斬獲2024年諾獎(jiǎng)的microRNA，是什么新科學(xué)？

作者：李兆瀅 劍橋大學(xué)工程學(xué)博士

10月7日，2024年諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予安布羅斯（Victor Ambros）和魯弗肯（GaryRuvkun），以表彰他們?cè)趍icroRNA發(fā)現(xiàn)及其在轉(zhuǎn)錄后基因調(diào)控中作用研究方面的貢獻(xiàn)。那么，究竟什么是 microRNA，什么又是轉(zhuǎn)錄后基因調(diào)控？為什么他們的研究如此重要呢？讓我們從頭開始說起。

每個(gè)人的身體都由大約50 ~ 70萬億個(gè)細(xì)胞組成。在每個(gè)細(xì)胞的細(xì)胞核內(nèi)，都包含了我們的DNA。DNA是由許多片段組成的，這些片段包括了我們所說的基因，它們中一大部分是合成蛋白質(zhì)的“配方”。其中每個(gè)基因編碼一種特定的蛋白質(zhì)，而這些蛋白質(zhì)則是維持我們身體功能的關(guān)鍵。

但問題是，DNA存在于細(xì)胞核，那么，遺傳信息是如何從細(xì)胞核傳遞給制造蛋白質(zhì)的核糖體呢？這里就需要一個(gè)叫“轉(zhuǎn)錄”的過程。在這個(gè)過程中，遺傳信息會(huì)被轉(zhuǎn)移到一種叫做信使RNA（mRNA）的分子上。mRNA將這些信息從細(xì)胞核帶到核糖體，核糖體就像蛋白質(zhì)工廠一樣，將mRNA上的信息“翻譯”成蛋白質(zhì)。接著，新合成的蛋白質(zhì)會(huì)被送往身體需要它的地方，執(zhí)行各種功能，比如構(gòu)建肌肉、傳遞信號(hào)或分解食物等等。

而正如不同的廚師根據(jù)不同的配方制作不同的菜肴，人體中不同類型的細(xì)胞也只會(huì)讀取與其功能相關(guān)的DNA“配方”。這種選擇性過程被稱為基因調(diào)控，它決定了每個(gè)細(xì)胞會(huì)合成哪些蛋白質(zhì)以及合成的數(shù)量。這個(gè)過程確保了細(xì)胞在正確的時(shí)間、以正確的數(shù)量生產(chǎn)所需的蛋白質(zhì)。

今年的諾獎(jiǎng)得主安布羅斯和魯弗肯的發(fā)現(xiàn)揭示了基因調(diào)控的另一層復(fù)雜性。他們發(fā)現(xiàn)，一類被稱為microRNA的小RNA分子在基因調(diào)控中扮演了關(guān)鍵角色。與負(fù)責(zé)蛋白質(zhì)合成的mRNA不同，microRNA本身不編碼蛋白質(zhì)。相反，它們會(huì)與特定的mRNA分子結(jié)合，并阻止這些mRNA翻譯成蛋白質(zhì)。這種微調(diào)機(jī)制對(duì)于維持身體的平衡至關(guān)重要，它幫助細(xì)胞調(diào)控蛋白質(zhì)的數(shù)量和類型。

microRNA的發(fā)現(xiàn)要追溯到20世紀(jì)80年代末，當(dāng)時(shí)安布羅斯和魯弗肯正在研究一種名為秀麗隱桿線蟲（C. elegans）的小型線蟲。這種只有一毫米長的生物雖然極其微小，但它體內(nèi)的許多細(xì)胞類型與人類及其他復(fù)雜生物相似，因此成為遺傳學(xué)研究的理想模型。

安布羅斯和魯弗肯研究的重點(diǎn)是探明基因如何控制線蟲的發(fā)育過程，尤其是那些在發(fā)育時(shí)間上出現(xiàn)異常的突變體。經(jīng)過深入研究，安布羅斯團(tuán)隊(duì)找到了一個(gè)名為lin-4的基因，發(fā)現(xiàn)它與發(fā)育時(shí)間的異常有關(guān)。然而，與眾不同的是，lin-4并不像典型的基因那樣編碼蛋白質(zhì)，而是生成了一種非常短的小RNA分子，這種RNA不編碼任何蛋白質(zhì)——這就是后來被稱為microRNA的小分子RNA。這個(gè)發(fā)現(xiàn)十分令人意外，因?yàn)楫?dāng)時(shí)科學(xué)家們尚未認(rèn)識(shí)到小RNA分子在基因調(diào)控中的作用。

與此同時(shí)，魯弗肯的研究發(fā)現(xiàn)了lin-4的作用對(duì)象：一個(gè)名為lin-14的基因。lin-14在線蟲早期發(fā)育階段起著重要作用，但到了特定時(shí)間點(diǎn)，這個(gè)基因必須被關(guān)閉，以便發(fā)育繼續(xù)進(jìn)行。lin-4的microRNA與lin-14的mRNA結(jié)合，阻止其被翻譯成蛋白質(zhì)，從而抑制其功能，使得線蟲能夠順利從一個(gè)發(fā)育階段過渡到下一個(gè)階段。

安布羅斯和魯弗肯的研究發(fā)現(xiàn)了一種新的基因調(diào)控原理，但當(dāng)他們?cè)?993年發(fā)表這一成果時(shí)，并沒有引起關(guān)注。因?yàn)槠渌苏J(rèn)為這種不尋常的基因調(diào)控機(jī)制可能只發(fā)生在秀麗隱桿線蟲上。這種看法在2000年發(fā)生了轉(zhuǎn)變。當(dāng)時(shí)，魯弗肯團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了另一種重要的microRNA，名為let-7。let-7的特殊之處在于，它不僅存在于線蟲中，還存在于包括人類在內(nèi)的許多其他物種。

如今，科學(xué)家們已經(jīng)確定，人類體內(nèi)有超過一千種不同的microRNA，它們?cè)诨虮磉_(dá)的精確調(diào)控中發(fā)揮著重要作用。

microRNA的發(fā)現(xiàn)對(duì)理解細(xì)胞如何調(diào)節(jié)其功能具有深遠(yuǎn)的影響。通過microRNA進(jìn)行的基因調(diào)控機(jī)制已經(jīng)存在了數(shù)億年，為復(fù)雜生命形式的進(jìn)化提供了可能。如果沒有microRNA，細(xì)胞將無法精確地控制其生長、發(fā)育及日常功能。

今年的諾貝爾獎(jiǎng)是對(duì)基礎(chǔ)研究的表彰?；A(chǔ)研究旨在拓展我們對(duì)自然世界的理解，滿足我們的好奇心。雖然microRNA的發(fā)現(xiàn)似乎與直接治愈某種疾病沒有直接關(guān)系，但它為未來的醫(yī)學(xué)突破奠定了基礎(chǔ)。目前我們已經(jīng)知道，microRNA的異?；顒?dòng)與癌癥、心臟病等疾病有關(guān)，科學(xué)家們也在探索如何利用microRNA進(jìn)行治療。

總而言之，安布羅斯和魯弗肯對(duì)microRNA的發(fā)現(xiàn)揭開了基因調(diào)控的隱藏層面，為未來的研究開辟了新的方向。他們的工作提醒我們，基礎(chǔ)科學(xué)研究的重要性——即使是微小的分子，也可能對(duì)生命產(chǎn)生最大的影響。

本文為科普中國·星空計(jì)劃扶持作品

作者：李兆瀅

審核：梁前進(jìn)北京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 教授

出品：中國科協(xié)科普部

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