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
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藥明康德
2024年10月07日 17:43:59 來自上海市
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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!