·幾名專家表示“有些吃驚”，但也表示該結(jié)果在情理之中。這不僅因為安布羅斯與魯弗肯是該領(lǐng)域中無可置疑的先驅(qū)，也因為小RNA在基礎(chǔ)研究和臨床診療上的重要性值得第二塊獎牌。

·miRNA（microRNA）是一類長度僅約20~22個核苷酸的小RNA（small RNA）分子，它并不直接參與蛋白質(zhì)的合成，而是通過調(diào)控mRNA影響基因的表達。

北京時間10月7日下午，2024年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎在瑞典揭曉。獎項授予維克多·安布羅斯（Victor Ambros）和加里·魯弗肯（Gary Ruvkun），以表彰他們在發(fā)現(xiàn)微小RNA（miRNA）以及探索其在轉(zhuǎn)錄后基因調(diào)控中所起作用的貢獻。

2024年諾獎得主維克多·安布羅斯和加里·魯弗肯在2014年科學突破獎（Breakthrough Prize）頒獎典禮上。近年來二人橫掃生命科學領(lǐng)域的多項大獎。圖片來源：Steve Jennings/Getty Images for Breakthrough Prize

20世紀90年代初，安布羅斯與魯弗肯在研究線蟲時發(fā)現(xiàn)了首個名為lin-4的miRNA，它能夠?qū)α硪粋€基因lin-14進行調(diào)控，使線蟲表達出光滑或者皺褶的皮膚性狀。2000年，魯弗肯發(fā)現(xiàn)了第二個miRNA“l(fā)et-7”，并證明它在動物界中高度保守——即相對穩(wěn)定地出現(xiàn)在不同的物種之間。這表明miRNA是一種廣泛存在的調(diào)控機制。

RNA在遺傳信息的表達中發(fā)揮著重要的功能。細胞核的DNA中儲存著生命的“密碼”，這些遺傳信息通過轉(zhuǎn)錄被復制到“信使”RNA（mRNA）中并被帶到細胞質(zhì)，在那里進行蛋白質(zhì)的合成（“表達”），形成生命的構(gòu)造和功能。不同于mRNA，miRNA是一類長度僅約20~22個核苷酸的小RNA（small RNA）分子，它并不直接參與蛋白質(zhì)的合成，而是通過調(diào)控mRNA影響基因的表達。

得益于二人的開創(chuàng)性工作，如今，人們已經(jīng)在包括人在內(nèi)的許多物種中發(fā)現(xiàn)了超過10000種miRNA，它們在胚胎發(fā)育、血細胞分化、肌肉功能、病毒感染和癌癥等生物學過程中都發(fā)揮了不可或缺的作用。此外，多種起重要調(diào)控作用的其它小RNA也陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)，其中小干擾RNA（siRNA）的相關(guān)研究更是于2006獲得了諾貝爾獎。

為什么小RNA如此重要，以至于在30年間獲2次諾獎？它們是如何產(chǎn)生，又是如何進行基因調(diào)控的？對于疾病治療和藥物開發(fā)有何意義？未來的研究方向在哪里？10月7日晚，澎湃科技邀請了多位領(lǐng)域內(nèi)專家進行解讀。

意料之外又實至名歸：小RNA有大作用

對于自2006年以來小RNA領(lǐng)域第二次獲諾獎，幾名專家表示“有些吃驚”，但也表示該結(jié)果在情理之中。這不僅因為安布羅斯與魯弗肯是該領(lǐng)域中無可置疑的先驅(qū)，也因為小RNA在基礎(chǔ)研究和臨床診療上的重要性值得第二塊獎牌。

小RNA泛指那些含有較少核苷酸序列（小于200個）的RNA分子，miRNA是其中之一。它是DNA轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物——首先在細胞核中被轉(zhuǎn)錄成一種長鏈的初級形態(tài)，隨后被加工成具有特定結(jié)構(gòu)的前體miRNA，接著在細胞質(zhì)中被進一步切割為更小的RNA分子。然而，它接下來卻會承擔“與眾不同”的工作。

“RNA的主要功能被認為是作為“模板”來翻譯蛋白質(zhì)?！?strong>中國科學技術(shù)大學生命科學學院教授光壽紅告訴澎湃科技，“而他們（本屆獲獎?wù)撸┑墓ぷ鞯谝淮伟l(fā)現(xiàn)，有一種非常小的RNA，能夠起調(diào)控作用，而不是用來翻譯成蛋白質(zhì)。這在概念上的突破是非常大的?！?/p>

這類不被用來翻譯成蛋白質(zhì)的RNA被稱為“非編碼”RNA。除了非編碼特性之外，人們很快發(fā)現(xiàn)，其調(diào)控功能對生物的影響廣泛而深刻。

DNA中的遺傳信息就像一幅建筑“藍圖”，基因調(diào)控就類似于要決定在何時、從哪里開始、用多少材料和人手去建造。調(diào)控可以發(fā)生在轉(zhuǎn)錄前后的各個階段，而miRNA的作用通常是在mRNA上對某些基因表達進行抑制。

“如果我們說基因調(diào)控有兩大類的調(diào)控因子，一類負責‘做加法’，從無到有決定基因是否表達，那么另一類就是miRNA這樣的，負責做“減法”，精確微調(diào)基因的表達，使之穩(wěn)定在某個水平上，或者是直接快速把基因‘關(guān)掉’。”中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心研究員吳立剛介紹道，“這么想的話，這個小家伙是特別重要的。”

miRNA通過一系列精巧的步驟來讓特定基因保持“沉默”。通過與一類Ago（Argonaute）蛋白相結(jié)合，miRNA就能形成一種“RNA誘導沉默復合體”（RISC）。在RISC中，miRNA充當向?qū)?，通過與目標mRNA的核苷酸序列進行互補配對來‘對暗號’，從而識別需要調(diào)控的mRNA序列并與其結(jié)合。

“在結(jié)合之后，（RISC）可以催化目標mRNA切割，導致mRNA的降解和基因表達的沉默。還可以通過阻止核糖體的結(jié)合或干擾翻譯過程來抑制mRNA翻譯成蛋白質(zhì)。”上?？萍即髮W生命科學與技術(shù)學院副教授劉如娟解釋道。

這種調(diào)控為很多基本的生命過程提供了保障。科學家們發(fā)現(xiàn)，若通過敲除Ago蛋白基因的方式來使miRNA無法形成RISC并進行調(diào)控，那么胚胎發(fā)育、血液細胞分裂等活動便會無法完成。肝癌、心血管等疾病也被發(fā)現(xiàn)與miRNA調(diào)節(jié)異常有關(guān)——在一些研究中，患者體內(nèi)的miRNA數(shù)量與健康者有顯著區(qū)別。

miRNA調(diào)控對于基因的影響不僅巨大，而且廣泛?！癿iRNA調(diào)控不是‘一對一’的，是‘一對多’或‘多對多’的，能同時調(diào)控很多基因?！眳橇傉f，“現(xiàn)在如果要為任何一個生物學過程繪制基因調(diào)控的網(wǎng)絡(luò)圖，總是會發(fā)現(xiàn)有miRNA處在中間一個非常重要的位置上?！?/p>

此外，miRNA是真核生物內(nèi)源產(chǎn)生的，且以比較穩(wěn)定和獨特的形式存在于哺乳動物、昆蟲和植物體內(nèi)，這意味著在漫長的進化過程中這種調(diào)控機制因其重要性被保留了下來?！皫缀跛姓婧松镏?，除了釀酒酵母等極少數(shù)物種，都發(fā)現(xiàn)了這種保守的調(diào)控機制，非常廣譜?！?strong>復旦大學生命科學學院研究員任國棟說。

基礎(chǔ)研究待突破，應(yīng)用潛力巨大

30年來，小RNA的生物功能和機制被不斷揭示。比如，人們發(fā)現(xiàn)miRNA不僅有表達抑制和降解作用，也能夠在某些情況下激活基因表達。最近還有研究發(fā)現(xiàn)，miRNA或許能夠跨界調(diào)控——比如動物通過攝入植物中的miRNA來影響自身基因表達。

受訪專家都認為，小RNA的研究框架已經(jīng)相對確定，相關(guān)生物機制已經(jīng)“研究得比較清楚了”。

“從2000年這個領(lǐng)域引起大量關(guān)注開始，大家基本上最關(guān)心三類問題。首先是細胞中都有哪些類型的小RNA，其次是小RNA如何調(diào)控基因表達，最后是小RNA與疾病的關(guān)系以及在治療上的應(yīng)用。”吳立剛說，“第一和第二個問題中的一些常見功能和機制，現(xiàn)在已經(jīng)基本解決了?！?/p>

光壽紅認為，探索新的小RNA類型是基礎(chǔ)研究突破的關(guān)鍵點之一。除了miRNA之外，目前狹義的小RNA家族中還有siRNA與piRNA（Piwi相互作用RNA），它們的來源和性質(zhì)均有所區(qū)別。不同于miRNA，siRNA通常是一種外源性小RNA，是一種更為有效的基因沉默機制。而piRNA不與Ago蛋白結(jié)合，而是與Piwi蛋白家族結(jié)合，主要出現(xiàn)在生殖細胞中。

“過去一些年，大家還發(fā)現(xiàn)了一些新的非編碼RNA或者是屬于RNA的修飾。任何一個這種新形式的發(fā)現(xiàn)，都會開創(chuàng)新的領(lǐng)域。”光壽紅說。

此外，要更加準確地解釋小RNA的生物學機制，比如描述這些小RNA具體在細胞的哪個位置發(fā)揮功能，還需要對生物檢測方法和工具進行突破。

“現(xiàn)在高通量測序解決了miRNA檢測的大部分問題，但是對于非常微量和非常精確的定量檢測，現(xiàn)在還沒有完全解決?！眳橇傉f，“在單細胞甚至亞細胞水平對miRNA進行轉(zhuǎn)錄組測序，不僅實驗操作非常復雜，而且經(jīng)常因為靈敏度不夠而檢測不到或者無法準確定量，更不用說在亞細胞結(jié)構(gòu)層面上去研究實時追蹤miRNA的定位、組裝與運輸了，這些都有待于新的技術(shù)突破?！?/p>

對于小RNA在醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用，受訪專家均表示與基礎(chǔ)研究相比，還有很大的發(fā)掘空間。

miRNA由于調(diào)控基因較多、較為不穩(wěn)定、修飾易引發(fā)功能改變且難以遞送到特定靶點進行表達，因此成藥性較差，目前還沒有藥物面世。但是，由于它在疾病過程中的表達會發(fā)生變化，能夠被用來當做診斷的指標。

“熱門方向可能還是去開發(fā)各種試劑盒，基于miRNA做疾病診斷?！惫鈮奂t說。

而siRNA已經(jīng)在藥物開發(fā)中取得了驕人成果，它能夠針對特定mRNA發(fā)動沉默效果，對于某些遺傳性疾病和蛋白質(zhì)過表達引起的疾病提供有效的治療。目前，美國FDA（食品藥品監(jiān)督管理局）已經(jīng)批準了6款siRNA藥物。

“小RNA是整個RNA研究中的一顆‘明珠’，因為它的調(diào)控功能特別強大和重要，成藥性和應(yīng)用價值也好?！?strong>中國科學院大學杭州高等研究院副研究員王鑫說，“雖然不知道會不會再次得諾獎，但肯定會有越來越多的小RNA藥物和療法出現(xiàn)，以造福人類。”