諾貝爾生理學或醫學獎出爐，他們讓我們重新認識基因調控_風聞

藥明康德

2024年10月07日 17:43:59 來自上海市

▎藥明康德內容團隊編輯

今日下午，萬眾矚目的諾貝爾生理學或醫學獎公佈了獲獎者名單，在微RNA（microRNA）領域做出突破性貢獻的Victor Ambros教授和Gary Ruvkun教授摘得桂冠。這兩位學者發現了microRNA及其在轉錄後基因調控中的作用，他們的發現讓我們對基因調控有了全新的認識，獲獎可謂是實至名歸。

▲Victor Ambros教授和Gary Ruvkun教授（圖片來源：參考資料[1])

停止生長的線蟲

讓我們把時鐘回撥到40年前。1981年，《細胞》雜誌上刊登了一篇關於線蟲的研究論文，裏頭報道了兩種線蟲的突變體。其中，一種叫做lin-4的突變體吸引了人們的注意。這個突變體最初在分子生物學大牛Sydney Brenner教授的實驗室中被發現，並在這篇論文中得到了Martin Chalfie 、Robert Horvitz、以及John Sulston三名科學家的進一步闡述。值得一提的是，這四位科學家之後都拿過諾貝爾獎。

▲這項研究的3名作者後來都拿了諾貝爾獎（圖片來源：參考資料[2]）

當時，Ambros博士是Robert Horvitz教授課題組的一名博士後研究員，研究興趣是基因如何調控發育的不同階段，而lin-4突變體恰好是個不錯的研究對象——當lin-4基因出現突變後，線蟲會一直停留在發育早期，無法發育成熟。也就是説，正常功能的lin-4基因能讓線蟲“邁過”某個發育的坎，順利發育到下一階段。

可是，lin-4基因到底怎樣控制線蟲發育的呢？科學家們對此一無所知。要知道，當時重組DNA技術才誕生十年出頭，分子生物學利器PCR技術也尚未問世。想要確認一條基因的功能，一點也不容易。

幸運的發現

面對無從下手的窘境，Ambros博士做了一個精妙的假設：既然lin-4突變體會出現發育上的問題，那麼其他出現發育問題的突變線蟲，背後發生突變的基因可能會與lin-4有一些關聯。順着這個思路，他們又找到了幾個不同的突變體，並將其分為兩大類型。第一種突變體會“早熟”，即比正常動物發育得更快；另一種突變體屬於“晚熟”，比正常動物發育得更慢。

在這些突變體裏，lin-14突變讓Ambros博士產生了濃厚興趣。在線蟲中，它的功能看起來和lin-4截然相反。一旦它發生缺失，線蟲就會“跳過”一些早期的發育階段，直接展露出一些只有發育後期才會出現的特徵。這些結果也表明，lin-4與lin-14基因在線蟲的細胞裏起到了相反的作用。

▲Ambros教授、Ruvkun教授、以及另一位英國學者David C. Baulcombe教授曾因發現“調控基因功能的微小RNA”，獲得了2008年的拉斯克臨牀醫學研究獎（圖片來源：參考資料[3]）

闡明lin-14的功能，還是Ruvkun博士加入到Horvitz教授課題組之後的事了。與Ambros博士一道，兩人先是分離出了lin-14基因，又在各自建立獨立的實驗室後，保持了緊密的合作關係。在波士頓的麻省總醫院，Ruvkun教授團隊發現，在線蟲的發育早期，lin-14基因所編碼的蛋白產物有着非常充足的表達。而隨着發育的進行，lin-14蛋白的水平也會逐步下降。而在哈佛大學，Ambros教授團隊則發現lin-4作用於lin-14的上游，且會抑制後者的活性。

這樣一來，這兩條基因的功能就解釋得通了：在正常的動物中，lin-4會在正確的時間啓動，抑制lin-14的功能。而隨着後者活躍水平的下降，線蟲能夠順利邁入發育的後期。當lin-4基因發生突變時，lin-14蛋白的水平就會居高不下，讓線蟲停留在發育早期；類似的，如果lin-14蛋白出現缺失，那麼發育就會跳過早期階段，進入後期。

▲lin-4和lin-14在線蟲的不同發育階段起作用（圖片來源：參考資料[4]）

接下來，就是整個故事的重點了：lin-4究竟是怎麼抑制lin-14蛋白功能的呢？

出人意料的RNA

為了尋找背後的調控機理，這兩支團隊分頭進行了探索。在Ruvkun教授課題組，科學家們在lin-14基因中尋找變異，看看哪些突變會影響到lin-4的調控。讓他們感到新奇的是，這些變異都出現在lin-14基因所轉錄出的mRNA的3’端非翻譯區（3’-UTR）。

對於不熟悉分子生物學的朋友們，我們再來重温一下mRNA的作用。我們知道，基因裏儲存着遺傳信息。通常來説，這些遺傳信息先會被轉錄成mRNA，再被翻譯成蛋白質，行使生理功能。也就是説，mRNA可以被視作是遺傳信息的“快遞員”。事實上，它開頭的“m”，也正是“信使”（messenger）的意思。

除了編碼蛋白質的遺傳信息之外，mRNA上還有其他一些東西，其中就包括了兩側的“非翻譯區”。現在我們知道，它對基因的表達有着極為重要的調控作用。但在當時，人們對其功能還知之甚少。

Ruvkun教授團隊發現，這段3’-UTR的序列雖然不會影響到mRNA的數量，卻會大大影響其翻譯成蛋白質的效率，減少lin-14蛋白的水平。或許，這就是正常線蟲發育到一定階段後，lin-14蛋白會出現鋭減的原因。

在另一邊，Ambros教授課題組則將注意力放在了lin-4基因的產物上。當時，科學界的主流觀點認為在動物細胞內，蛋白質是行使基因調控功能的不二人選。因此，lin-4基因的產物應當是某種目前還沒被揭曉的蛋白質。

但最終的研究結果讓科學家們大感意外——lin-4基因真正起作用的關鍵部分，竟然是兩種微型的RNA（microRNA，或miRNA）。其中一種只有61個鹼基（可以理解為單詞的字母），比當時已知最短的功能性RNA（75個鹼基）還要短。另一種RNA則更誇張，它只有22個鹼基。

▲lin-4作用於lin-14的3’-UTR（圖片來源：參考資料[4]）

當兩組科學家交流數據時，一道光照亮了他們前方的道路：那個只有22個字母的微RNA，恰好與lin-14的一段3’-UTR大致形成互補。科學之美，在此刻展現得淋漓盡致。

全新的調控機制

隨後，科學家們進一步闡明瞭這些微RNA的具體作用機理。原來，那個較大的微RNA（61個鹼基）可以組成一個“髮夾”般的結構。在經過修飾後，它會變為具體執行功能的微RNA（22個鹼基）。在這個案例中，脱胎於lin-4的微RNA會阻止lin-14蛋白的翻譯，減少它的水平。

▲微RNA的作用機理（圖片來源：參考資料[3]；Credit: Carin Cain. Based on an illustration from Victor Ambros）

這兩支團隊為這個全新的發現感到振奮！距離1981年的論文已經過去了12年，他們終於搞清了lin-4突變體產生的生物學機理。然而，其他科學家們卻對這個發現不置可否。他們也的確有保持冷靜的理由：線蟲在某種程度上是種非常怪異的生物，由微RNA來調控基因表達的現象，可能只是線蟲的另一個古怪之處。

轉機悄然發生於世紀之交。1998年，兩名美國科學家Andrew Fire教授與Craig Mello教授發現了一種叫做RNA干擾（RNAi）的現象，向世人展示了RNA在基因調控上的作用。他們也在8年後斬獲了諾貝爾生理學或醫學獎。1999年，英國的David C. Baulcombe教授與其合作伙伴證明在植物中，只有25個鹼基長的RNA也能控制mRNA的活性。與線蟲系統的高度類似性，表明這類通過微型RNA調控基因表達的機制，在很多生物中都存在。

更直接的證據來自Ambros教授/Ruvkun教授團隊。2000年，他們在線蟲中找到了另一種受微RNA調控的基因。2001年，他們更是找到了幾百個類似的基因，且在人類中也保守存在。這一次，主流學界終於意識到了這項研究的重要性。後來的科學家們也重新梳理了RNA的功能，並找到了許多不直接編碼蛋白質，但參與到細胞內種種生理活動的RNA。這些都被統稱為非編碼RNA，昭示了我們向着理解自然又邁出了一大步。

不誇張的説，這些科學家們的天才想法與辛勤工作，從根本上改變了人們對於轉錄後基因調控的認知。他們於今日摘得諾獎桂冠，也是對其貢獻的最好認可！