致敬2024年兩位諾獎(jiǎng)得主：甘坐“冷板凳”，一朝諾獎(jiǎng)天下知

2024年諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主維克多·安布羅斯和加里·魯弗肯

導(dǎo)讀：今年的諾貝爾獎(jiǎng)再次將聚光燈投向了生命科學(xué)領(lǐng)域，表彰了兩位在基因調(diào)控基本原理方面有卓越發(fā)現(xiàn)的科學(xué)家——安布羅斯和魯弗肯，他們發(fā)現(xiàn)了microRNA。

這一發(fā)現(xiàn)不僅揭示了生命體如何精準(zhǔn)地控制基因表達(dá)，從而塑造出復(fù)雜多樣的生物形態(tài)和功能，更為我們理解生命本質(zhì)、探索疾病治療的新途徑提供了寶貴的線索。

深究科學(xué) | 撰文

兩位miRNA發(fā)現(xiàn)者被授予諾獎(jiǎng)

10月7日北京時(shí)間，2024年諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)揭曉，獎(jiǎng)項(xiàng)授予維克多·安布羅斯（Victor Ambros）和加里·魯弗肯（Gary Ruvkun）兩位學(xué)者，他們因發(fā)現(xiàn)微小核糖核酸（miRNA）及其在轉(zhuǎn)錄后基因調(diào)控中的作用而獲獎(jiǎng)。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于理解基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制具有重要意義，也為疾病的治療提供了新的思路。

事實(shí)上，遺傳信息就像一本精密的劇本，從DNA轉(zhuǎn)錄成信使RNA（mRNA），再經(jīng)由細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)生產(chǎn)機(jī)器，將遺傳指令轉(zhuǎn)化為實(shí)實(shí)在在的蛋白質(zhì)。這一過程，自20世紀(jì)中葉以來，已被多項(xiàng)基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)現(xiàn)所揭示。

然而，盡管所有細(xì)胞都攜帶著相同的DNA遺傳信息，我們的器官和組織卻由多種不同類型的細(xì)胞構(gòu)成，它們各自表達(dá)著獨(dú)特的蛋白質(zhì)組合。這一奇妙的現(xiàn)象，正是基因活性調(diào)控的杰作。

基因活性調(diào)控確保了每個(gè)特定類型的細(xì)胞都能激活正確的基因集，從而執(zhí)行其特定的功能。如肌肉細(xì)胞、腸細(xì)胞和不同類型的神經(jīng)細(xì)胞，正是通過這一機(jī)制，才能各司其職，共同維持著生命體的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

此外，基因活性還需不斷微調(diào)，以適應(yīng)我們體內(nèi)和外界環(huán)境的不斷變化。一旦這一調(diào)控機(jī)制出現(xiàn)偏差，就可能引發(fā)嚴(yán)重的疾病，如癌癥、糖尿病或自身免疫性疾病。因此，理解基因活性的調(diào)控機(jī)制，一直是數(shù)十年來科學(xué)研究的重要目標(biāo)。

早在20世紀(jì)60年代，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)了一種名為轉(zhuǎn)錄因子的特殊蛋白質(zhì)，它們能夠結(jié)合到DNA的特定區(qū)域，通過決定哪些mRNA被生產(chǎn)出來，從而控制遺傳信息的流動(dòng)。自那時(shí)以來，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)千種轉(zhuǎn)錄因子，并一度認(rèn)為基因調(diào)控的主要原理已經(jīng)得到解決。

然而，1993年安布羅斯和魯弗肯發(fā)表了一項(xiàng)顛覆性的發(fā)現(xiàn)——miRNA，隨即開啟了一個(gè)全新的領(lǐng)域。當(dāng)時(shí)安布羅斯和魯弗肯對(duì)不同細(xì)胞類型如何發(fā)育充滿了興趣，在他們的不斷努力何探索中，最終發(fā)現(xiàn)了miRNA。這是一種全新的miRNA分子類別，這些分子在基因調(diào)控過程中扮演著重要的角色，不僅揭示了一個(gè)全新的基因調(diào)控原則，更證明了這一原則對(duì)于多細(xì)胞生物，包括人類在內(nèi)的生命體系，具有重大的意義。

獲獎(jiǎng)后，維克多與夫人的合影

如今，我們知道人類基因組中編碼著超過1000多種miRNA。這些微小的分子，以其獨(dú)特的方式，在基因調(diào)控的舞臺(tái)上大放異彩，它們通過復(fù)雜的相互作用網(wǎng)絡(luò)，精確地調(diào)控著基因的表達(dá)，從而影響著生物體的發(fā)育和功能。

從研究小線蟲到發(fā)現(xiàn)miRNA后，兩位學(xué)者被冷落了7年

20世紀(jì)80年代末，安布羅斯和魯弗肯是H. Robert Horvitz實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員。Horvitz后來于2002年與Sydney Brenner和John E. Sulston共同獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。Horvitz利用線蟲作為研究對(duì)象，揭示了器官發(fā)育和細(xì)胞程序化死亡是如何受基因調(diào)控的。

也正受到導(dǎo)師的影響，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)室里， 安布羅斯和 魯弗肯研究了一種看似不起眼的1毫米長的秀麗隱桿線蟲（C. elegans），這種蟲子盡管體型微小，卻擁有許多與更大、更復(fù)雜的動(dòng)物體內(nèi)相同的專門細(xì)胞類型，如神經(jīng)細(xì)胞和肌肉細(xì)胞，此外它具有壽命短、易于控制生長條件、通體透明、體細(xì)胞數(shù)目恒定且特定細(xì)胞位置固定等優(yōu)點(diǎn)，使其成為研究個(gè)體發(fā)生、發(fā)育生物學(xué)、遺傳學(xué)以及神經(jīng)生物學(xué)的理想模型。

安布羅斯和魯弗肯對(duì)控制不同遺傳程序激活時(shí)間的基因非常感興趣，這些基因確保了各種細(xì)胞類型在正確的時(shí)間發(fā)育。他們研究了兩種突變體線蟲——lin-4和lin-14，這兩種線蟲在發(fā)育過程中遺傳程序的激活時(shí)間上存在缺陷。他們希望能識(shí)別出突變的基因并了解其功能。

在此前的研究中，安布羅斯已經(jīng)證明lin-4基因似乎是lin-14基因的負(fù)調(diào)節(jié)因子。然而，lin-14活性是如何被阻斷的，當(dāng)時(shí)仍不得而知。安布羅斯和魯弗肯對(duì)這些突變體及其潛在關(guān)系產(chǎn)生了濃厚興趣，并著手解開這些謎團(tuán)。

離開Horvitz實(shí)驗(yàn)室之后，安布羅斯在哈佛大學(xué)新建的實(shí)驗(yàn)室里對(duì)lin-4突變體進(jìn)行了深入分析。通過系統(tǒng)的基因作圖，他成功克隆了lin-4基因，并有了意外的發(fā)現(xiàn)。lin-4基因產(chǎn)生了一種異常短的RNA分子，這種分子缺乏編碼蛋白質(zhì)的代碼。這些令人驚訝的結(jié)果表明，來自lin-4這種小分子RNA負(fù)責(zé)抑制lin-14。那么，這是如何工作的呢？

與此同時(shí)，魯弗肯在麻省總醫(yī)院和哈佛醫(yī)學(xué)院新建的實(shí)驗(yàn)室里，他研究了lin-14基因的調(diào)控機(jī)制。與當(dāng)時(shí)已知的基因調(diào)控機(jī)制不同，魯弗肯發(fā)現(xiàn)并不是lin-14的mRNA產(chǎn)生被lin-4所抑制，調(diào)控似乎發(fā)生在基因表達(dá)過程的后期階段，即通過關(guān)閉蛋白質(zhì)生產(chǎn)來實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)還揭示了lin-14 mRNA中一段對(duì)于lin-4抑制其活性所必需的序列。

安布羅斯和魯弗肯比較了他們的發(fā)現(xiàn)，并共同探索，從而取得了突破性進(jìn)展。他們發(fā)現(xiàn)，短的lin-4序列與lin-14 mRNA關(guān)鍵段中的互補(bǔ)序列相匹配。他們進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證明，lin-4 miRNA通過與lin-14 mRNA中的互補(bǔ)序列結(jié)合，從而關(guān)閉了lin-14，阻斷了lin-14蛋白質(zhì)的產(chǎn)生，接著他們發(fā)現(xiàn)了一種新的基因調(diào)控原理，這種原理是由一種以前未知的RNA類型——miRNA介導(dǎo)的。這一結(jié)果于1993年在《細(xì)胞》雜志上發(fā)表了兩篇文章。

然而，這一發(fā)表的結(jié)果最初在科學(xué)界幾乎沒有得到回應(yīng)。盡管結(jié)果很有趣，但這種不尋常的基因調(diào)控機(jī)制被認(rèn)為只是秀麗隱桿線蟲的一種特性，可能與人類和其他更復(fù)雜的動(dòng)物無關(guān)。

這種看法在2000年發(fā)生了改變，當(dāng)時(shí)魯弗肯的研究小組發(fā)表了他們發(fā)現(xiàn)的另一種由let-7基因編碼的miRNA。與lin-4不同，let-7基因在整個(gè)動(dòng)物界中高度保守。這篇文章引起了極大的興趣，在接下來的幾年里，人們發(fā)現(xiàn)了數(shù)百種不同的miRNA。如今，我們知道人類體內(nèi)有超過一千種不同的miRNA基因，并且miRNA介導(dǎo)的基因調(diào)控在多細(xì)胞生物中是普遍存在的。

miRNA如何進(jìn)行基因調(diào)控

miRNA是一類重要的非編碼RNA分子，在基因表達(dá)調(diào)控中發(fā)揮著不可替代的作用。它們通過復(fù)雜的調(diào)控機(jī)制和精細(xì)的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞生長、發(fā)育和疾病進(jìn)程的精確控制。

miRNA的生物合成是一個(gè)復(fù)雜而精確的過程，它始于細(xì)胞核內(nèi)的轉(zhuǎn)錄過程，主要包括編碼作用和非編碼作用兩種路徑。在編碼作用中，miRNA的結(jié)構(gòu)被編碼在RNA聚合酶II轉(zhuǎn)錄的pri-miRNA中，經(jīng)過加工形成預(yù)miRNA，再轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞質(zhì)中，通過核酸酶和Dicer酶的剪切作用，最終生成成熟的miRNA。而在非編碼作用中，miRNA序列則存在于非編碼RNA的內(nèi)含子或外顯子區(qū)域，通過內(nèi)含子剪切或外顯子剪切的方式產(chǎn)生成熟miRNA。

很顯然，沒有miRNA的參與，細(xì)胞與組織無法正常發(fā)育。一旦miRNA的調(diào)控出現(xiàn)異常，便可能引發(fā)癌癥等嚴(yán)重疾病。編碼miRNA的基因發(fā)生突變，已在人類中導(dǎo)致先天性聽力損失、眼部及骨骼疾病等多種病癥。

此外，miRNA生產(chǎn)過程中的一種關(guān)鍵蛋白質(zhì)發(fā)生突變，還會(huì)引發(fā)DICER1綜合征，這是一種罕見但嚴(yán)重的疾病，與多種器官和組織的癌癥密切相關(guān)。

隨著研究的不斷深入和技術(shù)的不斷發(fā)展，我們有望對(duì)miRNA的調(diào)控機(jī)制和調(diào)控方式有更全面的認(rèn)識(shí)，并探索出更多的針對(duì)性調(diào)控策略，為生命科學(xué)研究和醫(yī)學(xué)治療開辟新的篇章。

兩位諾獎(jiǎng)得主簡介

安布羅斯是一位備受尊敬的美國發(fā)育生物學(xué)家，他于1953年出生于美國新罕布什爾州的漢諾威，1979年獲得麻省理工學(xué)院（MIT）博士學(xué)位，1979年至1985年，安布羅斯在麻省理工學(xué)院進(jìn)行博士后研究，期間積累了豐富的科研經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)。

1985年，他成為哈佛大學(xué)的主要研究員，開始獨(dú)立領(lǐng)導(dǎo)科研項(xiàng)目，并在該領(lǐng)域取得了顯著的成果。并在1992年至2007年期間擔(dān)任達(dá)特茅斯醫(yī)學(xué)院的教授。如今，他是馬薩諸塞大學(xué)醫(yī)學(xué)院自然科學(xué)領(lǐng)域的西爾弗曼教授。值得一體的是，一位華人學(xué)者Roselind Lee當(dāng)年在安布羅斯實(shí)驗(yàn)室讀博，參與了安布羅斯早年對(duì)miRNA幾乎所有的重要發(fā)現(xiàn)，后來這位優(yōu)秀的學(xué)生，與安布羅斯喜結(jié)連理，成為名正言順的“科研贏家”。

魯弗肯則是一位在RNA調(diào)控領(lǐng)域做出杰出貢獻(xiàn)的科學(xué)家，他的研究成果不僅推動(dòng)了生命科學(xué)的發(fā)展，還為人類理解生物體的基因表達(dá)、發(fā)育和疾病進(jìn)程提供了新的視角和方法。

他于1952年出生在美國加利福尼亞州的伯克利，1982年獲得哈佛大學(xué)博士學(xué)位，并在麻省理工學(xué)院從事博士后研究。1985年，他成為馬薩諸塞州總醫(yī)院和波士頓哈佛醫(yī)學(xué)院的主要研究員，現(xiàn)任遺傳學(xué)教授。

可以說，兩位學(xué)者在miRNA領(lǐng)域的原創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)，不僅為我們打開一扇理解基因調(diào)控的大門，還開啟了miRNA領(lǐng)域這個(gè)全新的研究領(lǐng)域，全球有無數(shù)分子生物學(xué)家從事這方面的研究，每年有成千上萬篇論文發(fā)表出來，為我們揭示生命的奧秘。

審核：梁英 空軍軍醫(yī)大學(xué)第二附屬醫(yī)院藥劑科副研究員

出品：中國科協(xié)科普部

監(jiān)制：中國科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司