2024 年 10 月 7 日，瑞典卡羅琳醫學院宣布，将今年的諾貝爾生理學或醫學獎授予美國科學家 Victor Ambros 和 Gary Ruvkun，以表彰他們在發現微小 RNA（microRNA）及其在基因調控中的作用方面做出的開創性貢獻。這項突破性發現揭示了生命調控的一個全新維度，對我們理解生命過程具有深遠影響。
來自馬薩諸塞大學醫學院的 Victor Ambros 和來自波士頓市麻省總醫院及哈佛醫學院的 Gary Ruvkun 榮獲 2024 年諾貝爾生理學及醫學獎
（圖片來源：諾貝爾生理學或醫學獎委員會）
microRNA
基因表達的新調控者
要理解這項發現的重要性，我們需要先了解基因表達的基本過程。
在生物學中，DNA 中的遺傳信息通過一系列步驟最終産生蛋白質，這些蛋白質是執行生命功能的主要分子。而 Ambros 和 Ruvkun 的發現爲這個過程增添了一個新的調控層面。
每個細胞都含有相同的染色體組，因此擁有完全相同的基因集合。細胞類型特異性功能的産生是由于在每種細胞類型中隻有特定的一部分基因被激活。
（圖片來源：諾貝爾生理學或醫學獎委員會。插圖：Mattias Karl é n）
他們發現的微小 RNA 是一類很短的 RNA 分子，通常隻有 20~24 個核苷酸長。這些微小分子不産生蛋白質，而是通過影響其他 RNA 分子來調節基因的活動。
我們可以把微小 RNA 比作一個精密的 " 音量調節器 "。就像我們可以通過調節音響的音量旋鈕來控制聲音的大小，微小 RNA 能夠精确地調節基因表達的強度和時間。
從線蟲到人類的驚人發現
如今，這一重大發現源于 Ambros 和 Ruvkun 對一種非常簡單的動物——線蟲的研究。上世紀 80 年代，Ambros 和 Ruvkun 在研究線蟲生長相關的生理學機制時，偶然發現了一個奇怪的 " 指揮官 "。這個 " 指揮官 " 就是 lin-4 基因。
通常，基因的工作是指導細胞制造蛋白質，就像工廠裏的設計圖紙。但是，lin-4 這個 " 指揮官 " 不一樣，它不制造蛋白質，而是産生了一種很短的 RNA 分子。更有趣的是，這個短小的 RNA 分子似乎能夠影響另一個基因 lin-14 的工作。
這就好比在一個大工廠裏，發現了一個小小的開關，居然能控制整個生産線的運轉！
1993 年，Ambros 和 Ruvkun 分别發表論文，解釋了這個神奇的控制過程。他們發現 lin-4 RNA 就像一把鑰匙，能夠與 lin-14 基因産生的信使 RNA（也就是 mRNA，注意其縮寫容易與 microRNA 混淆）的某些部分完美匹配。當這把 " 鑰匙 " 插入 " 鎖孔 " 後，就會阻止 lin-14 産生蛋白質。
科學家們在研究 lin-4 和 lin-14 這兩個基因時，發現了一件非常有趣的事情。lin-4 基因産生的一小段 microRNA，就像一個微型密碼，而這個密碼恰好能部分匹配 lin-14 基因末端的一些重複片段。這就像是發現了兩個基因之間的秘密通信方式！
microRNA 的發現就像是揭示了生命中的一個隐藏開關，爲我們理解生命如何精确調控自己開啓了一扇新的大門。
然而，這個發現一開始并沒有引起太多關注。
直到 2000 年，Ruvkun 的實驗室發現了名爲 let-7 的第二個微小 RNA。讓科學家們興奮的是，let-7 不僅存在于線蟲中，還在人類和其他動物中被發現。
這意味着，微小 RNA 調控機制在動物進化中具有普遍性和重要性。
微小 RNA 的廣泛作用
随着研究的深入，科學家們發現微小 RNA 參與調控生物體發育和生理過程的方方面面：
1. 在動物的成長過程中，微小 RNA 幫助控制各個發育階段的精确時間。例如，在線蟲從幼蟲到成蟲的轉變過程中，lin-4 和 let-7 起着關鍵作用。微小 RNA 還參與決定細胞的命運。它們可以穩定特定細胞類型的特征，同時抑制其他細胞類型的基因表達。這對于維持組織的正常功能至關重要。
顯示動物發育異常的線蟲 lin-4 和 lin-14 突變體。lin-4 突變體重複執行細胞譜系的發育程序，導緻體内積累卵子但沒有形成外陰；而 lin-14 突變體體型較小，缺乏幼蟲期發育。線蟲圖像改編自 ( Ambros, 2008 )
2. 在成年生物體内，微小 RNA 幫助維持各種組織的穩态。它們像一個精密的平衡器，确保細胞内各種基因的表達水平保持在适當的範圍内。
3. 當生物遇到環境壓力時，某些微小 RNA 還能幫助細胞做出适當的反應。它們可以迅速調整基因表達，使細胞能夠應對外部變化。
從實驗室到臨床
微小 RNA 的醫學應用
科學家們已發現，微小 RNA 的異常與多種疾病有關，包括癌症、心髒病和神經系統疾病等。這爲疾病的診斷和治療提供了新的思路。
在診斷方面，某些微小 RNA 可以作爲疾病的生物标志物。例如，通過檢測血液中某些微小 RNA 的水平，醫生可能在未來更早地發現某些癌症。這種無創的檢測方法有望革新疾病的早期診斷。
在治療方面，科學家們正在探索通過調節特定微小 RNA 的活性來治療疾病。例如，在某些癌症中，一些微小 RNA 的表達異常升高，而另一些則異常降低。通過恢複這些微小 RNA 的正常水平，可能達到抑制腫瘤生長的效果。
微小 RNA 還在再生醫學領域展現出潛力。研究表明，通過操控某些微小 RNA，可以影響幹細胞的分化方向，這爲組織修複和器官再生提供了新的可能性。
從被人冷落到未來可期
微小 RNA 的發現爲我們揭示了生命的一個新維度。就像我們發現了調控基因的一個隐藏開關，這個發現讓我們對生命的複雜性有了新的認識。
但是，我們對微小 RNA 的了解還遠遠不夠。
未來，科學家們将繼續探索微小 RNA 的作用機制，尋找更多與疾病相關的微小 RNA。同時，如何将實驗室的發現轉化爲臨床應用，也是一個重要的研究方向。我們可以期待，基于微小 RNA 的新型診斷工具和治療方法将不斷湧現。
此外，微小 RNA 研究也可能爲其他領域帶來啓發。例如，在農業中，通過調控植物的微小 RNA，可能培育出抗病蟲害或适應氣候變化的新品種。在環境保護方面，微小 RNA 可能成爲監測生态系統健康狀況的新工具。
2024 年諾貝爾生理學或醫學獎的頒發，不僅是對 Ambros 和 Ruvkun 個人成就的肯定，更是對整個微小 RNA 研究領域的認可。随着研究的深入，微小 RNA 領域必将繼續爲生命科學和醫學帶來更多驚喜和突破。
今天看似無關緊要的發現，可能成爲未來改變世界的突破口。這就是科學的魅力所在，也是激勵我們不斷探索的動力。
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出品丨科普中國
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作者丨可可
責編丨何通
審校丨徐來 林林
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