深度解读2024年诺贝尔生理学或医学奖！基因调控的全新认识

学术 2024-10-08 17:53 广东

昨日，2024年诺贝尔生理学或医学奖正式揭晓，miRNA的发现者维克托·安博斯（Victor Ambros）和加里·鲁弗肯（Gary Ruvkun）获奖，“以表彰他们发现微小RNA（miRNA）以及其在转录后基因调控中的作用”。诺贝尔奖连续2年颁给RNA相关研究，这让不少人感到意外，但这两位科学家的开创性研究，揭开了基因调控认识的的新篇章，他们获奖绝对是实至名归的。

（图片来源：参考资料[1])

从基因表达调控说起

DNA基因复制到信使RNA转录本，再指导蛋白质合成的“中心法则”仍然提供了连接遗传学与医学现象的基本框架。然而，正如在生物学和医学中经常遇到的情况一样，一些有趣的细节和例外情况总是会额外吸引人们的注意。从原核生物到真核生物的演化过程中，RNA分子在众多生物学功能中扮演着关键且多样化的角色。在这些RNA中，仅有一小部分是作为编码蛋白质的信使RNA（mRNA），而绝大多数RNA属于非编码RNA（non-coding RNA，ncRNA），那些长度不足200个核苷酸的非编码RNA被定义为小非编码RNA（small non-coding RNA，sncRNA）。

经过长期深入的研究，研究者们根据小非编码RNA的尺寸和结构特征，将其归纳为三大类别：传统小RNA、结构小RNA和衍生小RNA（也被称作非规范小RNA）。这些小RNA通过各自独特的机制参与调控多样的生物过程，而miRNA正是传统小RNA中的一种，由于它的长度很短，仅有21-23个核苷酸组成，因此被称作微小RNA（miRNA）。

（图片来源：参考资料[2]）

miRNA的生物合成与作用机制

miRNA的生物合成过程开始于较长的初级转录本（pri-miRNA），这些转录本经过核酸内切酶Drosha处理，形成具有茎环结构的前体miRNA（pre-miRNA）。随后，pre-miRNA被转运到细胞质中，并在那里被Dicer酶进一步剪切，产生成熟的miRNA。

（图片来源：参考资料[3]）

成熟的miRNA通常与RNA诱导沉默复合体（RISC）结合，形成活性复合物，进而与目标mRNA的3'非翻译区（3' UTR）或5'非翻译区（5' UTR）结合，实现基因表达的调控。简单来说就是，miRNA通过与靶mRNA的互补配对而在转录后水平上对基因的表达进行负调控，导致mRNA的降解或翻译抑制。

那么为什么我们会需要miRNA对基因表达进行调控？

存储在我们染色体中的信息可以比作我们体内所有细胞的说明书。但每个细胞包含相同的染色体，所以每个细胞包含完全相同的基因和完全相同的指令。然而，不同的细胞类型，如肌肉和神经细胞，有非常明显的差异。这些差异是如何产生的？答案就在于基因调控，它允许每个细胞只选择相关的指令。这就确保了在每种细胞类型中只有一组正确的基因是活跃的。

Victor Ambros 和 Gary Ruvkun 正是对不同细胞类型如何发展感兴趣，进而发现了在基因调控中起着关键作用的微小RNA。现在已知人类基因组编码超过一千个微小RNA，他们的发现揭示了基因调控的一个全新维度。后续的研究也证明，微小RNA对于生物体的发育和功能至关重要。

（图片来源：Wikipedia)

基因调控的研究与探索

我们的器官和组织由许多不同种类的细胞构成，它们在DNA中携带相同的遗传信息。然而，这些细胞各自表达出一套独特的蛋白质。这一现象是如何实现的？关键在于对基因活性的精确调控，确保在每种特定细胞类型中只有适当的基因集被激活。这使得肌肉细胞、肠道细胞和不同类型的神经细胞等能够发挥它们的特化功能。此外，为了适应体内和环境中的变化，基因活性必须得到持续的微调。如果基因调控发生紊乱，可能会导致癌症、糖尿病或自身免疫性疾病等严重疾病。因此，理解基因活性的调控一直是多年来的研究重点。

从单细胞祖先演化到多细胞生物的过程中，每种细胞类型都获得了专门的功能，这需要越来越复杂的基因调控机制。除了由DNA结合因子介导的转录基因调控外，随着生物体复杂性的增加，其他形式的控制系统也出现了。在数亿年的时间里，编码微小非编码RNA分子的基因，即所谓的miRNA，在多细胞生物的基因组中扩展，对mRNA的稳定性和蛋白质翻译进行转录后控制。miRNA及其基因调控模式在1993年由Victor Ambros和Gary Ruvkun发现之前，一直是完全未知的。

（图片来源：参考资料[1])

早期发现，未获关注

在20世纪80年代末，安博斯和鲁弗肯作为博士后研究员在Robert Horvitz的实验室工作，后者与Sydney Brenner及John Sulston因研究秀丽隐杆线虫（C. elegans）而一同获得2002年诺贝尔奖。安博斯和鲁弗肯利用这种1毫米长的线虫作为模型生物，研究了控制不同细胞类型发育时间的基因。他们研究了两种突变蠕虫 lin-4 和 lin-14，它们在发育过程中基因程序的激活时间上表现出缺陷，希望能识别突变基因、了解它们的功能（参考资料[4，5]）。

1993年，安博斯和实验室的技术员Rosalind Lee及博士后Rhonda Feinbaum早先的研究表明，lin-4基因似乎是lin-14基因的负调节因子。然而，lin-14活性如何被lin-4阻断的详细机制尚不清楚。为了探究这一问题，安博斯和鲁弗肯进行了深入研究。安博斯成功克隆了lin-4基因，并发现它产生了一种异常短的RNA分子，这种miRNA并不编码蛋白质。

鲁弗肯则研究了lin-14基因的调控机制，并发现lin-4不是通过抑制lin-14 mRNA的产生，而是通过不完全的碱基配对调控靶基因的表达，阻止其翻译成蛋白质。

（图片来源：参考资料6）

鲁弗肯的研究发现，突变lin-4的成年线虫，长出幼嫩的皮肤，而突变掉lin-14的幼年线虫，则会长出皱皱的皮肤，原因竟是在线虫中lin-4可通过靶向lin-14基因的3’ UTR从而调控lin-14并抑制它的表达。lin-14蛋白在幼年线虫中大量富集，而在成年线虫大量减少。所以突变掉lin-4后，lin-14会增加，lin-14蛋白的大量富集会使得成年线虫长出幼嫩皮肤。

（图片来源：参考资料[1])

他们的研究揭示了lin-4的miRNA序列与lin-14 mRNA中的互补序列相匹配，从而通过结合并抑制其翻译来关闭lin-14基因的表达。

（图片来源：参考资料[1])

尽管这些发现足够证明miRNA调控基因表达的基本特征，但是由于lin-4仅在线虫中发现，当时尚未存在有力证据表明miRNA在其他生物体内可保守存在；并且从他们发现了第一个miRNA后，后续的7年期间再无新的miRNA被发现，也没有其他同行报道发现类似的非编码miRNA，所以安博斯等人也怀疑lin-4的发现是线虫发育的一个特例，并无推而广之的意义。

在1993年到2000年期间，安博斯实验室陆陆续续发现lin-4/ lin-14的调控关系似乎具有广泛的意义。比如，lin-4不仅仅是调控lin-14，它同样可以通过靶向3’ UTR调控lin-28，表明lin-4/ lin-14的调控不是特例。还有就是，RNA干扰（RNA interference，一种具有双链结构的非编码miRNA干扰并沉默靶基因表达的现象）的发现——这一类在转录后期沉默基因表达的反义RNA，长度与lin-4竟然是一致的。这些现象都暗示miRNA lin-4的负向调控可能不是个例，也许还有潜在的类似具有调控功能的miRNA尚未被发现。

由于该发现的前瞻性，当时并未引起很多科学家的重视，加上miRNA在当时被认为不具有普遍的调控意义，很多问题难以被解释，此后一段时间miRNA的相关研究基本处于停滞状态。

迎来转机，蓬勃发展

2000年，鲁弗肯的研究小组发现了由let-7基因编码的另一种高度保守的miRNA，这一条具有21个核苷酸长度的非编码miRNA，通过靶向lin-41基因的3’ UTR降低 lin-41的表达，与lin-4的调控机制相同（参考资料[7]）。他还证明了let-7在动物中的保守性，它在果蝇、斑马鱼、海胆和人类中都有表达。这一领域的研究因此受到了广泛关注，为后续miRNAs的研究打下铺垫。

（图片来源：参考资料[1])

随后，数百种不同的miRNA被陆续发现，如今已知人类基因组中编码超过一千种不同的miRNA，这些miRNA在调控基因表达、细胞分化和组织发育等方面发挥着核心作用。从发现第一个miRNA到现在已有20多个年头，miRNA的研究目前可谓是进入了井喷时代。根据miRBase的最新数据统计显示，当前已发现的人类miRNA前体有1982条，成熟miRNA有2694条。目前，miRBase数据库包含了来自271个物种的超过38,000个发夹前体和48,860个成熟miRNA基因序列（参考资料[8]）。甚至发现病毒也编码miRNA基因（参考资料[9]）。随着miRNA 相关研究不断推进，miRNA在个体发育与疾病发生发展过程中的重要作用也不断地被揭示。

多个研究团队的实验阐明了miRNA的生物合成机制以及它们如何被传递到目标mRNA的互补序列上。有趣的是，一个miRNA可以调控许多不同基因的表达，而一个基因也可能受到多个miRNA的调控，从而协调和微调整个基因网络。

miRNA的作用机制解析

经过时间的积淀，miRNA对于基因调控的作用机制已经被研究得非常清晰。

成熟的miRNAs（miRNAs）是长度大约为21至22个核苷酸的单链RNA分子。它们主要源自由RNA聚合酶II转录的初级转录本（pri-miRNA），该聚合酶也负责转录编码蛋白质的基因。值得注意的是，基因组中某些重复序列区域的miRNAs则由RNA聚合酶III进行转录。一些pri-miRNAs仅编码一个miRNA，而其他一些则编码多个miRNA，形成miRNA簇。在人类中，大约有一半的miRNA基因位于编码蛋白质的基因内含子内，其余的则散布在基因组的其他区域，或位于未翻译区域的外显子中。尽管pri-miRNA的合成调控机制尚未完全阐明，但已知一些转录因子能够同时调控蛋白质编码基因和pri-miRNA的表达。

在pri-miRNA中，编码miRNA的序列会折叠成不完全的茎环状发夹结构。一个名为“微处理器”的核蛋白复合体，包含Drosha酶、双链RNA结合蛋白DGCR8以及其他辅助蛋白，负责从pri-miRNA中切割出含有发夹结构的pre-miRNA。这一切割过程使得pre-miRNA能够通过核孔复合体从细胞核转运到细胞质中。在细胞质内，含有Dicer酶的复合体进一步处理pre-miRNA，将其裁剪成成熟的miRNA。通常情况下，只有前体中的一条链会被保留并成为成熟的miRNA。这些成熟的miRNA随后会与miRISC结合，该复合体通常包含Argonaute家族蛋白，并负责执行miRNA介导的基因沉默。在众多miRNA序列中，5′端的“种子”区域（大约从第2个碱基到第8或第9个碱基）对于识别靶mRNA至关重要，同时miRNA的3′端与靶位点之间的序列上下文和碱基配对也对miRNA的功能发挥着重要作用。

在动物体内，miRNA通过两种主要机制发挥作用：一是通过其种子序列与mRNA的3'非翻译区（3'UTR）进行互补配对，导致mRNA的翻译过程受到抑制，进而调控基因的表达；二是在翻译延伸阶段阻碍核糖体的移动，导致翻译提前终止。miRNA对mRNA表达和翻译的调控作用，使其在基因表达调控中扮演着关键角色。

巨大的应用潜力

基因表达改变是导致人类疾病（包括癌症）病理过程的主要分子机制，miRNA在疾病相关的多个领域展现出巨大的应用潜力，原因在于其能够精准调控细胞内的基因表达，通过影响特定的细胞途径来治疗疾病。miRNA的调控作用不仅限于单一基因，它们能够同时影响多个靶基因，从而对细胞功能产生广泛影响。这种调控机制使得miRNA成为治疗多种疾病的有力候选，包括癌症、心血管疾病和神经退行性疾病。

改变细胞内miRNA的表达水平是miRNA治疗的关键策略之一。通过使用合成miRNA（miRNA mimics）来增加细胞内特定miRNA的浓度，可以增强其对靶基因的调控作用。相反，通过使用miRNA抑制剂（anti-miRs）可以降低特定miRNA的活性，从而减轻其对靶基因的抑制。此外，还可以利用重组表达载体来控制miRNA的表达，这些载体可以将miRNA编码序列直接导入细胞，实现对miRNA水平的精确调控（参考资料[10]）。

（图片来源：参考资料[2]）

miRNA在疾病预防、监测与治疗等领域都有巨大的应用前景。在疾病预防方面，例如孕妇早期摄入叶酸可调节miRNA，从而降低胎儿神经管缺陷的风险。在疾病监测领域，随着检测技术的进步，miRNA的应用价值不断凸显。循环miRNA因其在体液中的稳定性成为重要的疾病标志物，像特定的miR-155和let-7a可用于癌症诊断，液体活检中血液里的循环miRNA用于无创诊断，有助于体液样本分析，同时在预测癌症治疗反应上也发挥作用。而在疾病治疗方面，miRNA的潜力更是不可小觑。它能够精准调控细胞内基因表达，同时影响多个靶基因，为癌症、心血管疾病和神经退行性疾病等多种疾病的治疗带来希望。改变细胞内 miRNA 表达水平的多种策略，如使用合成 miRNA、抑制剂和重组表达载体等的研究正在进行，且初步临床试验表明 miRNA在治疗多种疾病方面已经显示出潜力，虽然临床应用面临挑战，但这也为其应用潜力的进一步挖掘提供了优化改进的方向。

安博斯和鲁弗肯的开创性工作，以及许多研究者在他们发现的基础上所做的研究，为我们揭开了基因调控的新篇章，彻底改变了我们对转录后基因调控的理解。在细胞核中，蛋白质通过与DNA结合因子相互作用调控RNA的转录和剪接过程，而在细胞质中，miRNA控制着mRNA的翻译和降解。这种转录后基因调控机制对于动物的发育至关重要，并在成年个体的细胞类型中发挥着关键作用，是复杂多细胞生物体生存的基础。

【参考资料】

[1] http://www.nobelprizemedicine.org/the-nobel-prize-in-physiology-or-medicine-2024/

[2] Xiong Q, Zhang Y. Small RNA modifications: regulatory molecules and potential applications. J Hematol Oncol. 2023;16(1):64. Published 2023 Jun 22. doi:10.1186/s13045-023-01466-w.

[3] Boyd SD. Everything you wanted to know about small RNA but were afraid to ask. Lab Invest. 2008;88(6):569-578. doi:10.1038/labinvest.2008.32.

[4] Lee RC, Feinbaum RL, Ambros V. The C. elegans heterochronic gene lin-4 encodes small RNAs with antisense complementarity to lin-14. Cell. 1993;75(5):843–854.

[5] Wightman B, Ha I, Ruvkun G. Posttranscriptional regulation of the heterochronic gene lin-14 by lin-4 mediates temporal pattern formation in C. elegans. Cell. 1993;75(5):855–862.

[6] Neilson JR, Sharp PA. Small RNA regulators of gene expression. Cell. 2008;134(6):822-825. doi:10.1016/j.cell.2008.09.006.

[7] Pasquinelli AE, et al. Conservation of the sequence and temporal expression of let-7 heterochronic regulatory RNA. Nature. 2000;408(6808):86–89. https://doi.org/10.1038/35040556.

[8] Kozomara A, Birgaoanu M, Griffiths-Jones S. miRBase: from microRNA sequences to function. Nucleic Acids Research. 2019;47(D1):D155–D162. https://doi.org/10.1093/nar/gky1141.

[9] Pfeffer S, et al. Identification of virus-encoded microRNAs. Science (New York, N.Y.). 2004;304(5671):734–736. https://doi.org/10.1126/science.1096781.

[10] Diener C, Keller A, Meese E. Emerging concepts of miRNA therapeutics: from cells to clinic. Trends Genet. 2022;38(6):613-626. doi:10.1016/j.tig.2022.02.006.

关于云舟生物

云舟生物科技（广州）股份有限公司创建于2014年，是世界知名分子生物学家蓝田博士创办的基因递送领军企业，在全球设有10余家子公司和办事处，2023年晋升为全球独角兽企业。

云舟生物独创“VectorBuilder”平台（即“载体家”），开启了定制化基因载体的商品化时代，已累计向全球90多个国家和地区超4500家科研院校和制药公司提供服务，成果被上千篇Science、Nature、Cell等全球顶尖科研期刊广泛引用。

云舟生物的基因药物CRO、CDMO项目遍布北美、欧洲、日本等多个国家和地区，已成功助力全球数十个项目成功开展IIT或IND研究，其中GMP级别的质粒和慢病毒载体已获得美国FDA的IND正式批准，用于在美国的多中心临床试验。

云舟生物致力于系统性攻克基因递送行业的关键技术瓶颈，为行业和世界创造不可取代的价值。

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzkzNzMzMTIzOA==&mid=2247502092&idx=1&sn=9013d061defe47dad29842831af308e1

云舟生物

基因递送领域的领军企业，可提供科研载体构建、基因递送 CRO 和基因载体 CDMO 等基因递送全产业链服务。云舟生物，引领基因递送革命。

最新文章

Nature重磅：肥胖元凶？下丘脑细胞外基质重塑推动代谢疾病发展 | 科研热点

喜讯！云舟生物蓝田博士入选“2024福布斯中国·最具影响力华人精英TOP100”榜单

广州市黄埔区人大常委会胡德开主任一行莅临云舟生物开展考察调研工作

基因疗法从科研走向临床应用的关键问题——如何对载体进行优化？

完整议程来了！！第二届大湾区细胞基因治疗发展论坛11月登陆广州！

Cancer Research|重庆医科大学唐曦和柳满然教授团队揭示ACSL4通过介导膜磷脂重塑促进三阴性乳腺癌转移的新机制

NC | 华南理工大学沈松/王均团队揭示Tri-NAb通过协调NK和T细胞发挥协同抗肿瘤免疫作用的新机制

引领创新！云舟生物蓝田博士入选2024 PharmaVoice 100榜单

诺贝尔AI年！AlphaFold开发者斩获2024诺贝尔化学奖

深度解读2024年诺贝尔生理学或医学奖！基因调控的全新认识

重磅！microRNA发现者斩获2024年诺贝尔生理学或医学奖

科研热点 | 多篇顶刊连发，云舟生物助力全球多所科研院所开展前沿研究

2024诺贝尔生理学与医学奖预测，谁能摘得桂冠？

喜讯 | 云舟生物入选「2024广州新质生产力高企百强榜单」

2024诺贝尔奖前瞻，深度梳理获奖热门CAR-T疗法

突破性研究！SU056通过靶向YB-1抑制蛋白翻译，有望成为三阴性乳腺癌的治疗新策略

ART001获美国FDA临床试验许可，基于非病毒载体的基因编辑药物递送成为焦点

线上讲座 | 如何利用诱导多能干细胞建立神经退行性疾病风险模型？

直播预告 | 云舟生物X艾杰尔飞诺美 “2nd Annual Virtual Biosymposium” 报名通道已开启

Nature重磅 | 癌症治疗新突破，RMC-7977展现强效RAS活性抑制作用

线上讲座 | 如何选择和设计载体才能更高效地实现基因递送？

科研热点 | 新型CAR T细胞疗法可用于神经母细胞瘤的免疫治疗；云舟生物为全球多家机构提供科研助力

云舟生物突破性研究揭示多细胞生命的奥秘

云舟启航梦想同行——云舟生物2024届毕业生活动圆满落幕

喜讯 | 云舟生物加入联合国全球契约组织，以创新引领可持续发展之路

云舟生物100万载体里程碑即将达成！免单惊喜福利来袭~

创新驱动、行业领先，云舟生物入选「广东省省级制造业单项冠军企业」

日本最大国立研究院RIKEN研究所主任研究员Shigeo Hayashi到访云舟生物

七夕 | 和科研人谈过恋爱才发现...

60+大咖嘉宾已就位，第二届大湾区细胞基因治疗发展论坛11月登陆广州！

突破性进展！云舟生物助力蓝图生物新药获得美国FDA孤儿药资格认定

科研热点 | 揭秘疼痛的特异性免疫特征，云舟生物为中国、美国、英国等全球多家机构提供助力

云舟生物参加广州生物医药产学研交流会，助力行业创新发展

喜讯 | 云舟生物项目入选2024中国海外人才创新创业大赛创新创业十强榜单

云舟生物联合9家单位，CGT产业升级园区行活动第九站成都站精彩回顾！

乘风破浪 | 云舟生物第一期“基层主管培训班”圆满结营

云舟生物亮相日本GCT行业大会，新产品miniVec™备受瞩目

分类

时事

民生

政务

教育

文化

科技

财富

体娱

健康

情感

旅行

百科

职场

楼市

企业

乐活

学术

汽车

时尚

创业

美食

幽默

美体

文摘

原创标签

时事社会财经军事教育体育科技汽车科学房产搞笑综艺明星音乐动漫游戏时尚健康旅游美食生活摄影宠物职场育儿情感小说曲艺文化历史三农文学娱乐电影视频图片新闻宗教电视剧纪录片广告创意壁纸头像心灵鸡汤星座命理教育培训艺术文化金融财经健康医疗美妆时尚餐饮美食母婴育儿社会新闻工业农业时事政治星座占卜幽默笑话独立短篇连载作品文化历史科技互联网

发布位置

广东北京山东江苏河南浙江山西福建河北上海四川陕西湖南安徽湖北内蒙古江西云南广西甘肃辽宁黑龙江贵州新疆重庆吉林天津海南青海宁夏西藏香港澳门台湾美国加拿大澳大利亚日本新加坡英国西班牙新西兰韩国泰国法国德国意大利缅甸菲律宾马来西亚越南荷兰柬埔寨俄罗斯巴西智利卢森堡芬兰瑞典比利时瑞士土耳其斐济挪威朝鲜尼日利亚阿根廷匈牙利爱尔兰印度老挝葡萄牙乌克兰印度尼西亚哈萨克斯坦塔吉克斯坦希腊南非蒙古奥地利肯尼亚加纳丹麦津巴布韦埃及坦桑尼亚捷克阿联酋安哥拉