學示意圖(圖片來源:蘇黎世大學)
·太空之旅“??汀?/strong>
除此之外,秀麗隱桿線蟲也是太空研究的“常客”,因其具備易于搭載、培養(yǎng)成本低、生命周期短、后代數(shù)量多、耐輻射、便于遺傳操作等優(yōu)點,被認為是空間生命科學研究中的重要模式生物,可以用來探索太空環(huán)境對機體的生長、發(fā)育、生殖、運動、衰老等方面的影響與作用機制。早在1992年,美國“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機上就開展了人類歷史上首次線蟲太空實驗。
在我國的神舟八號、十號、十五號和神舟十六號任務中,秀麗隱桿線蟲都曾被帶上太空用于不同的研究(圖片來源:央視網(wǎng))
秀麗隱桿線蟲的研究歷史
秀麗隱桿線蟲于1900年在阿爾及利亞的土壤中首次被發(fā)現(xiàn),其拉丁種名elegans意為“優(yōu)雅”“秀麗”。
1960年代之后,南非生物學家西德尼·布倫納(Sydney Brenner)將其引入實驗室研究,強調(diào)其作為分子生物學研究模型的潛力。布倫納的工作為秀麗隱桿線蟲的廣泛應用奠定了基礎。
·完整的細胞譜系圖
雌雄同體的秀麗隱桿線蟲只有959個體細胞,每一個體細胞的功能在個體之間幾乎不變。布倫納及其團隊繪制了完整的線蟲細胞譜系圖,記錄了從受精卵到成蟲的每一個細胞分裂。這一圖譜不僅幫助生物學家理解了細胞如何分化,也為研究細胞發(fā)育過程中的關鍵因素提供了基礎。
2002年諾貝爾獎獲得者西德尼·布倫納(1927-2019)
·神經(jīng)連接組圖譜
布倫納的研究小組還完整描繪了秀麗隱桿線蟲302個神經(jīng)元的連接圖譜,即連接組(Connectome),這是世界上第一個也是迄今唯一完整的動物神經(jīng)連接組。這一突破性的工作使得研究者能夠深入探討神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構和功能,理解動物如何感知和響應環(huán)境刺激。
·完整基因組測序
1998年,秀麗隱桿線蟲成為第一種完成全基因組測序的動物,這是分子生物學研究的另一個重要里程碑。此項工作不僅提供了有關個別基因和基因間關系的寶貴信息,也為后續(xù)的基因組研究提供了重要的方法指導。
相關研究已多次獲得諾獎
由于開發(fā)了豐富的實驗工具和方法,秀麗隱桿線蟲研究已產(chǎn)生眾多重要的科學發(fā)現(xiàn)(包括諾貝爾獎),這些發(fā)現(xiàn)不僅增加了對這一模型生物本身的理解,也推動了人類對自身生物學的認知。
·程序性細胞死亡
布倫納及其學生約翰·蘇爾斯頓(John Sulston)、羅伯特·霍維茨(Robert Horvitz)因在秀麗隱桿線蟲中發(fā)現(xiàn)“程序性細胞死亡”機制而獲得2002年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。他們識別出調(diào)控細胞凋亡的關鍵基因,并揭示了這一過程在生物發(fā)育及健康疾病中的重要性。
·RNA干擾的發(fā)現(xiàn)
1998年,美國科學家安德魯·法爾(Andrew Fire)和克雷格·梅洛(Craig Mello)利用秀麗隱桿線蟲發(fā)現(xiàn)了RNA干擾(RNAi),這一過程使細胞能夠抑制基因的表達。RNA干擾隨后成為遺傳學研究中的重要工具,研究者可以通過這種方法關閉特定基因,進而研究其功能。法爾和梅洛因此獲得2006年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。
·蛋白質(zhì)標記技術的發(fā)展
以秀麗隱桿線蟲為載體,美國科學家馬丁·查爾菲(Martin Chalfie)首次展示了如何將綠熒光蛋白(GFP)的基因作為標簽添加到感興趣的基因上,使其在特定波段下發(fā)光。這一技術為生物學研究者提供了一種強大的視覺標記工具,廣泛應用于不同物種和細胞類型的實驗中。查爾菲因其貢獻于2008年獲得諾貝爾化學獎。
圖片來源:哈佛醫(yī)學院
·衰老機制的研究
1993年,美國科學家辛西婭·凱尼恩(Cynthia Kenyon)及同事發(fā)現(xiàn),秀麗隱桿線蟲中DAF-2的基因突變可以將其壽命延長超過兩倍。這一發(fā)現(xiàn)引發(fā)了對衰老分子機制的研究,為理解人類衰老提供了重要的線索。
通過分析線蟲蠕動,研究者可以探索太空環(huán)境對生物肌肉力量的影響(圖片來源:NASA)
隨著技術的不斷進步,秀麗隱桿線蟲的研究將繼續(xù)為科學界提供新的視角和工具。基因編輯技術如CRISPR的引入,使得研究者能夠更精確地操控秀麗隱桿線蟲的基因組,從而深入探討基因功能及其對生物體的影響。此外,隨著生物成像技術的發(fā)展,研究者能夠更清晰地觀察秀麗隱桿線蟲內(nèi)部的生物過程,為探索生命科學的未解之謎提供了更多可能性。
來源:北京科技報
撰文:丁林