2024年诺贝尔生理学或医学奖颁给两位美国科学家Victor Ambros和Gary Ruvkun，表彰他们发现了microRNA及其在转录后基因调控中的作用。Victor Ambros第一个发现了microRNA。
撰文 | 郭晓强、冯志霞
摘要
微小RNA （microRNA,miRNA） 是一类拥有基因调节功能的 RNA，它们仅由 20几个核苷酸构成，通过与靶基因特定互补序列的结合而影响其表达。miRNA 最早于1993年由安博斯在研究线虫发育过程中发现，但未引起科学界的注意，直到 2001 年才掀起研究热潮。miRNA 是当前生命科学领域研究的一个热点，已在多个物种中发现其存在，并参与了多种生理过程，同时也与疾病发生密切相关，有可能在临床疾病诊断和治疗中发挥巨大应用。
微小 RNA (microRNA,miRNA） 是一类长约 21~ 23 个核苷酸的非蛋白编码单链 RNA 分子 ，它们广泛存在于线虫、果蝇和人类等物种中。miRNA 可与一种或多种 mRNA 部分序列互补，从而调节某些特定基因的表达，与生命的生长发育密切相关。miRNA 还参与了多种疾病如癌症等的发生过程，成为当前生命科学领域的研究热点 一 。miRNA 最早于1993年由美国著名遗传学家维克托·安博斯 （Victor Ambros） 和同事发现。
01
线虫研究
1953年，安博斯出生于美国东北部新罕布什尔州的汉诺佛市 （Hanover） 。1970年，安博斯考入麻省理工学院并于1975 年获得生物学学士学位，在此 期间他对科学充满了极大兴趣，并研究了肿瘤病毒的细胞转化过程。毕业后，安博斯进入麻省理工学院著名的病毒学家巴尔的摩 （David Baltimore，1975 年诺贝尔生理学和医学奖获得者） 实验室进行博士学习，重点研究天花病毒基因组的结构和复制过程，对深入理解天花病毒的生物学特征具有重要帮助，由于这些工作安博斯于 1979 年获得博士学位。1979 年，安博斯开始寻找博士后，此时在麻省理工学院又遇上另一位著名的分子生物学家霍维茨 （H. Robert Horvitz，2002 年诺贝尔生理学与医学奖获得者） ，并成功加入该研究小组。
霍维茨在英国剑桥 MRC 分子生物学实验室跟随布雷内 （Sydney Brenner，2002年诺贝尔生理学与医学奖获得者） 进行博士后研究，帮助建立了一种新 的模式动物—线虫作为发育生物学的研究对象。1979 年，霍维茨加入麻省理工学院，同时带回许多线虫突变体，其中之一就是 lin-4 突变体。lin-4 突变体表现出多种发育缺陷，许多细胞在早期幼虫阶段出现反复分裂模式，这造成 lin-4 突变体无法正常产卵。安博斯决定对 lin-4 突变体进行更深入研究，经过筛选获得 3 个新突变，分别为 lin-14、lin-28和 lin-29。这些突变体表型与 lin-4 相似，但存在一定差异，有些缺陷表型提前，有些则滞后，其中最有特色的一个突变体是 lin- 14，它可出现2种表型 （提前或滞后） ，表型差异依赖于等位基因突变造成的是功能缺失还是功能获得，特别显著的是 lin-4 突变体和 lin-14 突变体正好相反。安博斯这些发现不仅鉴定了第 1 批与线虫发育时序调节相关的基因，而且暗示着这些基因间存在着某种关，为深入阐明发育时序机制奠定了基础。
1982 年，鲁弗肯 （Gary Ruvkun） 加入霍维茨实验室，成为一名博士后，在这里他与安博斯相识，从此 2 位研究人员开始了长期的科研合作，尽管后来他们拥有不同的实验室，这种合作关系却长期保持。安博斯和鲁弗肯都对 lin-4 和 lin-14 感兴趣，因此都对其进行了深入研究。鲁弗肯发现野生型线虫的幼虫早期发育阶段首先出现大量 lin- 14 蛋白，随后该蛋白含量急剧减少，相反 lin-4 突变体却不出现 lin-14 蛋白下降这种变化，安博斯发现 lin-4 可抑制 lin-14 活性，因此可确 定 lin-4 是 lin-14 活性的重要负调节因子。
1985 年，安博斯加入哈佛大学细胞和发育生物学系并获得教授职位，开始了自己的独立研究。在理解了 lin-4 与 lin-14 相互关系的基础上，他决定深入研究二者作用的分子机制。1989 年，安博斯首先克隆了 lin-14 基因，基因克隆在前基因组时代是一件非常艰巨的任务，而 lin-14 基因克隆为进一步理解 lin-4 提供了保证，正是随后的深入研究发现了一类新型 RNA—— miRNA 。
02
miRNA的发现
1992 年，安博斯将实验室搬到位于家乡汉诺佛市的达特茅斯学院 （Dartmouth College） ，成为生物科学教授，他还于 2001 年成为遗传学教授，继续线虫的发育研究。早在哈佛期间，安博斯实验室就开始了 lin-4 基因分离工作，刚开始他认为 lin-4 编码一种蛋白质，通过调节 lin-14 的基因表达而参与线虫发育过程，阻遏蛋白抑制特定靶基因表达而 调节生命过程的现象当时在细菌中已得到充分阐明。安博斯的同事李 （Rosalind Lee） 和费恩伯姆 （Rhonda Feinbaum） 首先使用一段短片段 DNA（700 bp）转入线虫lin-4 突变体内，结果线虫发育恢复正常，这意味着该 DNA 片段可能对应 lin-4 基因，然而该 DNA 片段远小于一般蛋白编码基因的长度，且缺乏该类基因的开放阅读框 （open reading frame, ORF） ，这意味着 lin-4 基因并非编码蛋白质，而可能是 RNA 。1992 年春天，李和费恩伯姆将 lin-4 对应于一个包含 61 个核苷酸且拥有发夹结构的 RNA （lin-4L） ，不久又检测到一个更小的 RNA （约 22 个核苷酸，lin-4S） 也对应 lin-4 基因。当时已知最短的一类 RNA 为 tRNA ， 但其大小也在 75 个核 苷酸左右，而现在如此短的 RNA 尚未见报道，因此认为是实验过程的副产物而未引起足够重视，然而随后的实验仍然得到这种结果，使安博斯开始思考 lin-4 基因可能就是编码一段短的 RNA。
与此同时，鲁弗肯实验室对 lin-14 基因分析发现其 3′端上游包含一段保守的非翻译区 （un- translated region,UTR） 。1992 年 6 月 的一天，安博斯与鲁弗肯通电话过程中谈到自己的最新实验进展，他们惊奇发现安博斯实验室发现 的 lin-4 S 碱基序列与鲁弗肯从 lin-14 中鉴定出的 UTR 正好完全互补，这意味着二者可通过互补配对形成双 ，而双链结构可能通过尚未发现的机制阻碍了 lin-14 基因最终产生蛋白质。1993 年 ，安博斯和同事将这个结果在著名的【Science】上发表，这是人类发现 的第 1 个具有基因调节功能的 RNA 。尽管 lin-4 被证实是一种具有调节作用的 miRNA （仅包含 22 个核苷酸） ，然而这项发现在当时并没有引起科学界的太大注意，因为这种现象只在线虫中发现，因此被认为是一个特例，科学家还推测考虑到线虫在发育方面的某些特殊性，因此出现一些罕见的基因调节机制也不足为奇。
安博斯和他的实验室继续研究 lin-4 和它的调节靶点及机制。1997 年，安博斯和博士后发现 lin-4 除了调节 lin-14 基因外还可通过类似机制影响另一基 因 lin-28 的表达， 这说 明 lin-4 拥有多个靶点调节基因。2 年后，安博斯的另一个博士后发现 lin-4 可阻断 lin-14 多聚核蛋白体的形成，这说明 lin-4 抑制了 lin-14 的翻译起始过程。
真正掀起miRNA 研究高潮的是 2000 年，鲁弗肯实验室克隆到第 2 个 miRNA—— let-7，并显示其在多个物种如线虫和果蝇中具有保守性，不久安博斯实验室和其他实验室在线虫和其他生物中发现了大量 miRNA ， 并且 也 初步阐明这些miRNA产生过程和作用机制，从而展现一个全新的生物内部世界。
03
miRNA发现的重要意义
miRNA 最早是在线虫中鉴定成功，而目前已在多个物种如人类、大鼠、小 鼠、果蝇和拟南芥等发现其广泛存在，且数量众多，已鉴定超过 500 种 的 miRNA，并预测有 1 000 种以上存在，仅人类基因组中就已发现超过 250 个基 因编码 miRNA，控制着大约 1/3 基因的表达。
最早发现 miRNA 在线虫发育时序调节方面发挥重要作用，而现在已鉴定出 miRNA 参与多个生理过程，从细胞增殖到细胞死亡，从造血作用到神经原形成，在胚胎发育、血细胞特化、癌症、肌肉功能、心脏病、病毒感染、神经细胞信号转导和干细胞行为等过程中都发挥着关键性作用。世界各地的多家实验室都在研究 miRNA，这些「微小」分子控制着大量动植物体内基因的表达，miRNA 在序列、结构、含量和表达方式等多个方面拥有多样性 ，使其显示出更为强大和广泛的基因调节功能。miRNA 的发现还丰富了人们对蛋白质合成控制的认识，在 90 年代，科学家还认为只有蛋白质才可控制靶基 因活性，还无法想象 RNA 也可执行如此功能，且生理作用如此广泛 。miRNA 的发现打开了一个生命科学全新的研究领域 ， 美国科学联合会将其评为 2002 年的最大科学突破，并授予安博斯和 1993 年 【Science】论文的2位合作者 Newcomb Cleveland 奖。
安博斯由于在 miRNA 发现方面的奠基性贡献而获得了大量的科学荣誉，如 Lewis S. Rosen- stiel 基础医学奖 （2005 年） ，美国遗传学会金奖 （2006 年） ，Benjamin Franklin 奖 （2008） ，Gairdner 基金会国际奖 （2008） ，Lasker 基础医学奖 （2008） 和 Warren Triennial 奖 （2008） 等，安博斯还于 2007 年当选为美国科学院院士。2008年，安博斯进入麻省医学院，成为分子医学教授，目前全面研究 miRNA 的生理作用 ， 为深入理解其生理功能、作用机制及临床应用有重要帮助。
主要参考文献
1 Seydoux G. . The 2006 Genetics Society of America Medal.Ge- netics,2006,172(2):721— 722.
2 Ambros V.,Pettersson R.F.,Baltimore D..An enzymatic activity in uninfected cells that cleaves the linkage between poliovirion RNA and the 5 ′ terminal protein.Cell,1978,15(4):1439— 1446.
3 Ambros V., Horvitz H.R..Heterochronic mutants of the nemat- ode Caenorhabditis elegans.Science,1984,226(4673):409— 416.
4 Ambros V. . A hierarchy of regulatory genes controls a larva- to-adult developmental switch in C. elegans.Cell, 1989,57(1): 49— 57.
5 Lee R.C.,Feinbaum R.L.,Ambros V..The C.elegans heterochr- onic gene lin-4 encodes small RNAs with antisense complem- entarity to lin-14.Cell,1993,75(5):843）— 854.
6 Olsen P.H.,Ambros V..The lin-4 regulatory RNA controls de- velopmental timing in Caenorhabditis elegans by blocking LIN-14 protein synthesis after the initiation of translation.Dev Biol,1999,216(2):671— 680.
7 Ambros V. . The evolution of our thinking about micro RNAs. Nat Med,2008,14(10):1036— 1040.
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