北京时间10月7日下午5点30分许，2024年诺贝尔生理学或医学奖揭晓。美国科学家Victor Ambros和Gary Ruvkun获奖，以表彰他们“发现microRNA及其在转录后基因调控中的作用”。
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什么是microRNA？
在生物体内，核糖核酸（RNA）可分为两大类：一种是负责蛋白质编码的信使RNA（mRNA），另一种则是非编码RNA（ncRNA），后者不直接参与蛋白质的合成。微小RNA（miRNA）就是非编码RNA的一种，它的特点是结构简单，通常由21到23个核苷酸构成。
miRNA通过与目标mRNA的互补配对，能够在转录后阶段对基因表达进行负调控，从而引发mRNA的降解或抑制翻译。这一发现不仅丰富了我们对基因调控的理解，也揭示了miRNA在个体发育、细胞凋亡以及癌症、糖尿病等多种疾病中的重要角色。
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miRNA的发现与研究发展
要回顾miRNA的发现，就离不开两位诺奖得主各自的经历。
安博斯的科学之路
安博斯出生于20世纪50年代，家乡在美国东北部的新罕布什尔州。随着60年代阿波罗飞船成功登月，年轻的安博斯也被激励着，立志成为一名天文学家。1971年，他如愿进入麻省理工学院学习天文学。然而，安博斯很快意识到自己的物理和数学能力并不出众。与此同时，经由室友的介绍，他对分子生物科学产生了浓厚兴趣。因此，他决定转行，追随这条新兴的科学道路。
在攻读博士学位期间，他有幸师从诺贝尔奖获得者戴维·巴尔的摩。随后，在博士后阶段，安博斯加入了麻省理工学院罗伯特·霍维茨的实验室，结识了另一个对他一生产生深远影响的科学家——miRNA研究的奠基人之一，加里·鲁弗肯。1993年，安博斯在达特茅斯学院开设了自己的实验室。在这里，安博斯与实验室的技术员罗莎琳·李和博士后费恩伯姆一起，意外发现了第一个miRNA——lin-4。起初，他们误以为lin-4是一种蛋白质，但经过深入研究，他们惊讶地发现，这种具有调控功能的分子并非蛋白质，而是一种经过加工的非编码RNA，源自短发夹结构的前体。这一短短22个碱基的序列让他们感到震惊。
最终，他们的研究成果发表在著名的Cell杂志上。直到2008年，安博斯回到母校麻省理工学院，至今仍在非编码RNA，特别是miRNA领域，持续进行深入的研究与探索。
鲁弗肯的研究贡献
虽然安博斯团队首次发现了miRNA lin-4，其调控机制的深入研究却是由加里·鲁弗肯（Gary Rovkun）完成的。他的研究揭示，lin-4通过不完全的碱基配对来调节靶基因的表达。
鲁弗肯于1952年在加州伯克利出生，因父亲的工作原因，他在奥克兰和皮埃蒙特市度过了童年。父亲是一名土木工程师，而母亲一边工作一边继续学习，在鲁弗肯高中毕业的那年获得了心理学学士学位。鲁弗肯的父母持乐观和开明的态度，始终支持他对科学，尤其是空间科学的热情。高中毕业后，鲁夫肯进入加州大学伯克利分校。起初他打算主修电气工程，但很快发现自己对物理学的热情更为强烈。他认为物理才是真正的科学，尤其是在二战后，物理学被视为科学的“王者”，核物理学更是引领潮流。1973年，他从加州大学伯克利分校的生物物理专业毕业，年轻的他却感到迷茫。游历南美时，他意外发现了一堆《美国科学杂志》，花了一整天时间翻阅完这些杂志。他的内心充满了满足感，简直想立刻回到实验室。“真是太棒了，我迫不及待想回去！”于是，鲁弗肯回到了加州大学旧金山分校，担任核医学技术员，随后又前往哈佛大学深造，专攻分子生物学。
起初，他的目标是利用基因工程将固氮作用引入农作物，以提升农业生产力，因此他与哈佛的植物分子生物学家弗雷德·奥苏贝尔展开了合作。在接下来的六年内，奥苏贝尔和鲁弗肯成功揭示了许多关于固氮的遗传奥秘。1982年，他获得生物物理学博士学位后，选择转变研究方向。那时，动物发育生物学正崭露头角，许多未解之谜亟待探索，而遗传学被认为是揭开这些谜团的有效途径。因此，他加入了麻省理工学院（MIT）罗伯特·霍维茨（未来的诺贝尔奖得主）的实验室，进行博士后研究。在霍维茨的实验室，鲁弗肯开始了对秀丽隐杆线虫发育时间调控的遗传信号通路的深入研究，这里也是他与合作伙伴安博斯相遇的地方。
两人利用分子克隆技术，成功识别出了两个对线虫发育时间至关重要的基因：lin-4和lin-14。安博斯发现，lin-4的调控产物是一种22个核苷酸的RNA，而鲁弗肯则揭示了这种RNA是如何通过直接结合到lin-14的信使RNA上，从而抑制其蛋白质翻译的。这项研究为理解线虫发育过程中的分子机制提供了重要的线索。鲁弗肯的研究揭示了线虫中的一个有趣现象：突变基因lin-4的成年线虫展现出光滑的皮肤，而缺失基因lin-14的幼年线虫则皮肤皱纹明显。这一切的背后，lin-4通过靶向lin-14基因的3'UTR，调控并抑制了lin-14的表达。在幼年线虫中，lin-14蛋白的含量非常高，但到了成年线虫，lin-14的表达却显著下降。随着lin-4的突变，lin-14的量增加，从而导致成年线虫的皮肤变得幼嫩。1993年，鲁弗肯与安博斯在Cell杂志上相继发表了这一重要发现。尽管这些发现确立了miRNA在基因表达调控中的基本特性，但当时lin-4只在线虫中被发现，尚缺乏证据证明miRNA在其他生物体中的保守性。
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miRNA的进一步研究与应用
实际上，从首次发现miRNA后，长达七年的时间里再未发现新的miRNA，也没有其他研究者报告过类似的非编码miRNA。因此，安博斯团队一度怀疑lin-4的发现只是线虫发育的一个独特现象，可能无法推广到其他生物中。然而，从1993年到2000年，安博斯实验室的研究逐渐显示，lin-4与lin-14之间的调控关系似乎具有更广泛的生物学意义。lin-4还可以通过靶向3'UTR来调节lin-28，表明lin-4和lin-14之间的相互作用并不是个例。此外，RNA干扰（RNA interference）这一现象的发现也值得关注。这是一种双链结构的非编码小RNA，它能够干扰并沉默靶基因的表达。而有趣的是，这些反义RNA的长度与lin-4恰好相符。这些现象暗示，miRNA lin-4的负向调控可能并非孤立存在，或许还有其他尚未被揭示的miRNA也具备类似的调控作用。
尽管这一发现具有前瞻性，但当时却并没有引起科学界的广泛关注。由于miRNA在那个时期被认为缺乏普遍的调控意义，许多相关问题难以得到合理解释，因此，miRNA的研究在一段时间内几乎陷入停滞。
直到2000年，鲁弗肯实验室在秀丽隐杆线虫中发现了另一种miRNA——let-7。这种非编码miRNA长度为21个核苷酸，通过靶向lin-41基因3’UTR，能够有效降低lin-41的表达，与先前发现的lin-4调控机制相似。此外，鲁弗肯还揭示了let-7在动物中具有高度保守性，包括果蝇、斑马鱼、海胆以及人类等多个物种中均有其表达。这一开创性的发现表明，miRNAs的调节功能远不止于秀丽隐杆线虫，为后续miRNA相关研究奠定了基础。
此发现引起了安博斯等研究者的浓厚兴趣，他们希望能找出与这两个miRNA相似的其他成员。然而，由于当时分子生物学技术的发展尚处于初级阶段，这一探索无疑面临着诸多挑战和艰巨任务。安博斯在从事miRNA研究的日子里，常常感到同行寥寥无几。谁能想到，他即将面临一段投稿的波折？
不久之后，安博斯满怀期待，因为他即将从成千上万的克隆中筛选出一种全新的miRNA。这个崭新的研究领域潜力巨大，而他作为开创者之一，几乎没有竞争对手。想到这里，未来的可能性让他倍感兴奋。最近，安博斯和他的技术员罗莎琳德陆续发现了多个新的miRNA，包括miR-1。然而，这份喜悦并没有持续太久。一个周一的下午，安博斯收到了来自Science编辑的邮件，这封信打破了他原本的宁静。编辑邀请他担任一篇miRNA相关研究的审稿人，文章中提到作者在果蝇和人类中发现了新的miRNA。
面对这种情况，安博斯以“利益冲突”为由拒绝了审稿。紧接着，他迅速准备了一篇预稿，向Cell编辑提交了自己实验室的新研究成果。不幸的是，这篇预稿却遭到了无情的拒绝，令他感到十分失落。同一天，安博斯很快给Science杂志的编辑写了封信，编辑表示愿意接收他的稿件，但要求必须在三天内提交。此时，安博斯并没有整理好任何数据，更别提撰写文稿。在接下来的60个小时里，他几乎没有合眼，忙着整理数据、制作图表，甚至补做实验，直至最终完成了文章的撰写并提交给了Science。虽然编辑们最初觉得他的文稿写得相当糟糕，但最终他的努力得到了认可，文章顺利被接收。这一事件让大家开始认识到miRNA在基因调控中的重要性。
转眼间，2006年到来了。那一年，诺贝尔生理学或医学奖授予了安德鲁·法尔（Andrew Fire）和克雷格·梅洛（Craig Mello），以表彰他们在RNA干扰（RNAi）领域的杰出贡献，RNAi是指某些双链小RNA能够沉默基因表达的现象。近年来，鲁弗肯和安博斯被广泛认为作为miRNA研究的奠基人，应当获得诺贝尔奖。然而，诺贝尔奖通常不会在同一领域多次授予，因此他们在过去的多年里一直处于提名的候补状态。如今，这一荣誉终于降临到他们身上。
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miRNA研究的里程碑与未来方向
miRNA的发现已有三十年，期间它们在胚胎发育、个体成长、细胞命运以及肿瘤的发生发展中扮演着至关重要的角色。例如，肌肉细胞中的miR-1和miR-133与肌肉的生长发育密切相关；而miR-143和miR-145则共同促进小鼠平滑肌细胞的分化，并抑制细胞增殖，从而影响平滑肌细胞的命运。在口腔癌中，miR-371、miR-150、miR-21和miR-7d被认为是潜在的诊断标记物。在肺癌方面，低表达的miR-34被发现具备肿瘤抑制特性。通过“miRNA替代治疗”方案，即利用化学合成的miR-34a模拟物，配合脂质体转染试剂递送至小鼠体内，能够有效抑制非小细胞肺癌的进展。
这项研究不仅为我们提供了miRNA在癌症治疗中的潜力，也为我们进一步理解细胞调控机制打开了新的大门。研究表明，miRNAs主要通过结合靶基因的3’UTR来抑制翻译或降解mRNA，从而实现对靶基因表达的负向调控。不过，这并不能完全解释miRNA研究中出现的一些特殊现象。例如，细胞核内miRNAs的功能仍然不明，此外，当miRNAs过表达时，常常伴随许多基因的上调现象。
随着对miRNA研究的深入以及深度测序技术的发展，越来越多的证据显示，miRNA不仅存在于细胞质中，也分布于其他细胞器。这些不同的细胞定位会影响miRNA的功能。例如，在肌细胞形成过程中，特异性表达的miR-1能够进入线粒体，并在其中促进特定靶基因的翻译。同时，有研究发现，在神经干细胞中，许多miRNAs如miR-19、miR-320、miR-339和miR-374等定位于细胞核，但其具体的调控机制尚未明确。
复旦大学于文强教授的研究团队在前期研究中发现，细胞核内的miR-3179能够激活邻近的ABCC6和PKD1P1基因。此外，核内的miR-24-1也能提升FBP1和FANCC的表达。这些发现促使该团队提出了“核内miRNA增强子-靶基因激活理论”，揭示了miRNA在细胞核内通过增强子正向调控基因表达的机制。
在后续研究中，他们进一步确认，细胞核中的miR-339能够靶向增强子，从而激活GPER1基因，这一过程对抑制乳腺癌细胞的增殖具有重要作用。这一发现不仅为肿瘤治疗提供了新的潜在策略，也为miRNA的调控功能开辟了新的研究视角。miRNAs不仅在细胞质中发挥负向调控的角色，它们也可以定位到其他细胞器并展现出激活作用。
目前，关于细胞核内miRNAs的调控功能研究相对较为稀缺。然而，细胞核内的miRNAs可能与细胞质中那些负责负向调控的miRNAs具有截然不同的功能。这一发现提示我们，在未来的miRNA研究中，探索miRNA的定位以及它们的激活功能将是一个重要的方向。
