2024年諾貝爾生理學或醫學獎頒給兩位美國科學家Victor Ambros和Gary Ruvkun，表彰他們發現了microRNA及其在轉錄後基因調控中的作用。Victor Ambros第一個發現了microRNA。
撰文 | 郭曉強、馮誌霞
摘要
微小RNA （microRNA,miRNA） 是一類擁有基因調節功能的 RNA，它們僅由 20幾個核苷酸構成，透過與靶基因特定互補序列的結合而影響其表達。miRNA 最早於1993年由安博斯在研究線蟲發育過程中發現，但未引起科學界的註意，直到 2001 年才掀起研究熱潮。miRNA 是當前生命科學領域研究的一個熱點，已在多個物種中發現其存在，並參與了多種生理過程，同時也與疾病發生密切相關，有可能在臨床疾病診斷和治療中發揮巨大套用。
微小 RNA (microRNA,miRNA） 是一類長約 21~ 23 個核苷酸的非蛋白編碼單鏈 RNA 分子 ，它們廣泛存在於線蟲、果蠅和人類等物種中。miRNA 可與一種或多種 mRNA 部份序列互補，從而調節某些特定基因的表達，與生命的生長發育密切相關。miRNA 還參與了多種疾病如癌癥等的發生過程，成為當前生命科學領域的研究熱點 一 。miRNA 最早於1993年由美國著名遺傳學家維克托·安博斯 （Victor Ambros） 和同事發現。
01
線蟲研究
1953年，安博斯出生於美國東北部紐咸西州的漢諾佛市 （Hanover） 。1970年，安博斯考入麻省理工學院並於1975 年獲得生物學學士學位，在此 期間他對科學充滿了極大興趣，並研究了腫瘤病毒的細胞轉化過程。畢業後，安博斯進入麻省理工學院著名的病毒學家巴爾的摩 （David Baltimore，1975 年諾貝爾生理學和醫學獎獲得者） 實驗室進行博士學習，重點研究天花病毒基因組的結構和復制過程，對深入理解天花病毒的生物學特征具有重要幫助，由於這些工作安博斯於 1979 年獲得博士學位。1979 年，安博斯開始尋找博士後，此時在麻省理工學院又遇上另一位著名的分子生物學家霍維茨 （H. Robert Horvitz，2002 年諾貝爾生理學與醫學獎獲得者） ，並成功加入該研究小組。
霍維茨在英國劍橋 MRC 分子生物學實驗室跟隨布雷內 （Sydney Brenner，2002年諾貝爾生理學與醫學獎獲得者） 進行博士後研究，幫助建立了一種新 的模式動物—線蟲作為發育生物學的研究物件。1979 年，霍維茨加入麻省理工學院，同時帶回許多線蟲突變體，其中之一就是 lin-4 突變體。lin-4 突變體表現出多種發育缺陷，許多細胞在早期幼蟲階段出現反復分裂模式，這造成 lin-4 突變體無法正常產卵。安博斯決定對 lin-4 突變體進行更深入研究，經過篩選獲得 3 個新突變，分別為 lin-14、lin-28和 lin-29。這些突變體表型與 lin-4 相似，但存在一定差異，有些缺陷表型提前，有些則滯後，其中最有特色的一個突變體是 lin- 14，它可出現2種表型 （提前或滯後） ，表型差異依賴於等位基因突變造成的是功能缺失還是功能獲得，特別顯著的是 lin-4 突變體和 lin-14 突變體正好相反。安博斯這些發現不僅鑒定了第 1 批與線蟲發育時序調節相關的基因，而且暗示著這些基因間存在著某種關，為深入闡明發育時序機制奠定了基礎。
1982 年，魯弗肯 （Gary Ruvkun） 加入霍維茨實驗室，成為一名博士後，在這裏他與安博斯相識，從此 2 位研究人員開始了長期的科研合作，盡管後來他們擁有不同的實驗室，這種合作關系卻長期保持。安博斯和魯弗肯都對 lin-4 和 lin-14 感興趣，因此都對其進行了深入研究。魯弗肯發現野生型線蟲的幼蟲早期發育階段首先出現大量 lin- 14 蛋白，隨後該蛋白含量急劇減少，相反 lin-4 突變體卻不出現 lin-14 蛋白下降這種變化，安博斯發現 lin-4 可抑制 lin-14 活性，因此可確 定 lin-4 是 lin-14 活性的重要負調節因子。
1985 年，安博斯加入哈佛大學細胞和發育生物學系並獲得教授職位，開始了自己的獨立研究。在理解了 lin-4 與 lin-14 相互關系的基礎上，他決定深入研究二者作用的分子機制。1989 年，安博斯首先複制了 lin-14 基因，基因複制在前基因組時代是一件非常艱巨的任務，而 lin-14 基因複制為進一步理解 lin-4 提供了保證，正是隨後的深入研究發現了一類新型 RNA—— miRNA 。
02
miRNA的發現
1992 年，安博斯將實驗室搬到位於家鄉漢諾佛市的達特茅斯學院 （Dartmouth College） ，成為生物科學教授，他還於 2001 年成為遺傳學教授，繼續線蟲的發育研究。早在哈佛期間，安博斯實驗室就開始了 lin-4 基因分離工作，剛開始他認為 lin-4 編碼一種蛋白質，透過調節 lin-14 的基因表現而參與線蟲發育過程，阻遏蛋白抑制特定靶基因表現而 調節生命過程的現象當時在細菌中已得到充分闡明。安博斯的同事李 （Rosalind Lee） 和費恩伯姆 （Rhonda Feinbaum） 首先使用一段短片段 DNA（700 bp）轉入線蟲lin-4 突變體內，結果線蟲發育恢復正常，這意味著該 DNA 片段可能對應 lin-4 基因，然而該 DNA 片段遠小於一般蛋白編碼基因的長度，且缺乏該類基因的開放閱讀框 （open reading frame, ORF） ，這意味著 lin-4 基因並非編碼蛋白質，而可能是 RNA 。1992 年春天，李和費恩伯姆將 lin-4 對應於一個包含 61 個核苷酸且擁有發夾結構的 RNA （lin-4L） ，不久又檢測到一個更小的 RNA （約 22 個核苷酸，lin-4S） 也對應 lin-4 基因。當時已知最短的一類 RNA 為 tRNA ， 但其大小也在 75 個核 苷酸左右，而現在如此短的 RNA 尚未見報道，因此認為是實驗過程的副產物而未引起足夠重視，然而隨後的實驗仍然得到這種結果，使安博斯開始思考 lin-4 基因可能就是編碼一段短的 RNA。
與此同時，魯弗肯實驗室對 lin-14 基因分析發現其 3′端上遊包含一段保守的非轉譯區 （un- translated region,UTR） 。1992 年 6 月 的一天，安博斯與魯弗肯通電話過程中談到自己的最新實驗進展，他們驚奇發現安博斯實驗室發現 的 lin-4 S 堿基序列與魯弗肯從 lin-14 中鑒定出的 UTR 正好完全互補，這意味著二者可透過互補配對形成雙 ，而雙鏈結構可能透過尚未發現的機制阻礙了 lin-14 基因最終產生蛋白質。1993 年 ，安博斯和同事將這個結果在著名的【Science】上發表，這是人類發現 的第 1 個具有基因調節功能的 RNA 。盡管 lin-4 被證實是一種具有調節作用的 miRNA （僅包含 22 個核苷酸） ，然而這項發現在當時並沒有引起科學界的太大註意，因為這種現象只線上蟲中發現，因此被認為是一個特例，科學家還推測考慮到線蟲在發育方面的某些特殊性，因此出現一些罕見的基因調節機制也不足為奇。
安博斯和他的實驗室繼續研究 lin-4 和它的調節靶點及機制。1997 年，安博斯和博士後發現 lin-4 除了調節 lin-14 基因外還可透過類似機制影響另一基 因 lin-28 的表達， 這說 明 lin-4 擁有多個靶點調節基因。2 年後，安博斯的另一個博士後發現 lin-4 可阻斷 lin-14 多聚核蛋白體的形成，這說明 lin-4 抑制了 lin-14 的轉譯起始過程。
真正掀起miRNA 研究高潮的是 2000 年，魯弗肯實驗室複制到第 2 個 miRNA—— let-7，並顯示其在多個物種如線蟲和果蠅中具有保守性，不久安博斯實驗室和其他實驗室線上蟲和其他生物中發現了大量 miRNA ， 並且 也 初步闡明這些miRNA產生過程和作用機制，從而展現一個全新的生物內部世界。
03
miRNA發現的重要意義
miRNA 最早是線上蟲中鑒定成功，而目前已在多個物種如人類、大鼠、小 鼠、果蠅和阿拉伯芥等發現其廣泛存在，且數量眾多，已鑒定超過 500 種 的 miRNA，並預測有 1 000 種以上存在，僅人類基因組中就已發現超過 250 個基 因編碼 miRNA，控制著大約 1/3 基因的表達。
最早發現 miRNA 線上蟲發育時序調節方面發揮重要作用，而現在已鑒定出 miRNA 參與多個生理過程，從細胞增殖到細胞死亡，從造血作用到神經原形成，在胚胎發育、血細胞特化、癌癥、肌肉功能、心臟病、病毒感染、神經細胞訊息傳遞和幹細胞行為等過程中都發揮著關鍵性作用。世界各地的多家實驗室都在研究 miRNA，這些「微小」分子控制著大量動植物體內基因的表達，miRNA 在序列、結構、含量和表達方式等多個方面擁有多樣性 ，使其顯示出更為強大和廣泛的基因調節功能。miRNA 的發現還豐富了人們對蛋白質合成控制的認識，在 90 年代，科學家還認為只有蛋白質才可控制靶基 因活性，還無法想象 RNA 也可執行如此功能，且生理作用如此廣泛 。miRNA 的發現開啟了一個生命科學全新的研究領域 ， 美國科學聯合會將其評為 2002 年的最大科學突破，並授予安博斯和 1993 年 【Science】論文的2位合作者 Newcomb Cleveland 獎。
安博斯由於在 miRNA 發現方面的奠基性貢獻而獲得了大量的科學榮譽，如 Lewis S. Rosen- stiel 基礎醫學獎 （2005 年） ，美國遺傳學會金獎 （2006 年） ，Benjamin Franklin 獎 （2008） ，Gairdner 基金會國際獎 （2008） ，Lasker 基礎醫學獎 （2008） 和 Warren Triennial 獎 （2008） 等，安博斯還於 2007 年當選為美國科學院院士。2008年，安博斯進入麻省醫學院，成為分子醫學教授，目前全面研究 miRNA 的生理作用 ， 為深入理解其生理功能、作用機制及臨床套用有重要幫助。
主要參考文獻
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