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“??汀?,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