斩获2024年诺奖的microRNA，是什么新科学？

作者：李兆滢 剑桥大学工程学博士

10月7日，2024年诺贝尔生理或医学奖授予安布罗斯（Victor Ambros）和鲁弗肯（GaryRuvkun），以表彰他们在microRNA发现及其在转录后基因调控中作用研究方面的贡献。那么，究竟什么是 microRNA，什么又是转录后基因调控？为什么他们的研究如此重要呢？让我们从头开始说起。

每个人的身体都由大约50 ~ 70万亿个细胞组成。在每个细胞的细胞核内，都包含了我们的DNA。DNA是由许多片段组成的，这些片段包括了我们所说的基因，它们中一大部分是合成蛋白质的“配方”。其中每个基因编码一种特定的蛋白质，而这些蛋白质则是维持我们身体功能的关键。

但问题是，DNA存在于细胞核，那么，遗传信息是如何从细胞核传递给制造蛋白质的核糖体呢？这里就需要一个叫“转录”的过程。在这个过程中，遗传信息会被转移到一种叫做信使RNA（mRNA）的分子上。mRNA将这些信息从细胞核带到核糖体，核糖体就像蛋白质工厂一样，将mRNA上的信息“翻译”成蛋白质。接着，新合成的蛋白质会被送往身体需要它的地方，执行各种功能，比如构建肌肉、传递信号或分解食物等等。

而正如不同的厨师根据不同的配方制作不同的菜肴，人体中不同类型的细胞也只会读取与其功能相关的DNA“配方”。这种选择性过程被称为基因调控，它决定了每个细胞会合成哪些蛋白质以及合成的数量。这个过程确保了细胞在正确的时间、以正确的数量生产所需的蛋白质。

今年的诺奖得主安布罗斯和鲁弗肯的发现揭示了基因调控的另一层复杂性。他们发现，一类被称为microRNA的小RNA分子在基因调控中扮演了关键角色。与负责蛋白质合成的mRNA不同，microRNA本身不编码蛋白质。相反，它们会与特定的mRNA分子结合，并阻止这些mRNA翻译成蛋白质。这种微调机制对于维持身体的平衡至关重要，它帮助细胞调控蛋白质的数量和类型。

microRNA的发现要追溯到20世纪80年代末，当时安布罗斯和鲁弗肯正在研究一种名为秀丽隐杆线虫（C. elegans）的小型线虫。这种只有一毫米长的生物虽然极其微小，但它体内的许多细胞类型与人类及其他复杂生物相似，因此成为遗传学研究的理想模型。

安布罗斯和鲁弗肯研究的重点是探明基因如何控制线虫的发育过程，尤其是那些在发育时间上出现异常的突变体。经过深入研究，安布罗斯团队找到了一个名为lin-4的基因，发现它与发育时间的异常有关。然而，与众不同的是，lin-4并不像典型的基因那样编码蛋白质，而是生成了一种非常短的小RNA分子，这种RNA不编码任何蛋白质——这就是后来被称为microRNA的小分子RNA。这个发现十分令人意外，因为当时科学家们尚未认识到小RNA分子在基因调控中的作用。

与此同时，鲁弗肯的研究发现了lin-4的作用对象：一个名为lin-14的基因。lin-14在线虫早期发育阶段起着重要作用，但到了特定时间点，这个基因必须被关闭，以便发育继续进行。lin-4的microRNA与lin-14的mRNA结合，阻止其被翻译成蛋白质，从而抑制其功能，使得线虫能够顺利从一个发育阶段过渡到下一个阶段。

安布罗斯和鲁弗肯的研究发现了一种新的基因调控原理，但当他们在1993年发表这一成果时，并没有引起关注。因为其他人认为这种不寻常的基因调控机制可能只发生在秀丽隐杆线虫上。这种看法在2000年发生了转变。当时，鲁弗肯团队发现了另一种重要的microRNA，名为let-7。let-7的特殊之处在于，它不仅存在于线虫中，还存在于包括人类在内的许多其他物种。

如今，科学家们已经确定，人类体内有超过一千种不同的microRNA，它们在基因表达的精确调控中发挥着重要作用。

microRNA的发现对理解细胞如何调节其功能具有深远的影响。通过microRNA进行的基因调控机制已经存在了数亿年，为复杂生命形式的进化提供了可能。如果没有microRNA，细胞将无法精确地控制其生长、发育及日常功能。

今年的诺贝尔奖是对基础研究的表彰。基础研究旨在拓展我们对自然世界的理解，满足我们的好奇心。虽然microRNA的发现似乎与直接治愈某种疾病没有直接关系，但它为未来的医学突破奠定了基础。目前我们已经知道，microRNA的异常活动与癌症、心脏病等疾病有关，科学家们也在探索如何利用microRNA进行治疗。

总而言之，安布罗斯和鲁弗肯对microRNA的发现揭开了基因调控的隐藏层面，为未来的研究开辟了新的方向。他们的工作提醒我们，基础科学研究的重要性——即使是微小的分子，也可能对生命产生最大的影响。

本文为科普中国·星空计划扶持作品

作者：李兆滢

审核：梁前进北京师范大学生命科学学院 教授

出品：中国科协科普部

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