刚刚！诺贝尔生理学或医学奖出炉，他们让我们重新认识基因调控 | 深度解读
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2024-10-07 17:43
上海
今日下午，万众瞩目的诺贝尔生理学或医学奖公布了获奖者名单，在微RNA（microRNA）领域做出突破性贡献的Victor Ambros教授和Gary Ruvkun教授摘得桂冠。这两位学者发现了microRNA及其在转录后基因调控中的作用，他们的发现让我们对基因调控有了全新的认识，获奖可谓是实至名归。▲Victor Ambros教授和Gary Ruvkun教授（图片来源：参考资料[1])让我们把时钟回拨到40年前。1981年，《细胞》杂志上刊登了一篇关于线虫的研究论文，里头报道了两种线虫的突变体。其中，一种叫做lin-4的突变体吸引了人们的注意。这个突变体最初在分子生物学大牛Sydney Brenner教授的实验室中被发现，并在这篇论文中得到了Martin Chalfie 、Robert Horvitz、以及John Sulston三名科学家的进一步阐述。值得一提的是，这四位科学家之后都拿过诺贝尔奖。▲这项研究的3名作者后来都拿了诺贝尔奖（图片来源：参考资料[2]）当时，Ambros博士是Robert Horvitz教授课题组的一名博士后研究员，研究兴趣是基因如何调控发育的不同阶段，而lin-4突变体恰好是个不错的研究对象——当lin-4基因出现突变后，线虫会一直停留在发育早期，无法发育成熟。也就是说，正常功能的lin-4基因能让线虫“迈过”某个发育的坎，顺利发育到下一阶段。可是，lin-4基因到底怎样控制线虫发育的呢？科学家们对此一无所知。要知道，当时重组DNA技术才诞生十年出头，分子生物学利器PCR技术也尚未问世。想要确认一条基因的功能，一点也不容易。面对无从下手的窘境，Ambros博士做了一个精妙的假设：既然lin-4突变体会出现发育上的问题，那么其他出现发育问题的突变线虫，背后发生突变的基因可能会与lin-4有一些关联。顺着这个思路，他们又找到了几个不同的突变体，并将其分为两大类型。第一种突变体会“早熟”，即比正常动物发育得更快；另一种突变体属于“晚熟”，比正常动物发育得更慢。在这些突变体里，lin-14突变让Ambros博士产生了浓厚兴趣。在线虫中，它的功能看起来和lin-4截然相反。一旦它发生缺失，线虫就会“跳过”一些早期的发育阶段，直接展露出一些只有发育后期才会出现的特征。这些结果也表明，lin-4与lin-14基因在线虫的细胞里起到了相反的作用。▲Ambros教授、Ruvkun教授、以及另一位英国学者David C. Baulcombe教授曾因发现“调控基因功能的微小RNA”，获得了2008年的拉斯克临床医学研究奖（图片来源：参考资料[3]）阐明lin-14的功能，还是Ruvkun博士加入到Horvitz教授课题组之后的事了。与Ambros博士一道，两人先是分离出了lin-14基因，又在各自建立独立的实验室后，保持了紧密的合作关系。在波士顿的麻省总医院，Ruvkun教授团队发现，在线虫的发育早期，lin-14基因所编码的蛋白产物有着非常充足的表达。而随着发育的进行，lin-14蛋白的水平也会逐步下降。而在哈佛大学，Ambros教授团队则发现lin-4作用于lin-14的上游，且会抑制后者的活性。这样一来，这两条基因的功能就解释得通了：在正常的动物中，lin-4会在正确的时间启动，抑制lin-14的功能。而随着后者活跃水平的下降，线虫能够顺利迈入发育的后期。当lin-4基因发生突变时，lin-14蛋白的水平就会居高不下，让线虫停留在发育早期；类似的，如果lin-14蛋白出现缺失，那么发育就会跳过早期阶段，进入后期。▲lin-4和lin-14在线虫的不同发育阶段起作用（图片来源：参考资料[4]）接下来，就是整个故事的重点了：lin-4究竟是怎么抑制lin-14蛋白功能的呢？为了寻找背后的调控机理，这两支团队分头进行了探索。在Ruvkun教授课题组，科学家们在lin-14基因中寻找变异，看看哪些突变会影响到lin-4的调控。让他们感到新奇的是，这些变异都出现在lin-14基因所转录出的mRNA的3’端非翻译区（3’-UTR）。对于不熟悉分子生物学的朋友们，我们再来重温一下mRNA的作用。我们知道，基因里储存着遗传信息。通常来说，这些遗传信息先会被转录成mRNA，再被翻译成蛋白质，行使生理功能。也就是说，mRNA可以被视作是遗传信息的“快递员”。事实上，它开头的“m”，也正是“信使”（messenger）的意思。除了编码蛋白质的遗传信息之外，mRNA上还有其他一些东西，其中就包括了两侧的“非翻译区”。现在我们知道，它对基因的表达有着极为重要的调控作用。但在当时，人们对其功能还知之甚少。Ruvkun教授团队发现，这段3’-UTR的序列虽然不会影响到mRNA的数量，却会大大影响其翻译成蛋白质的效率，减少lin-14蛋白的水平。或许，这就是正常线虫发育到一定阶段后，lin-14蛋白会出现锐减的原因。在另一边，Ambros教授课题组则将注意力放在了lin-4基因的产物上。当时，科学界的主流观点认为在动物细胞内，蛋白质是行使基因调控功能的不二人选。因此，lin-4基因的产物应当是某种目前还没被揭晓的蛋白质。但最终的研究结果让科学家们大感意外——lin-4基因真正起作用的关键部分，竟然是两种微型的RNA（microRNA，或miRNA）。其中一种只有61个碱基（可以理解为单词的字母），比当时已知最短的功能性RNA（75个碱基）还要短。另一种RNA则更夸张，它只有22个碱基。▲lin-4作用于lin-14的3’-UTR（图片来源：参考资料[4]）当两组科学家交流数据时，一道光照亮了他们前方的道路：那个只有22个字母的微RNA，恰好与lin-14的一段3’-UTR大致形成互补。科学之美，在此刻展现得淋漓尽致。随后，科学家们进一步阐明了这些微RNA的具体作用机理。原来，那个较大的微RNA（61个碱基）可以组成一个“发夹”般的结构。在经过修饰后，它会变为具体执行功能的微RNA（22个碱基）。在这个案例中，脱胎于lin-4的微RNA会阻止lin-14蛋白的翻译，减少它的水平。▲微RNA的作用机理（图片来源：参考资料[3]；Credit: Carin Cain. Based on an illustration from Victor Ambros）这两支团队为这个全新的发现感到振奋！距离1981年的论文已经过去了12年，他们终于搞清了lin-4突变体产生的生物学机理。然而，其他科学家们却对这个发现不置可否。他们也的确有保持冷静的理由：线虫在某种程度上是种非常怪异的生物，由微RNA来调控基因表达的现象，可能只是线虫的另一个古怪之处。转机悄然发生于世纪之交。1998年，两名美国科学家Andrew Fire教授与Craig Mello教授发现了一种叫做RNA干扰（RNAi）的现象，向世人展示了RNA在基因调控上的作用。他们也在8年后斩获了诺贝尔生理学或医学奖。1999年，英国的David C. Baulcombe教授与其合作伙伴证明在植物中，只有25个碱基长的RNA也能控制mRNA的活性。与线虫系统的高度类似性，表明这类通过微型RNA调控基因表达的机制，在很多生物中都存在。更直接的证据来自Ambros教授/Ruvkun教授团队。2000年，他们在线虫中找到了另一种受微RNA调控的基因。2001年，他们更是找到了几百个类似的基因，且在人类中也保守存在。这一次，主流学界终于意识到了这项研究的重要性。后来的科学家们也重新梳理了RNA的功能，并找到了许多不直接编码蛋白质，但参与到细胞内种种生理活动的RNA。这些都被统称为非编码RNA，昭示了我们向着理解自然又迈出了一大步。不夸张的说，这些科学家们的天才想法与辛勤工作，从根本上改变了人们对于转录后基因调控的认知。他们于今日摘得诺奖桂冠，也是对其贡献的最好认可！[1] The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2024, Retrieved October 7, 2024, from http://www.nobelprizemedicine.org/the-nobel-prize-in-physiology-or-medicine-2024/ [2] Martin Chalfie et al., (1981), Mutations that lead to reiterations in the cell lineages of C. elegans, Cell, DOI: 10.1016/0092-8674(81)90501-8
[3] Tiny RNAs that regulate gene function, Retrieved October 5, 2020, from http://www.laskerfoundation.org/awards/show/tiny-rnas-that-regulate-gene-function/[4] Joel R. Neilson and Phillip A. Sharp, (2008), Small RNA Regulators of Gene Expression, Cell, DOI: 10.1016/j.cell.2008.09.006[5] Thomas R. Cech and Joan A. Steitz, (2014), The Noncoding RNA Revolution—Trashing Old Rules to Forge New Ones, Cell, DOI: 10.1016/j.cell.2014.03.008免责声明：药明康德内容团队专注介绍全球生物医药健康研究进展。本文仅作信息交流之目的，文中观点不代表药明康德立场，亦不代表药明康德支持或反对文中观点。本文也不是治疗方案推荐。如需获得治疗方案指导，请前往正规医院就诊。版权说明：本文来自药明康德内容团队，欢迎个人转发至朋友圈，谢绝媒体或机构未经授权以任何形式转载至其他平台。转载授权请在「药明康德」微信公众号回复“转载”，获取转载须知。
