2024年诺贝尔生理学或医学奖｜秀丽隐杆线虫：屡获诺奖的1毫米“小透明”

10月7日，瑞典卡罗琳医学院宣布，将2024年诺贝尔生理学或医学奖授予科学家维克托·安布罗斯（Victor Ambros）和加里·鲁夫昆（GaryRuvkun），表彰他们发现了微小RNA（microRNA）及其在转录后基因调控中的作用。

上世纪80年代，这两位科学家在秀丽隐杆线虫（C.elegans）体内共同发现了第一个微小RNA（lin-4）及其调控靶标（lin-14），揭示了一种全新的基因表达调控机制，为理解基因调控和疾病发生机制开辟了新的研究方向，对现代分子生物学和医学研究产生了深远影响。经过40余年的研究和积累，二人终于在2024年获得诺奖。

值得一提的是，帮助两位科学家斩获诺奖的秀丽隐杆线虫，是一种体长仅1毫米的非寄生性蠕虫。它凭借自身独特的生物学特性，成为了遗传学、发育生物学、神经科学及衰老等领域的重要模型生物，相关研究此前已多次获得诺奖。

据不完全统计，2002年，科学家们利用线虫发现了细胞程序性死亡的遗传调控机理，获得了诺贝尔生理学或医学奖；2006年，科学家们利用线虫发现了RNA干扰现象而获得诺贝尔生理学或医学奖；2008年又有科学家在线虫中建立绿色荧光蛋白研究基因表达的方法而获得诺贝尔化学奖。

虽然“人虫有别”，但是线虫研究中所发现的一些生物学机制，在人类身上也被证实存在

“小透明”的大魅力

秀丽隐杆线虫是一种长度仅为1毫米的线虫，通常生活在土壤和腐烂的植物中，以细菌为食。它的身体构造简单，只有302个神经元，但却能够展示出复杂的行为，提供丰富的生物学信息。这种适度的生物复杂性使得研究者能够在细胞和神经网络的层面上进行深入研究。

对于科学家而言，选择合适的模型生物是研究成功的关键之一。秀丽隐杆线虫作为一种卓越的模型生物，有着多方面的优势：

·透明的身体结构

秀丽隐杆线虫通体透明，允许研究者轻松观察其内部结构和细胞活动。这种特性使得生物学家能够在显微镜下实时观察细胞分裂、发育等生物过程，提供了独特的实验视角。

图片来源：伦敦大学学院

·“快速迭代”的生命周期

秀丽隐杆线虫以大肠杆菌为食，可在实验室中大量培养，且从受精卵发育到成熟个体的周期仅需约三天。这种快速的生命周期使得科学家能够在短时间内进行多代实验，从而观察遗传变化和进化过程。此外，线虫还可以进行冷冻，解冻之后仍能继续研究，适合长时间保存。

·易于操控的遗传特性

自然条件下，大多数秀丽隐杆线虫是雌雄同体，每个个体都能够自体受精并产生约300个后代。这种特性使得研究者能够轻松操控遗传特性，便于进行遗传实验和研究基因的功能。

雌雄同体（上）和雄性（下）秀丽隐杆线虫的解剖学示意图（图片来源：苏黎世大学）

·太空之旅“常客”

除此之外，秀丽隐杆线虫也是太空研究的“常客”，因其具备易于搭载、培养成本低、生命周期短、后代数量多、耐辐射、便于遗传操作等优点，被认为是空间生命科学研究中的重要模式生物，可以用来探索太空环境对机体的生长、发育、生殖、运动、衰老等方面的影响与作用机制。早在1992年，美国“发现号”航天飞机上就开展了人类历史上首次线虫太空实验。

在我国的神舟八号、十号、十五号和神舟十六号任务中，秀丽隐杆线虫都曾被带上太空用于不同的研究（图片来源：央视网）

秀丽隐杆线虫的研究历史

秀丽隐杆线虫于1900年在阿尔及利亚的土壤中首次被发现，其拉丁种名elegans意为“优雅”“秀丽”。

1960年代之后，南非生物学家西德尼·布伦纳（Sydney Brenner）将其引入实验室研究，强调其作为分子生物学研究模型的潜力。布伦纳的工作为秀丽隐杆线虫的广泛应用奠定了基础。

·完整的细胞谱系图

雌雄同体的秀丽隐杆线虫只有959个体细胞，每一个体细胞的功能在个体之间几乎不变。布伦纳及其团队绘制了完整的线虫细胞谱系图，记录了从受精卵到成虫的每一个细胞分裂。这一图谱不仅帮助生物学家理解了细胞如何分化，也为研究细胞发育过程中的关键因素提供了基础。

2002年诺贝尔奖获得者西德尼·布伦纳（1927-2019）

·神经连接组图谱

布伦纳的研究小组还完整描绘了秀丽隐杆线虫302个神经元的连接图谱，即连接组（Connectome），这是世界上第一个也是迄今唯一完整的动物神经连接组。这一突破性的工作使得研究者能够深入探讨神经系统的结构和功能，理解动物如何感知和响应环境刺激。

·完整基因组测序

1998年，秀丽隐杆线虫成为第一种完成全基因组测序的动物，这是分子生物学研究的另一个重要里程碑。此项工作不仅提供了有关个别基因和基因间关系的宝贵信息，也为后续的基因组研究提供了重要的方法指导。

相关研究已多次获得诺奖

由于开发了丰富的实验工具和方法，秀丽隐杆线虫研究已产生众多重要的科学发现（包括诺贝尔奖），这些发现不仅增加了对这一模型生物本身的理解，也推动了人类对自身生物学的认知。

·程序性细胞死亡

布伦纳及其学生约翰·苏尔斯顿（John Sulston）、罗伯特·霍维茨（Robert Horvitz）因在秀丽隐杆线虫中发现“程序性细胞死亡”机制而获得2002年诺贝尔生理学或医学奖。他们识别出调控细胞凋亡的关键基因，并揭示了这一过程在生物发育及健康疾病中的重要性。

·RNA干扰的发现

1998年，美国科学家安德鲁·法尔（Andrew Fire）和克雷格·梅洛（Craig Mello）利用秀丽隐杆线虫发现了RNA干扰（RNAi），这一过程使细胞能够抑制基因的表达。RNA干扰随后成为遗传学研究中的重要工具，研究者可以通过这种方法关闭特定基因，进而研究其功能。法尔和梅洛因此获得2006年诺贝尔生理学或医学奖。

·蛋白质标记技术的发展

以秀丽隐杆线虫为载体，美国科学家马丁·查尔菲（Martin Chalfie）首次展示了如何将绿荧光蛋白（GFP）的基因作为标签添加到感兴趣的基因上，使其在特定波段下发光。这一技术为生物学研究者提供了一种强大的视觉标记工具，广泛应用于不同物种和细胞类型的实验中。查尔菲因其贡献于2008年获得诺贝尔化学奖。

图片来源：哈佛医学院

·衰老机制的研究

1993年，美国科学家辛西娅·凯尼恩（Cynthia Kenyon）及同事发现，秀丽隐杆线虫中DAF-2的基因突变可以将其寿命延长超过两倍。这一发现引发了对衰老分子机制的研究，为理解人类衰老提供了重要的线索。

通过分析线虫蠕动，研究者可以探索太空环境对生物肌肉力量的影响（图片来源：NASA）

随着技术的不断进步，秀丽隐杆线虫的研究将继续为科学界提供新的视角和工具。基因编辑技术如CRISPR的引入，使得研究者能够更精确地操控秀丽隐杆线虫的基因组，从而深入探讨基因功能及其对生物体的影响。此外，随着生物成像技术的发展，研究者能够更清晰地观察秀丽隐杆线虫内部的生物过程，为探索生命科学的未解之谜提供了更多可能性。

来源：北京科技报

撰文：丁林