10月7日，瑞典卡羅琳醫(yī)學(xué)院宣布，將2024年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎授予科學(xué)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(jì)80年代，這兩位科學(xué)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(biāo)（lin-14），揭示了一種全新的基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制，為理解基因調(diào)控和疾病發(fā)生機(jī)制開辟了新的研究方向，對現(xiàn)代分子生物學(xué)和醫(yī)學(xué)研究產(chǎn)生了深遠(yuǎn)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(xué)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(xué)特性，成為了遺傳學(xué)、發(fā)育生物學(xué)、神經(jīng)科學(xué)及衰老等領(lǐng)域的重要模型生物，相關(guān)研究此前已多次獲得諾獎。
據(jù)不完全統(tǒng)計，2002年，科學(xué)家們利用線蟲發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞程序性死亡的遺傳調(diào)控機(jī)理，獲得了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎；2006年，科學(xué)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(xué)或醫(yī)學(xué)獎；2008年又有科學(xué)家在線蟲中建立綠色熒光蛋白研究基因表達(dá)的方法而獲得諾貝爾化學(xué)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(xué)機(jī)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(xì)菌為食。它的身體構(gòu)造簡單，只有302個神經(jīng)元，但卻能夠展示出復(fù)雜的行為，提供豐富的生物學(xué)信息。這種適度的生物復(fù)雜性使得研究者能夠在細(xì)胞和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的層面上進(jìn)行深入研究。
對于科學(xué)家而言，選擇合適的模型生物是研究成功的關(guān)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(gòu)
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(gòu)和細(xì)胞活動。這種特性使得生物學(xué)家能夠在顯微鏡下實時觀察細(xì)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(xué)學(xué)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(xué)家能夠在短時間內(nèi)進(jìn)行多代實驗，從而觀察遺傳變化和進(jìn)化過程。此外，線蟲還可以進(jìn)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(jìn)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(xué)示意圖（圖片來源：蘇黎世大學(xué)）
·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(rèn)為是空間生命科學(xué)研究中的重要模式生物，可以用來探索太空環(huán)境對機(jī)體的生長、發(fā)育、生殖、運(yùn)動、衰老等方面的影響與作用機(jī)制。早在1992年，美國“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機(jī)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(wù)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(xué)家西德尼·布倫納（Sydney Brenner）將其引入實驗室研究，強(qiáng)調(diào)其作為分子生物學(xué)研究模型的潛力。布倫納的工作為秀麗隱桿線蟲的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
·完整的細(xì)胞譜系圖
雌雄同體的秀麗隱桿線蟲只有959個體細(xì)胞，每一個體細(xì)胞的功能在個體之間幾乎不變。布倫納及其團(tuán)隊繪制了完整的線蟲細(xì)胞譜系圖，記錄了從受精卵到成蟲的每一個細(xì)胞分裂。這一圖譜不僅幫助生物學(xué)家理解了細(xì)胞如何分化，也為研究細(xì)胞發(fā)育過程中的關(guān)鍵因素提供了基礎(chǔ)。
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(gòu)和功能，理解動物如何感知和響應(yīng)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(xué)研究的另一個重要里程碑。此項工作不僅提供了有關(guān)個別基因和基因間關(guān)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(dǎo)。
相關(guān)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(xué)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(xué)的認(rèn)知。
·程序性細(xì)胞死亡
布倫納及其學(xué)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(xì)胞死亡”機(jī)制而獲得2002年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。他們識別出調(diào)控細(xì)胞凋亡的關(guān)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(xué)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(xì)胞能夠抑制基因的表達(dá)。RNA干擾隨后成為遺傳學(xué)研究中的重要工具，研究者可以通過這種方法關(guān)閉特定基因，進(jìn)而研究其功能。法爾和梅洛因此獲得2006年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。
·蛋白質(zhì)標(biāo)記技術(shù)的發(fā)展
以秀麗隱桿線蟲為載體，美國科學(xué)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(biāo)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(shù)為生物學(xué)研究者提供了一種強(qiáng)大的視覺標(biāo)記工具，廣泛應(yīng)用于不同物種和細(xì)胞類型的實驗中。查爾菲因其貢獻(xiàn)于2008年獲得諾貝爾化學(xué)獎。
圖片來源：哈佛醫(yī)學(xué)院
·衰老機(jī)制的研究
1993年，美國科學(xué)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(jī)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(shù)的不斷進(jìn)步，秀麗隱桿線蟲的研究將繼續(xù)為科學(xué)界提供新的視角和工具。基因編輯技術(shù)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(shù)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(xué)的未解之謎提供了更多可能性。
來源：北京科技報
撰文：丁林
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