2024年诺贝尔生理学或医学奖：揭示基因调控的隐藏力量

出品：科普中国

作者：可可

监制：中国科普博览

2024年10月7日，瑞典卡罗琳医学院宣布，将今年的诺贝尔生理学或医学奖授予美国科学家Victor Ambros和Gary Ruvkun，以表彰他们在发现微小RNA（microRNA）及其在基因调控中的作用方面做出的开创性贡献。这项突破性发现揭示了生命调控的一个全新维度，对我们理解生命过程具有深远影响。

来自马萨诸塞大学医学院的Victor Ambros和来自波士顿市麻省总医院及哈佛医学院的Gary Ruvkun荣获2024年诺贝尔生理学及医学奖

（图片来源：诺贝尔生理学或医学奖委员会）

microRNA——基因表达的新调控者

要理解这项发现的重要性，我们需要先了解基因表达的基本过程。

在生物学中，DNA中的遗传信息通过一系列步骤最终产生蛋白质，这些蛋白质是执行生命功能的主要分子。而Ambros和Ruvkun的发现为这个过程增添了一个新的调控层面。

每个细胞都含有相同的染色体组，因此拥有完全相同的基因集合。细胞类型特异性功能的产生是由于在每种细胞类型中只有特定的一部分基因被激活。

（图片来源：诺贝尔生理学或医学奖委员会。插图：Mattias Karlén）

他们发现的微小RNA是一类很短的RNA分子，通常只有20-24个核苷酸长。这些微小分子不产生蛋白质，而是通过影响其他RNA分子来调节基因的活动。

我们可以把微小RNA比作一个精密的“音量调节器”。就像我们可以通过调节音响的音量旋钮来控制声音的大小，微小RNA能够精确地调节基因表达的强度和时间。

从线虫到人类的惊人发现

如今，这一重大发现源于Ambros和Ruvkun对一种非常低等的动物——线虫的研究。上世纪80年代，Ambros和Ruvkun在研究线虫生长相关的生理学机制时，偶然发现了一个奇怪的“指挥官”。这个“指挥官”就是lin-4基因。

通常，基因的工作是指导细胞制造蛋白质，就像工厂里的设计图纸。但是，lin-4这个“指挥官”不一样，它不制造蛋白质，而是产生了一种很短的RNA分子。更有趣的是，这个短小的RNA分子似乎能够影响另一个基因lin-14的工作。

这就好比在一个大工厂里，发现了一个小小的开关，居然能控制整个生产线的运转！

1993年，Ambros和Ruvkun分别发表论文，解释了这个神奇的控制过程。他们发现lin-4 RNA就像一把钥匙，能够与lin-14基因产生的信使RNA（也就是mRNA，注意其缩写容易与microRNA混淆）的某些部分完美匹配。当这把“钥匙”插入“锁孔”后，就会阻止lin-14产生蛋白质。

科学家们在研究lin-4和lin-14这两个基因时，发现了一件非常有趣的事情。lin-4基因产生的一小段microRNA，就像一个微型密码，而这个密码恰好能部分匹配lin-14基因末端的一些重复片段。这就像是发现了两个基因之间的秘密通信方式！

（图片来源：诺贝尔生理学或医学奖委员会。插图：Mattias Karlén）

microRNA的发现就像是揭示了生命中的一个隐藏开关，为我们理解生命如何精确调控自己开启了一扇新的大门。

然而，这个发现一开始并没有引起太多关注。

直到2000年，Ruvkun的实验室发现了名为let-7的第二个微小RNA。让科学家们兴奋的是，let-7不仅存在于线虫中，还在人类和其他动物中被发现。

这意味着，微小RNA调控机制在动物进化中具有普遍性和重要性。

微小RNA的广泛作用

随着研究的深入，科学家们发现微小RNA参与调控生物体发育和生理过程的方方面面：

在动物的成长过程中，微小RNA帮助控制各个发育阶段的精确时间。

例如，在线虫从幼虫到成虫的转变过程中，lin-4和let-7起着关键作用。微小RNA还参与决定细胞的命运。它们可以稳定特定细胞类型的特征，同时抑制其他细胞类型的基因表达。这对于维持组织的正常功能至关重要。

显示动物发育异常的线虫lin-4和lin-14突变体。lin-4突变体重复执行细胞谱系的发育程序，导致体内积累卵子但没有形成外阴；而lin-14突变体体型较小，缺乏幼虫期发育。线虫图像改编自(Ambros, 2008)

**在成年生物体内，微小RNA帮助维持各种组织的稳态。**它们像一个精密的平衡器，确保细胞内各种基因的表达水平保持在适当的范围内。

**当生物遇到环境压力时，某些微小RNA还能帮助细胞做出适当的反应。**它们可以迅速调整基因表达，使细胞能够应对外部变化。

从实验室到临床：微小RNA的医学应用

科学家们已发现，微小RNA的异常与多种疾病有关，包括癌症、心脏病和神经系统疾病等。这为疾病的诊断和治疗提供了新的思路。

在诊断方面，某些微小RNA可以作为疾病的生物标志物。例如，通过检测血液中某些微小RNA的水平，医生可能在未来更早地发现某些癌症。这种无创的检测方法有望革新疾病的早期诊断。

在治疗方面，科学家们正在探索通过调节特定微小RNA的活性来治疗疾病。例如，在某些癌症中，一些微小RNA的表达异常升高，而另一些则异常降低。通过恢复这些微小RNA的正常水平，可能达到抑制肿瘤生长的效果。

微小RNA还在再生医学领域展现出潜力。研究表明，通过操控某些微小RNA，可以影响干细胞的分化方向，这为组织修复和器官再生提供了新的可能性。

microRNA：从被人冷落到未来可期

微小RNA的发现为我们揭示了生命的一个新维度。就像我们发现了调控基因的一个隐藏开关，这个发现让我们对生命的复杂性有了新的认识。

但是，我们对微小RNA的了解还远远不够。

未来，科学家们将继续探索微小RNA的作用机制，寻找更多与疾病相关的微小RNA。同时，如何将实验室的发现转化为临床应用，也是一个重要的研究方向。我们可以期待，基于微小RNA的新型诊断工具和治疗方法将不断涌现。

此外，微小RNA研究也可能为其他领域带来启发。例如，在农业中，通过调控植物的微小RNA，可能培育出抗病虫害或适应气候变化的新品种。在环境保护方面，微小RNA可能成为监测生态系统健康状况的新工具。

2024年诺贝尔生理学或医学奖的颁发，不仅是对Ambros和Ruvkun个人成就的肯定，更是对整个微小RNA研究领域的认可。随着研究的深入，微小RNA领域必将继续为生命科学和医学带来更多惊喜和突破。

今天看似无关紧要的发现，可能成为未来改变世界的突破口。这就是科学的魅力所在，也是激励我们不断探索的动力。