2024年10月7日，瑞典卡罗林斯卡学院（Karolinska Institute）的诺贝尔奖委员会宣布，2024年诺贝尔生理学或医学奖授予美国马萨诸塞大学医学院的维克多·安布罗斯（Victor Ambros）和美国哈佛医学院的加里·鲁夫昆（Gary Ruvkun），以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。这两位美国科学家将分享1100万瑞典克朗奖金（约合745万元人民币）。
加里·鲁夫昆（左）和维克多•安布罗斯（右）。视觉中国|图
线虫研究的传承
据诺贝尔奖官网消息，维克多·安布罗斯1953 年出生于美国新罕布什尔州汉诺威市，在1975 年诺贝尔生理学或医学奖获得者戴维·巴尔的摩（David Baltimore）指导下，获得麻省理工学院博士学位；而加里·鲁夫昆1952年出生于美国加利福利亚州伯克利市，在哈佛大学获得博士学位。
安布罗斯和鲁夫昆获得诺贝尔奖的研究成果主要得益于麻省理工学院罗伯特·霍维茨（Robert Horvitz）教授的指导，两人都在霍维茨教授实验室做过博士后。霍维茨也是一位诺贝尔生理学或医学奖获得者。20世纪80年代初，霍维茨和约翰·苏尔斯顿（John Sulston）等人利用秀丽隐杆线虫发现了在器官发育过程中细胞分裂、分化和细胞死亡是如何受到基因控制的，因此这两位科学家与线虫研究先驱、英国科学家悉尼·布伦纳（Sydney Brenner）共同获得2002年诺贝尔生理学或医学奖。安布罗斯和鲁夫昆的诺奖工作也是基于秀丽隐杆线虫完成的。
秀丽隐杆线虫帮助科学家获得诺贝尔奖。（资料图）
秀丽隐杆线虫是一种非寄生性线虫，身体透明，长度只有约1毫米，主要分布在温带地区的土壤中，生命周期约2-3周。得益于布伦纳等人的开创性工作，秀丽隐杆线虫成为模式生物，它们身体中每个细胞的来源、功能都被科学家研究得一清二楚。
之前的研究表明，秀丽隐杆线虫存在两个发育紊乱的重要突变体，即lin-4和lin-14，其中lin-4突变体不能形成正常的外阴而出现大量卵细胞在体内错误积累和分布，而lin-14突变体则幼虫发育不完全，大小仅有正常秀丽隐杆线虫的一半左右。从这些特殊的突变体中，科学家发现了两个重要基因lin-4和lin-14。20世纪80年代末，在霍维茨指导下，安布罗斯围绕lin-14突变体形成机制开展了一系列研究，发现lin-4基因可能是lin-14的负调控基因，对在幼虫发育过程中lin-14基因表达进行渐进性抑制，lin-4功能缺陷的突变蠕虫具有持续的高水平lin-14，并表现出幼虫发育缺陷，表现出lin-14突变型。
但是lin-4基因具体是如何调控lin-14基因表达的尚不清楚，因此对lin-4和lin-14基因进行克隆非常必要，安布罗斯非常想了解这些基因的序列，于是邀请更加擅长基因克隆的鲁夫昆加入。鲁夫昆曾在麻省理工学院接受华特·吉尔伯特（Walter Gilbert）指导开展分子生物学博士后研究，吉尔伯特因为发明DNA测序方法，与弗雷德里克·桑格、保罗·伯格共同获得1980年诺贝尔化学奖。与此同时，鲁夫昆还在罗伯特·霍维茨实验室接受线虫遗传学的训练。
不起眼的微小RNA
当时要克隆一个基因非常困难，需要先找到这个基因在生物基因组的大致位置，然后再对其进行DNA测序。由于当时基因组序列还非常有限，只能通过分子标记的方法去找到基因，如同在大海里钓一条曾经被人标记过的大鱼一样。通过一系列技术改进，安布罗斯和鲁夫昆合作最终在lin-4和lin-14基因克隆上取得重大突破。
1993年12月，已分别在哈佛大学和麻省总医院开展独立研究的安布罗斯和鲁夫昆在《细胞》杂志上背靠背发表了两篇突破性研究论文。他们发现，lin-4基因原来并不像一般基因那样编码某种蛋白质，而是编码一段22个或66个碱基对的单链RNA分子，其中22个碱基对的RNA正是第一个被发现的微小RNA。更重要的是，这个lin-4微小RNA能够完美地与lin-14基因转录的mRNA（信使RNA）互补结合形成复合体，阻止lin-14 mRNA进一步翻译成lin-14蛋白质，从而实现对lin-14基因表达的负调控。也就是说，当lin-4基因正常时，它的转录产物是一个微小RNA，后者能通过RNA-RNA互补结合的方式实现对lin-14基因表达水平的负调控，即降低lin-14蛋白质的合成量，而当lin-4基因发生突变，无法转录出微小RNA，lin-14蛋白质则会大量合成，要比正常水平高出4-7倍，因此线虫lin-14突变体表现出幼虫发育异常，成年身体短小。
这样，安布罗斯和鲁夫昆首次发现了微小RNA的存在，而且发现了一种基于微小RNA互补结合mRNA的基因表达调控新模式。通常情况下，基因会在细胞核内转录成mRNA，mRNA携带基因的遗传信息到达细胞质中的“蛋白质合成工厂”——核糖体，随后在核糖体内翻译成对应的蛋白质。一旦被微小RNA结合，mRNA这张“蛋白质生产图纸”就如同被设置了密码锁，核糖体无法解开密码锁合成蛋白质，被微小RNA锁定的mRNA也有可能因此提前被降解，从而实现对基因表达的抑制性调控。
不过，由于首个微小RNA来自线虫，其序列又如此之短，最初科学家并没有在其他生物基因组中找到同源物，也没有发现类似的微小RNA，因此首个微小RNA的发现并没有引发研究热潮，即使在安布罗斯和鲁夫昆的实验室，也是如此。直到2000年，鲁夫昆实验室从线虫基因组中发现了第二个微小RNA——let-7。与lin-4微小RNA不同的是，let-7微小RNA在人类和果蝇等多种生物体内都找到了高度保守的同源物，并且发挥同样的基因调控功能。
随着DNA测序技术的发展，全球不同实验室相继发现了在人类、动物、植物甚至微生物等多种生物体中都存在同源的微小RNA，微小RNA的淘金潮才正式开始。到目前为止，全球科学家已经从270多种各类生物基因组中发现了4.8万多个有功能的微小RNA，其中人类基因组中已发现的微小RNA达1000多个。
临床应用的潜力
研究发现，这些微小RNA既可以调控多种靶标基因，同一个基因也可以接受多种不同微小RNA的调控。一些微小RNA在很多生物体内都是共有而保守的，而有一些微小RNA则是每种生物特有的。这些微小RNA功能和特征的发现极大地丰富了人们对基因表达调控模式的认识，特别是在生物细胞谱系形成的基因表达调控领域。
安布罗斯和鲁夫昆的发现除了有助于我们理解生物发育方面的基因表达调控机制之外，微小RNA还有可能在临床应用中发挥着重要作用。大量研究表明，一些代谢紊乱、心血管疾病、神经退行性疾病和癌症等疾病都与微小RNA有关，这些微小RNA可作为生物标志物或治疗靶标，用于这些疾病的终端和治疗。截止到目前，从美国临床试验网站可以查到至少有50种以上基于微小RNA药物，已进入不同阶段的临床试验阶段，在未来几年有望开发出治疗人类疾病的微小RNA新药。
值得一提的是，基于类似RNA-RNA互补结合机制，RNA干扰（RNAi）技术已于2006年获得诺贝尔生理或医学奖。第一个RNA干扰疗法也于2018年被美国FDA批准上市，该药物用于治疗一种名为遗传性转甲状腺素蛋白（ATTR）淀粉样变性的遗传性罕见病，随后更多RNA干扰药物获准上市，使得很多微小RNA诊断和治疗药物开发者信心倍增。
在获得本次诺贝尔奖之前，安布罗斯和鲁夫昆已共同获得基础医学研究拉斯克奖（2008年）、生命科学突破奖（2015年）等重要奖项，此次获奖也是实至名归。