剛剛，2024年諾貝爾生理學或醫學獎出爐——
來自美國的維克托·安布羅斯（Victor Ambros）、加裏·魯夫昆(Gary Ruvkun)獲此殊榮。
他們發現了microRNA的存在，並揭示其在基因調控中的重要作用。
要知道，深入研究microRNA在諸多嚴重疾病（如癌症、糖尿病、自身免疫疾病等）中的作用機制，科學家們可以找到更多新靶點、開發出更多新的診斷工具和治療方法。
諾貝爾獎委員會表示：
他們的發現揭示了基因調控的一個全新維度。microRNA對于包括人類在內的生物體至關重要。
他們將共享1100萬瑞典克朗獎金（約合744萬元人民幣）。
值得一提的是，兩人博士後期間都師從另一位諾獎得主霍華德·羅伯特·霍維茨（Howard Robert Horvitz）。
二人也曾經于2008年共同獲得拉斯克基礎醫學獎，獲獎原因正是對microRNA的發現。拉斯克獎再次應驗了大衆口中“諾獎風向標”。
意外發現基因調控更隱秘機制
人類染色體中存儲的信息可以類比爲身體所有細胞的指導手冊。
每個細胞都含有相同的染色體，因此每個細胞都包含完全相同的一組基因和完全相同的一組指令。
然而，不同類型的細胞，如肌肉細胞和神經細胞，具有非常不同的特征。
這些差異是如何産生的？
答案在于基因調控，它允許每個細胞只選擇相關的指令。這確保了在每種細胞類型中只有正確的基因是活躍的。
microRNA在基因調控中起關鍵作用。
遺傳信息從DNA流向信使RNA（mRNA），這個過程被稱爲轉錄，然後再被翻譯成蛋白質。
從20世紀中葉以來，一些最基礎的科學發現已經解釋了這些過程是如何工作的。
人類的器官和組織由許多不同類型的細胞組成，所有這些細胞中的DNA都存儲了相同的遺傳信息。
但是爲什麽不同的細胞表達出不同的蛋白質？
答案在于精確調控基因活性，以便在每種特定的細胞類型中只有正確的基因是活躍的。
如果基因調控出現問題，就會導致癌症、糖尿病、自身免疫性疾病等嚴重疾病。
20世紀60年代，學界發現轉錄因子的特定蛋白質可以結合到DNA的特定區域，並通過決定産生哪些mRNA來控制遺傳信息的流動。之後人們已經鑒定出數千個轉錄因子。
這一度被認爲是基因調控的主要機制。
直到1993年，維克托·安布羅斯等人在秀麗隱杆線蟲中意外發現了microRNA（簡稱miRNA）的存在。
這是一種非寄生性線蟲，身體透明，長度約1毫米。但是它身體中包含很多大型複雜動物也有的細胞類型，比如神經細胞、肌肉細胞，因此它成爲研究多細胞生物如何發育的重要模型。
安布羅斯團隊本來是想研究秀麗隱杆線蟲發育過程中lin-4基因的作用。
最初他們以爲lin-4基因會編碼一種調控蛋白，但實驗結果卻表明，lin-4基因産物是一種小RNA分子，這與當時的認知相違背。
而且來自lin-4的小RNA分子還會抑制基因lin-14。
但這背後的機制又是怎樣的？
另一邊，師出同門的魯夫昆也在研究秀麗隱杆線蟲lin-14的基因調控。
他發現不是lin-4不是抑制lin-14的mRNA産生，調控似乎發生在基因表達的後期階段，是通過抑制蛋白質産生實現的。
實驗還揭示了lin-14 mRNA中對抑制作用起到至關作用的一個片段。
兩個研究團隊比較結果發現，lin-4中發現的小RNA序列與lin-14 mRNA中的關鍵片段序列互補。
這表明，這個小RNA分子，直接調控lin-14蛋白。
1993年，這兩項研究在Cell上先後發表。
不過當時它們並未引發學界的過多重視。因爲大家認爲這種現象或許只是秀麗隱杆線蟲所特有的，與人類以及其他高級動物無關。
2000年，魯夫昆團隊發現了另一個miRNA分子let-7，它也在秀麗隱杆線蟲中起到重要的基因調控作用。
要知道，let-7基因在高級動物中普遍存在，包括人類。
這引發了學界震動，風向就此改變，科學家們開始在各種生物體中尋找和研究更多的miRNA分子。
隨後幾年，就已經發現了幾百種不同的miRNA。截至目前，已知人類就有超過1000種不同的miRNA。
師出名門但不被哈佛青睐
維克托·安布羅斯（Victor Ambros）是美國發育生物學家，1953年出生于美國新罕布什爾州的漢諾威（Hanover）。
1975年，他獲得了MIT生物學學士學位，同年，戴維·巴爾的摩（David Baltimore）獲得了當年的諾貝爾生理學或醫學獎，原因是發現並分離了逆轉錄酶，進而發現了逆轉錄病毒。
之後，安布羅斯成爲了巴爾的摩的博士生，僅用4年時間就取得了博士學位，並繼續在MIT從事博士後研究。
安布羅斯博士後期間的導師——霍華德·羅伯特·霍維茨（Howard Robert Horvitz），後來也同樣成爲了諾獎得主。
霍維茨因發現器官發育和細胞程序性細胞死亡的遺傳調控機理于2002年獲得諾貝爾生理學或醫學獎，安布羅斯是他帶的第一名博士後。
值得一提的是，羅伯特·霍維茨出生于1947年，只比安布羅斯大6歲。
1985年，完成博士後研究的安布羅斯，到哈佛大學擔任助理教授。
但這位由兩名諾獎得主先後帶出來的高材生並未獲得哈佛的青睐，導致他沒能轉爲終身教職，于1992年轉到了達特茅斯醫學院。
就在一年後的1993年，安布羅斯和他哈佛期間同事的一項研究在Cell雜志上發表。
具體來說，他們意外地發現，對線蟲成長至關重要的lin-4基因並不編碼調節蛋白，而是産生了一些長度爲22和61個核苷酸的小RNA分子。
而lin-4産生的這種小RNA分子，正是第一個已知的microRNA。
2007年，安布羅斯當選爲美國國家科學院院士；2008年他與魯夫昆共同獲得了拉斯克基礎醫學獎，獲獎原因正是對microRNA的發現。
目前，安布羅斯正在馬薩諸塞大學醫學院，擔任分子醫學項目的西爾弗曼自然科學教授。
加里·魯夫昆（Gary Ruvkun）則是美國馬薩諸塞州總醫院的分子生物學家，同時也是哈佛醫學院的遺傳學教授。
魯夫昆1952年出生于加州的伯克利，本科的學業也是在加州大學伯克利分校（UCB）完成的。
博士期間，魯夫昆在哈佛大學的Frederick M. Ausubel實驗室進行了有關細菌固氮基因的研究。
讀完博士後，魯夫昆和安布羅斯一樣選擇了從事博士後研究，其間他的導師有兩位。
其中一位正是安布羅斯的博士後導師、MIT教授羅伯特·霍維茨。
另一位，是時任哈佛大學教授的1980年諾貝爾化學獎得主沃特·吉爾伯特（Walter Gilbert），他的獲獎原因是發展了測定DNA序列的方法。
回到魯夫昆本人，在安布羅夫發表Cell文章的同一期，他的一項研究也獲得了刊載，內容同樣與lin-4有關。
後來，魯夫昆揭開了lin-4背後的更多細節，發現其對目標的翻譯進行的調控，是通過與目標信使RNA不完全堿基配對實現的。
2000年，魯夫昆又在秀麗隱杆線蟲中發現了第二個microRNA——let-7，當年晚些時候，魯夫昆又發現了microRNA調控，對其他動物（包括人類）同樣具有普遍性。
相關的兩篇論文，分別在Cell子刊和Nature上發表。
此後，魯夫昆的實驗室陸續鑒定了更多的microRNA，包括來自哺乳動物神經元的microRNA。
2007年，魯夫昆又發現了與miRNA相互作用以發揮其基因調控功能的蛋白質輔助因子。
2008年，在安布羅夫當選美國國家科學院院士1年後，魯夫昆也成功當選，同年兩人共同獲得了具有“諾獎風向標”之稱的拉斯克基礎醫學獎。
值得一提的是，兩位學者門下也有諸多中國弟子。
據《知識分子》，北京大學分子醫學研究所研究員劉穎曾在加裏·魯夫昆實驗室從事博士後研究。
中國科學技術大學生命科學學院教授光壽紅從事秀麗線蟲研究十幾年，當中見過安布羅斯和魯夫昆很多次，也多次得到他們的指點和幫助。算輩分還是魯夫昆的徒孫。
--- [明敏 克雷西 發自 : 凹非寺*量子位 : 公衆號 QbitAI/來源 : 量子位]
參考鏈接：
[1]https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2024/press-release/
[2]https://en.wikipedia.org/wiki/Victor_Ambros
[3]https://en.wikipedia.org/wiki/Gary_Ruvkun
*北大陳匡時署名文章：microRNA非典型功能及其在新型RNA藥物開發中的潛力*
諾貝爾獎委員會于本周一（北京時間）宣布，將 2024 年諾貝爾生理學或醫學獎授予維克多·安布羅斯（Victor Ambros）和加裏·魯夫昆（Gary Ruvkun），以表彰他們在微小 RNA（microRNA）及其在“基因沈默”功能方面的發現。
圖 | 本文作者：北京大學未來技術學院生物醫學工程系陳匡時博士/研究員（來源：陳匡時）
這些發現揭示了基因調控的新維度，也爲生命體在數億年時間中如何進化、人體如何由各種不同的組織構成、以及疾病的發生與發展等生命現象提供了重要解釋。
Victor Ambros 和 Gary Ruvkun 利用秀麗隱杆線蟲（C. Elegans）爲模型生物研究基因調控。C.Elegans 雖然體積小（1mm 長），但擁有許多特殊的細胞類型，例如神經細胞和肌肉細胞。
這些細胞在更大、更複雜的動物中也存在，因此它成爲研究多細胞生物中組織如何發育和成熟的有力模型。lin-4 和 lin-14 是兩種調控 C. Elegans 發育的重要基因（圖 1）。
圖 1 |（來源：諾獎官網）
Victor Ambros 發現了 lin-4 能降低 lin-14 的表達 [1]，並發現了 lin-4 基因不編碼蛋白質，而是編碼了長度爲 22nt 的小 RNA，即微小 RNA（microRNA）[2]。
Ruvkun 則克隆了 lin-14 基因，並發現了其 3‘UTR 是其關鍵的基因調控元件 [3]。最後兩位科學家合作發現了 lin-4 能與 lin-14 mRNA 中的 3‘UTR 通過序列互補而實現對 lin-14 基因的沈默 [2，4]。
在之後的工作中，Ruvkun 更進一步的發現另一個 let-7 microRNA 具有類似 lin-4 的基因調控模式 [5]，並且 let-7 基因高度保守，廣泛存在于整個動物界 [6]。
這些工作隨後引發了科學家對 microRNA 的廣泛研究。如今，我們知道人類中存在上千個不同 microRNA 的基因，並且 microRNA 的基因調控功能廣泛存在于多細胞生物中（圖 2）。
圖 2｜（來源：參考文獻 7）
在 microRNA 被發現之前，科學界普遍認爲基因調控主要發生在基因轉錄水平。
一類被稱爲“轉錄因子（transcription factor）”的特殊蛋白質可以結合到 DNA 的特定區域，並通過決定哪些 mRNA 被生成來控制遺傳信息的流動。
已有數千種轉錄因子被鑒定，導致轉錄因子-DNA 互作被認爲是基因表達調控的主要機制。
然而，這一機制無法解釋爲何盡管起始于相同的遺傳信息，即同一個人細胞都包含相同的染色體，但是不同的細胞類型（如心肌細胞與皮膚細胞）具有非常明顯的形態與功能差異。
microRNA 及其基因沈默功能的發現爲這一生物學現象提供了合理解釋。
此外，microRNA 具有基因沈默的功能也引發了人們去探索利用其作爲治療藥物的可能性。
然而，由于 microRNA 不需要與目標 mRNA 完全互補便能抑制其表達的特性也提示基于 microRNA 的基因沈默治療可能産生脫靶效應。
值得一提的是，除了實現基因沈默，新的研究表明 microRNA 也能與細胞中介導基因沈默的組分（RNA-induced silencing complex）之外的生物大分子互作，實現”非典型（unconventional）”的 microRNA 功能 [8]。
例如，我們團隊先前的研究發現，microRNA 能夠與逆轉錄病毒包括 HIV-1 和 MLV 的結構蛋白 Gag 在人類細胞中通過靜電作用發生非特異性互作（圖 3），從而幹擾 Gag 與病毒基因組互作，進而抑制 Gag 在細胞膜上組裝成病毒顆粒並造成組裝平台被內吞最終在溶酶體中被降解 [9-11]。
這樣的抑制效果在目標 RNA 不存在或是 RISC 被敲低時更顯著。隨後，我們還利用這一原理，開發了可有效抑制 HIV 病毒組裝的 RNA 納米材料 [12]。
這些研究成果提示了 microRNA 的“非典型”功能可被利用于幹擾疾病中的關鍵 RNA-蛋白互作，成爲一種不具備脫靶問題的 RNA 治療藥物。
圖 3 | microRNA（miRNA）幹擾病毒顆粒組裝機制。（A）Gag 蛋白以病毒 RNA 爲支架在宿主細胞表面聚合，進而形成 HIV-1 病毒顆粒。（B）遊離的 miRNA 與 Gag 蛋白非特異性地結合，形成 miRNA-Gag 蛋白複合體，從而幹擾 Gag 與病毒 RNA 的結合。 （來源：陳匡時）
總的來說，microRNA 的相關研究是一個令人興奮且快速發展的領域。目前，一些 microRNA 已被證實可作爲腫瘤標志物，成爲相關癌症的診斷依據。
隨著人們對 microRNA 理解的不斷加深，相信有朝一日 microRNA 可被直接用于疾病治療。
參考資料：
1. Ambros, V. (1989) A hierarchy of regulatory genes controls a larva-to-adult developmental switch in C. elegans. Cell, 57, 49-57.
2. Lee, R.C., Feinbaum, R.L. and Ambros, V.（1993）The C. elegans heterochronic gene lin-4 encodes small RNAs with antisense complementarity to lin-14. Cell, 75, 843-854.
3. Wightman, B., Burglin, T.R., Gatto, J., Arasu, P. and Ruvkun, G.（1991）Negative regulatory sequences in the lin-14 3'-untranslated region are necessary to generate a temporal switch during Caenorhabditis elegans development. Genes Dev, 5, 1813-1824.
4. Wightman, B., Ha, I. and Ruvkun, G.（1993）Posttranscriptional regulation of the heterochronic gene lin-14 by lin-4 mediates temporal pattern formation in C. elegans. Cell, 75, 855-862.
5. Reinhart, B.J., Slack, F.J., Basson, M., Pasquinelli, A.E., Bettinger, J.C., Rougvie, A.E., Horvitz, H.R. and Ruvkun, G.（2000）The 21-nucleotide let-7 RNA regulates developmental timing in Caenorhabditis elegans. Nature, 403, 901-906.
6. Pasquinelli, A.E., Reinhart, B.J., Slack, F., Martindale, M.Q., Kuroda, M.I., Maller, B., Hayward, D.C., Ball, E.E., Degnan, B., Muller, P. et al.（2000）Conservation of the sequence and temporal expression of let-7 heterochronic regulatory RNA. Nature, 408, 86-89.
7. Winter, J., Jung, S., Keller, S., Gregory, R.I. and Diederichs, S. (2009) Many roads to maturity: microRNA biogenesis pathways and their regulation. Nat Cell Biol, 11, 228-234.
8. Dragomir, M.P., Knutsen, E. and Calin, G.A.（2018）SnapShot: Unconventional miRNA Functions. Cell, 174, 1038-1038 e1031.
9. Chen, A.K., Sengupta, P., Waki, K., Van Engelenburg, S.B., Ochiya, T., Ablan, S.D., Freed, E.O. and Lippincott-Schwartz, J.（2014）MicroRNA binding to the HIV-1 Gag protein inhibits Gag assembly and virus production. Proc Natl Acad Sci U S A, 111, E2676-2683.
10. Pak, A.J., Grime, J.M.A., Sengupta, P., Chen, A.K., Durumeric, A.E.P., Srivastava, A., Yeager, M., Briggs, J.A.G., Lippincott-Schwartz, J. and Voth, G.A.（2017）Immature HIV-1 lattice assembly dynamics are regulated by scaffolding from nucleic acid and the plasma membrane. Proc Natl Acad Sci U S A, 114, E10056-E10065.
11. Qu, N., Ma, Z., Zhang, M., Rushdi, M.N., Krueger, C.J. and Chen, A.K.（2018）Inhibition of retroviral Gag assembly by non-silencing miRNAs promotes autophagic viral degradation. Protein Cell, 9, 640-651.
12. Qu, N., Ying, Y., Qin, J. and Chen, A.K.（2022）Rational design of self-assembled RNA nanostructures for HIV-1 virus assembly blockade. Nucleic Acids Res, 50, e44.
---[運營 /排版 ：何晨龍/來源 : DeepTech深科技]
