斬獲2024年諾獎的microRNA，是什么新科學？

作者：李兆瀅 劍橋大學工程學博士

10月7日，2024年諾貝爾生理或醫(yī)學獎授予安布羅斯（Victor Ambros）和魯弗肯（GaryRuvkun），以表彰他們在microRNA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。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。

每個人的身體都由大約50 ~ 70萬億個細胞組成。在每個細胞的細胞核內(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存在于細胞核，那么，遺傳信息是如何從細胞核傳遞給制造蛋白質(zhì)的核糖體呢？這里就需要一個叫“轉(zhuǎn)錄”的過程。在這個過程中，遺傳信息會被轉(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胞也只會讀取與其功能相關(guān)的DNA“配方”。這種選擇性過程被稱為基因調(diào)控，它決定了每個細胞會合成哪些蛋白質(zhì)以及合成的數(shù)量。這個過程確保了細胞在正確的時間、以正確的數(shù)量生產(chǎn)所需的蛋白質(zhì)。

今年的諾獎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。與負責蛋白質(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)機制對于維持身體的平衡至關(guān)重要，它幫助細胞調(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80年代末，當時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)的許多細胞類型與人類及其他復雜生物相似，因此成為遺傳學研究的理想模型。

安布羅斯和魯弗肯研究的重點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)育時間上出現(xiàn)異常的突變體。經(jīng)過深入研究，安布羅斯團隊找到了一個名為lin-4的基因，發(fā)現(xiàn)它與發(fā)育時間的異常有關(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。這個發(fā)現(xiàn)十分令人意外，因為當時科學家們尚未認識到小RNA分子在基因調(diào)控中的作用。

與此同時，魯弗肯的研究發(fā)現(xiàn)了lin-4的作用對象：一個名為lin-14的基因。lin-14在線蟲早期發(fā)育階段起著重要作用，但到了特定時間點，這個基因必須被關(guān)閉，以便發(fā)育繼續(xù)進行。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發(fā)育階段過渡到下一個階段。

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，但當他們在1993年發(fā)表這一成果時，并沒有引起關(guān)注。因為其他人認為這種不尋常的基因調(diào)控機制可能只發(fā)生在秀麗隱桿線蟲上。這種看法在2000年發(fā)生了轉(zhuǎn)變。當時，魯弗肯團隊發(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，科學家們已經(jīng)確定，人類體內(nèi)有超過一千種不同的microRNA，它們在基因表達的精確調(diào)控中發(fā)揮著重要作用。

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

今年的諾貝爾獎是對基礎(chǔ)研究的表彰?；A(chǔ)研究旨在拓展我們對自然世界的理解，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)學突破奠定了基礎(chǔ)。目前我們已經(jīng)知道，microRNA的異常活動與癌癥、心臟病等疾病有關(guān)，科學家們也在探索如何利用microRNA進行治療。

總而言之，安布羅斯和魯弗肯對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)科學研究的重要性——即使是微小的分子，也可能對生命產(chǎn)生最大的影響。

本文為科普中國·星空計劃扶持作品

作者：李兆瀅

審核：梁前進北京師范大學生命科學學院 教授

出品：中國科協(xié)科普部

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