生信碱移

miRNA领域获得最新诺贝尔奖

“我好像接到了真的诺贝尔委员会的电话！”

加里·鲁夫坎
2024年诺贝尔医学奖得主

▲ 两位诺贝尔奖获奖得主。来源:诺贝尔生理学或医学奖委员会。

就在今天，卡罗林斯卡学院的诺贝尔大会决定将2024年诺贝尔生理学或医学奖共同授予麻省大学医学院自然科学教授维克多·安布罗斯和波士顿哈佛医学院的遗传学教授加里·鲁夫坎，以表彰他们在微小RNA（MicroRNA）及其涉及转录后基因调控过程的相关发现。

• 背景：microRNA作为一种非编码RNA，在多细胞生物中通过调控mRNA的稳定性和翻译，发挥了重要的转录后基因调控作用，适应了从单细胞到多细胞生物进化过程中日益复杂的调控需求。它在动物发育、细胞命运决定以及成人组织功能中发挥着关键作用，对复杂的多细胞生命形式至关重要。

• 发现过程：1993年，维克多·安布罗斯和加里·鲁夫坎发现了第一个microRNA lin-4，它通过与lin-14基因的3'UTR互补调控基因表达；2000年，加里·鲁夫坎实验室发现了高度保守的let-7 microRNA，证实microRNA在多种物种中具有广泛的调控功能。

• 功能与机制：microRNA通过与mRNA的3'UTR部分结合，调控mRNA的翻译和降解，依赖其于目标序列的部分序列互补性，尤其是种子区域的配对来实现基因的精细调控。

• 进化与生理、病理角色：microRNA基因随着生物复杂性的增加在多细胞生物中扩展，并且在发育时序、细胞分化和组织稳态中起着重要作用，进化上高度保守。此外，microRNA基因或其加工途径的突变与多种疾病相关，如DICER1基因突变导致DICER1综合征，并增加肿瘤风险，其他microRNA突变与听力丧失、眼部疾病及骨骼发育异常等相关。

遗传信息通过转录从DNA流向信使RNA（mRNA），然后转化为蛋白质。mRNA根据DNA中存储的遗传指令进行翻译，生产相应的蛋白质。正如上所说，尽管我们所有细胞中的DNA信息相同，但不同类型的细胞会表达出各自特有的蛋白质组，这取决于每种细胞类型中哪些基因被激活。基因活动的精确调控确保了肌肉细胞、肠细胞和神经细胞等专门细胞能正常发挥功能。基因调控出现问题时，可能导致如癌症、糖尿病和自身免疫等严重疾病。因此，半个世纪以来，理解基因活动的调控一直是科学研究的重要目标。

▲ 遗传信息从 DNA 到 mRNA 再到蛋白质的流动示意图：我们体内所有细胞的 DNA 中都存储着相同的遗传信息。这需要精确调节基因活性，以便只有正确的一组基因在每种特定细胞类型中处于活性状态，从而产生细胞特异性的功能适应。来源:诺贝尔生理学或医学奖委员会。

20世纪60年代，科学家们发现转录因子（一类与DNA特定区域结合的特殊蛋白质）可以控制哪些mRNA被产生，从而调控基因信息的流动。虽然数千种转录因子已经被鉴定，但是仍然存在一些未知的机制可能影响基因活动的调控。

▲ 示意图：反式作用因子结合调控元件调节相应的基因转录变化，来源：khanacademy.org

在20世纪80年代末，维克多·安布罗斯和加里·鲁夫坎作为博士后在罗伯特·霍维茨的实验室工作，后者因其在研究秀丽隐杆线虫中的贡献于2002年获得诺贝尔奖。虽然秀丽隐杆线虫仅1毫米长，但它拥有神经细胞和肌肉细胞等复杂生物中也存在的细胞类型，使其成为研究多细胞生物发育的理想模型。维克多·安布罗斯和加里·鲁夫坎当时研究了两种突变的线虫菌株lin-4和lin-14，这两种突变体在发育过程中表现出遗传程序激活时间的缺陷。其中，维克多·安布罗斯首先发现lin-4是lin-14的负调节因子，但具体机制不清楚。

▲ (A) 秀丽隐杆线虫是一种有用的模型生物，可用于了解不同细胞类型如何发育。(B) Ambros和Ruvkun研究了lin-4和lin-14突变体。前者证明lin-4似乎是lin-14的负调节因子。(C) Ambros 发现lin-4基因编码了一种microRNA，它不编码蛋白质。Ruvkun克隆了lin-14基因，两位科学家皆意识到lin-4 microRNA序列与lin-14 mRNA中的互补序列相匹配。来源:诺贝尔生理学或医学奖委员会。

后来，维克多·安布罗斯在其新成立的哈佛大学实验室中系统地研究了lin-4基因的转录图谱，意外发现lin-4产生了一种短小的RNA分子，这种分子不编码蛋白质，但能够抑制lin-14的表达（后来被称为microRNA）。与此同时，加里·鲁夫坎在麻省总医院的实验室中发现lin-4不会抑制lin-14 mRNA的生成，而是通过阻止其翻译调控lin-14。两人进一步发现，lin-4 microRNA通过与lin-14 mRNA的互补序列结合，从而阻止lin-14蛋白的生成。这一发现揭示了一种全新的基因调控机制，microRNA的作用机制自此浮出水面。

▲Ruvkun克隆了let-7，这是第二个编码 microRNA 的基因。该基因在进化过程中是保守的，现在人们知道，microRNA 调控在多细胞生物中是普遍存在的。

1993年，这项研究成果以两篇论文的形式发表在《细胞》杂志上。然而，最初这一发现并未引起广泛关注，因为科学界普遍认为这种机制仅限于秀丽隐杆线虫，与其他复杂生物无关。然而，随着加里·鲁夫坎实验室在2000年发现了高度保守的let-7 microRNA，并证实其存在于多个物种中，科学界对microRNA的兴趣迅速增加。如今，我们知道人类体内有超过1000种不同的microRNA，它们在多细胞生物的基因调控中普遍存在。

▲ 疾病中的miRNA调节网络。来源：10.1172/JCI74773

此外，多个研究小组还阐明了microRNA的生成机制和其如何通过与mRNA中的互补靶序列结合，抑制蛋白质合成或促进mRNA降解。单个microRNA可以调控多个基因，而一个基因也可能受到多个microRNA的调控，从而协调和微调整个基因网络。这一发现对理解基因调控具有重要意义。维克多·安布罗斯和加里·鲁夫坎的开创性研究揭示了基因调控的新维度，这一机制在进化中被保留并对复杂生命形式至关重要。