2024年10月7日，瑞典卡羅琳醫學院宣布，將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。
來自麻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——基因表現的新調控者
要理解這項發現的重要性，我們需要先了解基因表現的基本過程。
在生物學中，DNA中的遺傳資訊透過一系列步驟最終產生蛋白質，這些蛋白質是執行生命功能的主要分子。而Ambros和Ruvkun的發現為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。細胞型別特異性功能的產生是由於在每種細胞型別中只有特定的一部份基因被啟用。
（圖片來源：諾貝爾生理學或醫學獎委員會。插圖：Mattias Karlén）
他們發現的微小RNA是一類很短的RNA分子，通常只有20-24個核苷酸長。這些微小分子不產生蛋白質，而是透過影響其他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」。就像我們可以透過調節音響的音量旋鈕來控制聲音的大小，微小RNA能夠精確地調節基因表現的強度和時間。
從線蟲到人類的驚人發現
如今，這一重大發現源於Ambros和Ruvkun對一種非常低等的動物——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，而是產生了一種很短的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，居然能控制整個生產線的運轉！
1993年，Ambros和Ruvkun分別發表論文，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基因產生的信使RNA（也就是mRNA，註意其縮寫容易與microRNA混淆）的某些部份完美匹配。當這把「鑰匙」插入「鎖孔」後，就會阻止lin-14產生蛋白質。
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基因產生的一小段microRNA，就像一個微型密碼，而這個密碼恰好能部份匹配lin-14基因末端的一些重復片段。這就像是發現了兩個基因之間的秘密通訊方式！
（圖片來源：諾貝爾生理學或醫學獎委員會。插圖：Mattias Karlén）
microRNA的發現就像是揭示了生命中的一個隱藏開關，為我們理解生命如何精確調控自己開啟了一扇新的大門。
然而，這個發現一開始並沒有引起太多關註。
直到2000年，Ruvkun的實驗室發現了名為let-7的第二個微小RNA。讓科學家們興奮的是，let-7不僅存在於線蟲中，還在人類和其他動物中被發現。
這意味著，微小RNA調控機制在動物前進演化中具有普遍性和重要性。
微小RNA的廣泛作用
隨著研究的深入，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：
在動物的成長過程中，微小RNA幫助控制各個發育階段的精確時間。
例如，線上蟲從幼蟲到成蟲的轉變過程中，lin-4和let-7起著關鍵作用。微小RNA還參與決定細胞的命運。它們可以穩定特定細胞型別的特征，同時抑制其他細胞型別的基因表現。這對於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突變體重復執行細胞譜系的發育程式，導致體內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。線蟲影像改編自(Ambros, 2008)
在成年生物體內，微小RNA幫助維持各種組織的穩態。它們像一個精密的平衡器，確保細胞內各種基因的表達水平保持在適當的範圍內。
當生物遇到環境壓力時，某些微小RNA還能幫助細胞做出適當的反應。它們可以迅速調整基因表現，使細胞能夠應對外部變化。
從實驗室到臨床：微小RNA的醫學套用
科學家們已發現，微小RNA的異常與多種疾病有關，包括癌癥、心臟病和神經系統疾病等。這為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可以作為疾病的生物標誌物。例如，透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癥。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，科學家們正在探索透過調節特定微小RNA的活性來治療疾病。例如，在某些癌癥中，一些微小RNA的表達異常升高，而另一些則異常降低。透過恢復這些微小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，透過操控某些微小RNA，可以影響幹細胞的分化方向，這為組織修復和器官再生提供了新的可能性。
microRNA：從被人冷落到未來可期
微小RNA的發現為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隱藏開關，這個發現讓我們對生命的復雜性有了新的認識。
但是，我們對微小RNA的了解還遠遠不夠。
未來，科學家們將繼續探索微小RNA的作用機制，尋找更多與疾病相關的微小RNA。同時，如何將實驗室的發現轉化為臨床套用，也是一個重要的研究方向。我們可以期待，基於微小RNA的新型診斷工具和治療方法將不斷湧現。
此外，微小RNA研究也可能為其他領域帶來啟發。例如，在農業中，透過調控植物的微小RNA，可能培育出抗病蟲害或適應氣候變遷的新品種。在環境保護方面，微小RNA可能成為監測生態系健康狀況的新工具。
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。隨著研究的深入，微小RNA領域必將繼續為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，可能成為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。
出品：科普中國
作者：可可
監制：中國科普博覽
