諾獎(jiǎng)2024｜解讀：小RNA如何幫助我們理解生命和治療疾病？

·幾名專家表示“有些吃驚”，但也表示該結(jié)果在情理之中。這不僅因?yàn)榘膊剂_斯與魯弗肯是該領(lǐng)域中無可置疑的先驅(qū)，也因?yàn)樾NA在基礎(chǔ)研究和臨床診療上的重要性值得第二塊獎(jiǎng)牌。

·miRNA（microRNA）是一類長(zhǎng)度僅約20~22個(gè)核苷酸的小RNA（small RNA）分子，它并不直接參與蛋白質(zhì)的合成，而是通過調(diào)控mRNA影響基因的表達(dá)。

北京時(shí)間10月7日下午，2024年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)在瑞典揭曉。獎(jiǎng)項(xiàng)授予維克多·安布羅斯（Victor Ambros）和加里·魯弗肯（Gary Ruvkun），以表彰他們?cè)诎l(fā)現(xiàn)微小RNA（miRNA）以及探索其在轉(zhuǎn)錄后基因調(diào)控中所起作用的貢獻(xiàn)。

2024年諾獎(jiǎng)得主維克多·安布羅斯和加里·魯弗肯在2014年科學(xué)突破獎(jiǎng)（Breakthrough Prize）頒獎(jiǎng)典禮上。近年來二人橫掃生命科學(xué)領(lǐng)域的多項(xiàng)大獎(jiǎng)。圖片來源：Steve Jennings/Getty Images for Breakthrough Prize

20世紀(jì)90年代初，安布羅斯與魯弗肯在研究線蟲時(shí)發(fā)現(xiàn)了首個(gè)名為lin-4的miRNA，它能夠?qū)α硪粋€(gè)基因lin-14進(jìn)行調(diào)控，使線蟲表達(dá)出光滑或者皺褶的皮膚性狀。2000年，魯弗肯發(fā)現(xiàn)了第二個(gè)miRNA“l(fā)et-7”，并證明它在動(dòng)物界中高度保守——即相對(duì)穩(wěn)定地出現(xiàn)在不同的物種之間。這表明miRNA是一種廣泛存在的調(diào)控機(jī)制。

RNA在遺傳信息的表達(dá)中發(fā)揮著重要的功能。細(xì)胞核的DNA中儲(chǔ)存著生命的“密碼”，這些遺傳信息通過轉(zhuǎn)錄被復(fù)制到“信使”RNA（mRNA）中并被帶到細(xì)胞質(zhì)，在那里進(jìn)行蛋白質(zhì)的合成（“表達(dá)”），形成生命的構(gòu)造和功能。不同于mRNA，miRNA是一類長(zhǎng)度僅約20~22個(gè)核苷酸的小RNA（small RNA）分子，它并不直接參與蛋白質(zhì)的合成，而是通過調(diào)控mRNA影響基因的表達(dá)。

得益于二人的開創(chuàng)性工作，如今，人們已經(jīng)在包括人在內(nèi)的許多物種中發(fā)現(xiàn)了超過10000種miRNA，它們?cè)谂咛グl(fā)育、血細(xì)胞分化、肌肉功能、病毒感染和癌癥等生物學(xué)過程中都發(fā)揮了不可或缺的作用。此外，多種起重要調(diào)控作用的其它小RNA也陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)，其中小干擾RNA（siRNA）的相關(guān)研究更是于2006獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。

為什么小RNA如此重要，以至于在30年間獲2次諾獎(jiǎng)？它們是如何產(chǎn)生，又是如何進(jìn)行基因調(diào)控的？對(duì)于疾病治療和藥物開發(fā)有何意義？未來的研究方向在哪里？10月7日晚，澎湃科技邀請(qǐng)了多位領(lǐng)域內(nèi)專家進(jìn)行解讀。

意料之外又實(shí)至名歸：小RNA有大作用

對(duì)于自2006年以來小RNA領(lǐng)域第二次獲諾獎(jiǎng)，幾名專家表示“有些吃驚”，但也表示該結(jié)果在情理之中。這不僅因?yàn)榘膊剂_斯與魯弗肯是該領(lǐng)域中無可置疑的先驅(qū)，也因?yàn)樾NA在基礎(chǔ)研究和臨床診療上的重要性值得第二塊獎(jiǎng)牌。

小RNA泛指那些含有較少核苷酸序列（小于200個(gè)）的RNA分子，miRNA是其中之一。它是DNA轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物——首先在細(xì)胞核中被轉(zhuǎn)錄成一種長(zhǎng)鏈的初級(jí)形態(tài)，隨后被加工成具有特定結(jié)構(gòu)的前體miRNA，接著在細(xì)胞質(zhì)中被進(jìn)一步切割為更小的RNA分子。然而，它接下來卻會(huì)承擔(dān)“與眾不同”的工作。

“RNA的主要功能被認(rèn)為是作為“模板”來翻譯蛋白質(zhì)。”中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授光壽紅告訴澎湃科技，“而他們（本屆獲獎(jiǎng)?wù)撸┑墓ぷ鞯谝淮伟l(fā)現(xiàn)，有一種非常小的RNA，能夠起調(diào)控作用，而不是用來翻譯成蛋白質(zhì)。這在概念上的突破是非常大的。”

這類不被用來翻譯成蛋白質(zhì)的RNA被稱為“非編碼”RNA。除了非編碼特性之外，人們很快發(fā)現(xiàn)，其調(diào)控功能對(duì)生物的影響廣泛而深刻。

DNA中的遺傳信息就像一幅建筑“藍(lán)圖”，基因調(diào)控就類似于要決定在何時(shí)、從哪里開始、用多少材料和人手去建造。調(diào)控可以發(fā)生在轉(zhuǎn)錄前后的各個(gè)階段，而miRNA的作用通常是在mRNA上對(duì)某些基因表達(dá)進(jìn)行抑制。

“如果我們說基因調(diào)控有兩大類的調(diào)控因子，一類負(fù)責(zé)‘做加法’，從無到有決定基因是否表達(dá)，那么另一類就是miRNA這樣的，負(fù)責(zé)做“減法”，精確微調(diào)基因的表達(dá)，使之穩(wěn)定在某個(gè)水平上，或者是直接快速把基因‘關(guān)掉’。”中國(guó)科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心研究員吳立剛介紹道，“這么想的話，這個(gè)小家伙是特別重要的。”

miRNA通過一系列精巧的步驟來讓特定基因保持“沉默”。通過與一類Ago（Argonaute）蛋白相結(jié)合，miRNA就能形成一種“RNA誘導(dǎo)沉默復(fù)合體”（RISC）。在RISC中，miRNA充當(dāng)向?qū)Вㄟ^與目標(biāo)mRNA的核苷酸序列進(jìn)行互補(bǔ)配對(duì)來‘對(duì)暗號(hào)’，從而識(shí)別需要調(diào)控的mRNA序列并與其結(jié)合。

“在結(jié)合之后，（RISC）可以催化目標(biāo)mRNA切割，導(dǎo)致mRNA的降解和基因表達(dá)的沉默。還可以通過阻止核糖體的結(jié)合或干擾翻譯過程來抑制mRNA翻譯成蛋白質(zhì)。”上海科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副教授劉如娟解釋道。

這種調(diào)控為很多基本的生命過程提供了保障。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，若通過敲除Ago蛋白基因的方式來使miRNA無法形成RISC并進(jìn)行調(diào)控，那么胚胎發(fā)育、血液細(xì)胞分裂等活動(dòng)便會(huì)無法完成。肝癌、心血管等疾病也被發(fā)現(xiàn)與miRNA調(diào)節(jié)異常有關(guān)——在一些研究中，患者體內(nèi)的miRNA數(shù)量與健康者有顯著區(qū)別。

miRNA調(diào)控對(duì)于基因的影響不僅巨大，而且廣泛。“miRNA調(diào)控不是‘一對(duì)一’的，是‘一對(duì)多’或‘多對(duì)多’的，能同時(shí)調(diào)控很多基因。”吳立剛說，“現(xiàn)在如果要為任何一個(gè)生物學(xué)過程繪制基因調(diào)控的網(wǎng)絡(luò)圖，總是會(huì)發(fā)現(xiàn)有miRNA處在中間一個(gè)非常重要的位置上。”

此外，miRNA是真核生物內(nèi)源產(chǎn)生的，且以比較穩(wěn)定和獨(dú)特的形式存在于哺乳動(dòng)物、昆蟲和植物體內(nèi)，這意味著在漫長(zhǎng)的進(jìn)化過程中這種調(diào)控機(jī)制因其重要性被保留了下來。“幾乎所有真核生物中，除了釀酒酵母等極少數(shù)物種，都發(fā)現(xiàn)了這種保守的調(diào)控機(jī)制，非常廣譜。”復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院研究員任國(guó)棟說。

基礎(chǔ)研究待突破，應(yīng)用潛力巨大

30年來，小RNA的生物功能和機(jī)制被不斷揭示。比如，人們發(fā)現(xiàn)miRNA不僅有表達(dá)抑制和降解作用，也能夠在某些情況下激活基因表達(dá)。最近還有研究發(fā)現(xiàn)，miRNA或許能夠跨界調(diào)控——比如動(dòng)物通過攝入植物中的miRNA來影響自身基因表達(dá)。

受訪專家都認(rèn)為，小RNA的研究框架已經(jīng)相對(duì)確定，相關(guān)生物機(jī)制已經(jīng)“研究得比較清楚了”。

“從2000年這個(gè)領(lǐng)域引起大量關(guān)注開始，大家基本上最關(guān)心三類問題。首先是細(xì)胞中都有哪些類型的小RNA，其次是小RNA如何調(diào)控基因表達(dá)，最后是小RNA與疾病的關(guān)系以及在治療上的應(yīng)用。”吳立剛說，“第一和第二個(gè)問題中的一些常見功能和機(jī)制，現(xiàn)在已經(jīng)基本解決了。”

光壽紅認(rèn)為，探索新的小RNA類型是基礎(chǔ)研究突破的關(guān)鍵點(diǎn)之一。除了miRNA之外，目前狹義的小RNA家族中還有siRNA與piRNA（Piwi相互作用RNA），它們的來源和性質(zhì)均有所區(qū)別。不同于miRNA，siRNA通常是一種外源性小RNA，是一種更為有效的基因沉默機(jī)制。而piRNA不與Ago蛋白結(jié)合，而是與Piwi蛋白家族結(jié)合，主要出現(xiàn)在生殖細(xì)胞中。

“過去一些年，大家還發(fā)現(xiàn)了一些新的非編碼RNA或者是屬于RNA的修飾。任何一個(gè)這種新形式的發(fā)現(xiàn)，都會(huì)開創(chuàng)新的領(lǐng)域。”光壽紅說。

此外，要更加準(zhǔn)確地解釋小RNA的生物學(xué)機(jī)制，比如描述這些小RNA具體在細(xì)胞的哪個(gè)位置發(fā)揮功能，還需要對(duì)生物檢測(cè)方法和工具進(jìn)行突破。

“現(xiàn)在高通量測(cè)序解決了miRNA檢測(cè)的大部分問題，但是對(duì)于非常微量和非常精確的定量檢測(cè)，現(xiàn)在還沒有完全解決。”吳立剛說，“在單細(xì)胞甚至亞細(xì)胞水平對(duì)miRNA進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，不僅實(shí)驗(yàn)操作非常復(fù)雜，而且經(jīng)常因?yàn)殪`敏度不夠而檢測(cè)不到或者無法準(zhǔn)確定量，更不用說在亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)層面上去研究實(shí)時(shí)追蹤miRNA的定位、組裝與運(yùn)輸了，這些都有待于新的技術(shù)突破。”

對(duì)于小RNA在醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用，受訪專家均表示與基礎(chǔ)研究相比，還有很大的發(fā)掘空間。

miRNA由于調(diào)控基因較多、較為不穩(wěn)定、修飾易引發(fā)功能改變且難以遞送到特定靶點(diǎn)進(jìn)行表達(dá)，因此成藥性較差，目前還沒有藥物面世。但是，由于它在疾病過程中的表達(dá)會(huì)發(fā)生變化，能夠被用來當(dāng)做診斷的指標(biāo)。

“熱門方向可能還是去開發(fā)各種試劑盒，基于miRNA做疾病診斷。”光壽紅說。

而siRNA已經(jīng)在藥物開發(fā)中取得了驕人成果，它能夠針對(duì)特定mRNA發(fā)動(dòng)沉默效果，對(duì)于某些遺傳性疾病和蛋白質(zhì)過表達(dá)引起的疾病提供有效的治療。目前，美國(guó)FDA（食品藥品監(jiān)督管理局）已經(jīng)批準(zhǔn)了6款siRNA藥物。

“小RNA是整個(gè)RNA研究中的一顆‘明珠’，因?yàn)樗恼{(diào)控功能特別強(qiáng)大和重要，成藥性和應(yīng)用價(jià)值也好。”中國(guó)科學(xué)院大學(xué)杭州高等研究院副研究員王鑫說，“雖然不知道會(huì)不會(huì)再次得諾獎(jiǎng)，但肯定會(huì)有越來越多的小RNA藥物和療法出現(xiàn)，以造福人類。”