2024年诺贝尔生理学或医学奖揭晓,美国科学家安布罗斯(Victor Ambros)和鲁夫昆(Gary Ruvkun)获此殊荣,以表彰他们在发现微小RNA(microRNA)及其在基因转录后调控中的基本作用方面的开创性成果(具体内容参见本文第7小节)。这是诺贝尔生理学或医学奖连续两年颁给RNA研究领域。
原文章刊载于《自然杂志》2022年第6期,略有修改。
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核酸(nucleic acid)有两大类,一类是核糖核酸(ribonucleic acid, RNA),另一类是脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid, DNA)。DNA与RNA在结构和功能上存在较大差别,DNA主要以双链结构存在(双螺旋),作为遗传物质;RNA以单链结构为主(局部存在双链结构),功能较为多样。今天,两类分子都已成为生命科学和医学的研究重点,而它们的发现可追溯到19世纪60年代。
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核素的发现
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几种碱基的鉴定
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核糖的发现
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RNA与蛋白质合成
帕拉德(George Emil Palade)出生于罗马尼亚一个知识分子家庭,父亲为大学哲学教授,母亲是中学教师,在这种氛围熏陶下,他对自然科学尤其是医学兴趣浓厚。他在布加勒斯特大学医学院学习期间,原本想成为一名临床医生,但出于对基础医学的挚爱而投身科研事业。1946年初,帕拉德来到美国,幸运结识纽约大学的克劳德(Albert Claude)教授,随后学习了克劳德发明的细胞组分分离方法和新兴的电子显微镜技术,为进一步研究奠定基础。
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RNA的遗传功能
1944年,艾弗里细菌转化实验证明DNA是遗传因子。1952年,赫尔希(Alfred Hershey)和同事利用噬菌体侵染实验证明DNA是遗传物质。RNA作为遗传物质的生物功能不久之后也得到证实。
烟草花叶病毒(Tobacco mosaic virus, TMV)是一种植物病毒,主要由外部的衣壳蛋白和内部的单链RNA构成。1955年,德裔美国生物化学家弗兰克尔-康拉特(Heinz Fraenkel-Conrat)将两种成分拆分,并证明单独RNA可以完成致病,而单独衣壳蛋白则缺乏此功能。他还进一步将两种不同病毒的RNA和衣壳蛋白交叉重组形成“杂种”病毒,发现感染宿主后的表型与病毒RNA相关,与蛋白无关,这些结果清晰表明TMV的遗传物质是RNA[8]。几乎同时,多名科学家特别是德国的施拉姆(Gerhard Schramm)也得出相同结论(图3)。因此赫尔希、弗兰克尔-康拉特和施拉姆分享了1958年的拉斯克基础医学奖。赫尔希还于1969年分享了诺贝尔生理学或医学奖,但另外两位科学家未能分享,原因在于DNA作为遗传物质的普遍性,而RNA主要是作为病毒遗传物质。
将RNA作为遗传物质的病毒根据RNA的状态和功能通常可以分为4类,分别为单链-正链RNA病毒、单链-负链RNA病毒、双链RNA病毒和逆转录病毒。单链-正链RNA病毒是最大的一类RNA病毒,正链RNA(类似mRNA,可以直接作为翻译的模板)为遗传物质,常见的如丙型肝炎病毒(HCV)、新冠肺炎病毒(SARS-CoV)和脊髓灰质炎病毒等;单链-负链RNA病毒种类较少,负链RNA (需首先通过复制产生正链RNA)作为遗传物质,常见的如流感病毒等;双链RNA病毒为宿主最广泛的一类RNA病毒,著名的如轮状病毒等;逆转录病毒RNA通常需要先逆转录为DNA后才具有遗传功能,常见的如人类免疫缺陷病毒(HIV)等。相比较于DNA病毒,RNA病毒具有较高的变异性,这一特征为有效疫苗研发和药物研制带来巨大的挑战。
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RNA的催化功能
早在1967年,沃斯(Carl Woese)、克里克和奥尔格尔(Leslie Orgel)就基于RNA具有类似蛋白质可形成复杂二级结构的特点,推测其具有催化功能,但缺乏直接的实验支持。
1982年,科罗拉多大学切赫(Thomas Robert Cech)实验室在研究四膜虫rRNA中内含子切除机制过程,并试图纯化负责完成该过程的酶时,意外发现其包含的内含子可在不存在任何蛋白质前提下完成自我切除。他们在尝试进一步寻找其他相关蛋白质多次无果后,最终确定rRNA的内含子序列具有催化磷酸二酯键断裂和重新形成的作用。这是首次鉴定出RNA具有和蛋白质类似的催化功能。
大约同一时间,耶鲁大学奥特曼(Sidney Altman)小组正在研究tRNA分子加工过程。他们从大肠杆菌中分离得到一种RNA酶P,该酶包含蛋白质和RNA(称为M1 RNA)两部分,负责将前体tRNA转化为活性tRNA。最初认为其中的蛋白质组分发挥催化核心作用,M1 RNA发挥辅助作用,但随后发现完全去除蛋白质单独保留M1 RNA时仍能在体外完成tRNA加工,从而为RNA作为催化剂提供了重要证据。克鲁格(Kelly Kruger)将这种具有催化功能的RNA命名为核酶(ribozyme)[9]。1989年,切赫和奥特曼因发现“RNA催化功能”而分享诺贝尔化学奖。
RNA催化功能的发现深化了对生命起源的认识。传统观点认为生物催化是蛋白质的“专利”,DNA是遗传信息载体,因为蛋白质翻译的信息由DNA指导,而DNA复制需要酶(蛋白质)催化,所以两者“谁先谁后”难以确定(“先有鸡还是先有蛋”悖论)。RNA既作遗传物质又具催化功能的新发现促使科学家对生命起源有了新的理解。吉尔伯特(Walter Gilbert)于1986年提出“RNA世界”学说,认为生命之初首先产生RNA,随着进化RNA将催化功能给予蛋白质,遗传功能给予DNA,从而形成今天的世界,但RNA仍残存了早期生物功能的痕迹。
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调节RNA
今天多种调节RNA被发现并成为生命科学和医学研究的热点和前沿,其实RNA调节功能的推测最早可追溯到20世纪50年代末。雅各布和莫诺提出乳糖操纵子模型时最初假定调节功能的可移动元件为RNA,但不久吉尔伯特证明是一种特殊蛋白质,直到30多年后RNA的调节功能才被发现。
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反义RNA
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RNA干扰
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适配体
图5 RNA适配体的发现和作用。(a)发现适配体的两位科学家(来自somalogic.com和www.hhmi.org);(b)适配体作用机制[16]
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RNA指导的基因编辑
RNA早期应用主要集中于靶向mRNA或蛋白质,而在DNA基因编辑方面的应用则极大拓展其应用领域。20世纪90年代,研究人员在细菌中发现一种全新获得性免疫系统,由成簇规律性间隔短回文重复(clustered regularly interspaced short palindromic repeat, CRISPR)序列和相关蛋白(CRISPR-associated, Cas)构成。后续的研究发现一种特定Cas蛋白——Cas9为核酸内切酶,而CRISPR序列可转录出一种特殊RNA——crRNA(CRISPR-related RNA),crRNA与特定DNA序列互补配对,启动Cas9对DNA的特异剪切。
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mRNA疫苗
mRNA尽管在1961年就已被发现,但直到20世纪90年代初才开始应用。1990年,威斯康星大学医学院沃尔夫(Jon Asher Wolff)等首次将体外转录(in vitro transcribed, IVT)的mRNA直接注射到小鼠肌肉并成功表达功能蛋白,开启了mRNA的应用[19]。其他研究随后也证实这一策略的可行性,但进一步研究发现mRNA应用存在包括激发机体先天免疫、易降解和稳定性差、体内表达效率不高等诸多缺陷。
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结语
自1869年核素(可看作RNA起始)发现至今已有150多年,RNA研究发生了翻天覆地的变化(图7),无论基础发现还是实际应用都取得长足进步。基础方面拓展了对众多生命过程的理解和认识,尤其是调节RNA成为当前生命科学研究的前沿和热点;应用方面更是进展迅猛,基于寡聚核苷酸(oligonucleotide, ON)的众多RNA产品已在临床展示出巨大价值,有望在疾病诊断、治疗和预防等方面发挥重要作用。
继2023年诺贝尔生理学或医学奖授予RNA疫苗,2024年再度颁发给微小RNA,进一步凸显RNA的重要性。
参考文献
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