2024年诺贝尔生理学或医学奖

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当地时间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 Victor Ambros 和 Gary Ruvkun ，以表彰他们在“发现microRNA及其在转录后基因调控中的作用”中的重要贡献。

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以下内容转载自《知识分子》公众号

刚刚，瑞典卡罗琳医学院宣布，2024年诺贝尔生理医学颁给美国马萨诸塞州大学医学院教授维克托·安博斯（Victor Ambros）和哈佛大学医学院教授加里·鲁弗肯（Gary Ruvkun）。

获奖理由：表彰他们在发现微小RNA中的杰出贡献。

维克多·安博斯和加里·鲁弗肯发现了微小RNA，这是一类在基因调控中发挥关键作用的新型小RNA分子。他们在小蠕虫秀丽隐杆线虫（C. elegans）中的开创性发现揭示了一种全新的基因调控原理。这一发现对包括人类在内的多细胞生物至关重要。微小RNA在生物体的发展和功能中被证明是根本重要的。

维克托·安博斯在哈佛大学任助理教授期间作出了今天获奖、当时超前的工作。哈佛大学当年就不欣赏他，他没有能够获得哈佛的终身教职，默然离开。今天，他应该云开雾散见晴天了。他在中国的几位学生也特别高兴，帮助我们写了这篇报道。

本文作者之一北京大学分子医学研究所研究员刘颖曾在加里·鲁弗肯实验室从事博士后研究（希望再接再厉，争取拿诺奖）。本文另一作者中国科学技术大学生命科学学院教授光寿红从事秀丽线虫研究十几年，当中见过安博斯和鲁弗肯很多次，也多次得到他们的指点和帮助，一直心里感激。其实算辈分，作者还是鲁弗肯的徒孙。这两位伟大的科学家给人的感觉是纯粹，永远充满童心和对科学的热爱，他们对年青学子的提携，值得我们永远的敬仰和学习。

撰文 | 梁英（空军军医大学）光寿红（中国科学技术大学）刘颖（北京大学）
责编 | 王承志 陈晓雪

两位诺奖得主研究微小RNA的历程

生物体内的核糖核酸（RNA）分为两种：一种是参与编码蛋白质的RNA，能指导合成蛋白质的信使RNA；另一种是不能编码蛋白质的RNA，即非编码RNA。miRNA正是非编码RNA中的一种。由于它的长度很短，仅有21-23个核苷酸组成，因此被称作微小RNA（miRNA）。

miRNA通过与靶mRNA的互补配对而在转录后水平上对基因的表达进行负调控，导致mRNA的降解或翻译抑制。这项发现不仅大大丰富了生物学家对基因调控的认识，而且miRNA被发现个体发育、细胞凋亡和癌症、糖尿病等诸多疾病中都扮演着角色。

第一个miRNA的发现

1993年，生物学家维克托·安博斯（Victor Ambros）在线虫中发现了第一个miRNA lin-4 [1]，并将自己的成果发表在 Cell 杂志。有意思的是，几乎同一时期，他的同事加里·鲁弗肯（Gary Rovkun）探索出了 lin-4 的3’UTR调控机制。从发现第一个miRNA到现在已有20多个年头，miRNA的研究目前可谓是进入了井喷时代。根据miRBase的最新数据统计显示，当前已发现的人类miRNA前体有1982条，成熟miRNA有2694条。随着miRNA 相关研究不断推进，miRNA在个体发育与疾病发生发展过程中的重要作用也不断地被揭示。下文我们将回溯这两位生物学家早期对miRNA的探索之旅。

20世纪50年代，安博斯出生于美国东北部新罕布什尔州，由于从小受其父亲的影响，他喜爱阅读及手工制作。随着20世纪60年代，美国阿波罗飞船登月成功，安博斯与当时很多年轻人一样，想成为一名天文学家。

1971年，安博斯如愿进入麻省理工学院学习天文知识，可是年轻的安博斯发现自己的物理算术能力一般。加上他的室友连续给他科普了分子生物与基因组学的奥秘，于是他转而热衷于分子生物科学，后面在博士期间师从戴维·巴尔的摩（David Baltimore，诺贝尔奖获得者）。在博后期间，安博斯加入了麻省理工学院Robert Horvitz的实验室，在这里遇到了跟他这一生紧密相连的另一位miRNA研究奠基人，加里·鲁弗肯（Gary Rovkun）。

时光飞逝，转眼到了1993年，安博斯在达特茅斯学院（Dartmouth College）成立了自己的实验室。在这里安博斯和实验室的技术员 Rosalind Lee 及博士后Rhonda Feinbaum 发现了首个 miRNA lin-4 。早期他们以为 lin-4 是某种蛋白质，但他们研究后发现这种具有调控功能的分子竟然不是蛋白质分子，而是一种从短发夹结构的前体（precursor）加工后得到的非编码RNA分子。这一段序列仅有22个碱基，这让他们感到非常意外。该研究最终发表在鼎鼎有名的 Cell 杂志上 [1]。

直到2008年，安博斯回到自己的母校麻省理工学院任职至今，继续在非编码RNA尤其是miRNA领域进行深入探索。

miRNA是如何起作用的

尽管安博斯团队发现了第一个miRNA lin-4 ，但是它的的调控机制是由加里·鲁弗肯（Gary Rovkun）探索研究出来 [2]。鲁弗肯的研究发现， lin-4  通过不完全的碱基配对调控靶基因的表达。

1952年，鲁弗肯出生于加州伯克利，由于父亲工作的原因，他却在附近的奥克兰和皮埃蒙特市长大。他的父亲是土木工程师，母亲是家庭主妇，在鲁弗肯的童年时期，他的母亲半工半读读完了大学，并在鲁弗肯高中毕业的同一年获得了心理学学士学位。鲁弗肯的父母乐观开明，都很支持儿子对科学特别是空间科学方面的热情，并在他很小的时候给他买了望远镜和显微镜。

高中毕业后，鲁弗肯就读于加州大学伯克利分校，他原本打算主修电气工程，但很快就转学物理。他有种感觉，那才是 “真正的科学” —— “那是二战后才20年，物理学是目前科学之王，尤其是核物理学。” 他回忆道。

1973年从加州大学伯克利分校生物物理专业毕业后，年轻而迷茫的鲁夫坤开着一辆蓝白色的69年款道奇面包车一路漂流，这一走就是两年。他最终在俄勒冈州的一家植树合作社找到了一份工作。随后他又花了大约六个月的时间在南美各地旅行，直到有一天，在一个玻利维亚裔美国人的友谊俱乐部，他偶然发现了一堆《美国科学杂志》。“有时候，我会想念科学，所以我花了一天时间阅读那些杂志，”他回忆道。当他看完这些杂志后，内心是如此的充实满足—— “哇，这太棒了。我想现在就回去。”

就这样，鲁弗肯回去后在加州大学旧金山分校（UC San Francisco）担任核医学技术员，之后于前往哈佛大学学习分子生物学。最初他想致力于解决如何通过基因工程将固氮作用应用到农作物以提高农业生产力，所以他找到了哈佛植物分子生物学家弗雷德·奥苏贝尔（Fred Ausubel）。

在接下来的六年里，奥苏贝尔和鲁夫昆解开了许多固氮的遗传谜团——为此，优秀的鲁弗肯获得了哈佛大学研究员协会（Society of Fellows）设立的初级奖学金。1982年获得生物物理学博士学位后，鲁弗肯又决定改变他的研究重点。因为在彼时，动物发育生物学的研究崭露头角，还有很多谜团有待研究探索，而遗传学似乎是解决这个问题的一个好方法 。所以他去了麻省理工学院（MIT）的生物学家（未来的诺贝尔奖得主）H. Robert Horvitz 实验室做博士后研究。

正是在Horvitz的实验室，鲁弗肯开始研究控制秀丽隐杆线虫发育时间的遗传信号通路研究，并且在这里遇到了他的搭档安博斯。利用分子克隆技术，鲁弗肯和维克托·安博斯鉴定了两个与线虫发育时间相关的关键基因： lin-4 和 lin-14 。安博斯描述了 lin-4 的调控产物是一个22核苷酸长的RNA，鲁弗肯则报告了RNA如何通过直接结合到mRNA本身来抑制lin-14信使RNA的蛋白质翻译。

鲁弗肯发现，突变 lin-4 的成年线虫，长出幼嫩的皮肤，而突变掉 lin-14 的幼年线虫，则会长出皱皱的皮肤，原因竟是在线虫中 lin-4 可通过靶向 lin-14 基因的3’ UTR从而调控 lin-14 并抑制它的表达。 lin-14 蛋白在幼年线虫中大量富集，而在成年线虫大量减少。所以突变掉 lin-4 后， lin-14 会增加， lin-14 蛋白的大量富集会使得成年线虫长出幼嫩皮肤。1993年，鲁弗肯和安博斯在 Cell 杂志上背靠背发表论文。 

尽管这些发现足够证明miRNA调控基因表达的基本特征，但是由于 lin-4 仅在线虫中发现，当时尚未存在有力证据表明miRNA在其他生物体内可保守存在；并且从他们发现了第一个miRNA后，后续的7年期间再无新的miRNA被发现，也无其他同行报道发现类似的非编码miRNA，所以安博斯一行人也怀疑 lin-4 的发现是线虫发育的一个特例，并无推而广之的意义。 

然而，在1993年到2000年期间，安博斯实验室陆陆续续发现 lin-4/ lin-14 的调控关系似乎具有广泛的意义。比如， lin-4 不仅仅是调控 lin-14 ，它同样可以通过靶向3’ UTR调控lin-28，表明 lin-4/ lin-14 的调控不是特例。还有就是，RNA干扰（RNA interference，一种具有双链结构的非编码小RNA干扰并沉默靶基因表达的现象）的发现——这一类在转录后期沉默基因表达的反义RNA，长度与 lin-4 竟然是一致的。这些现象都暗示miRNA lin-4 的负向调控可能不是个例，也许还有潜在的类似具有调控功能的miRNA尚未被发现。

由于该发现的前瞻性，当时并未引起很多科学家的重视，加上miRNA在当时被认为不具有普遍的调控意义，很多问题难以被解释，此后一段时间miRNA的相关研究基本处于停滞状态。

miRNA：对基因调控具有普遍意义

令人惊喜的是，在2000年，鲁弗肯实验室在线虫中发现了第二条miRNAlet-7 [3]，这一条具有21个核苷酸长度的非编码miRNA，通过靶向 lin-41 基因的3’ UTR降低 lin-41 的表达，与 lin-4 的调控机制相同。他还证明了let-7在动物中的保守性，它在果蝇、斑马鱼、海胆和人类中都有表达。

这一开创性的发现，意味着miRNAs的调节作用并不局限于秀丽隐杆线虫，并且为后续miRNAs的研究打下铺垫。这一发现也引起了安博斯一行人的极大兴趣，他们致力于找出这两个miRNA的同类，但是当时的分子生物学技术条件受限，这个探索过程必然是任重而道远的。

安博斯在过去一段漫长的时间习惯了孤独的探索之旅，毕竟从事miRNA研究的同行，在过去这么多年，除了他和鲁弗肯，竞争对手可谓寥寥无几。

2001年夏天，在某个关于线虫研究的大会上，安博斯无意间听到了 David Bartel 在研究线虫中的小RNA。不过很快安博斯把这个小道消息抛诸脑外，毕竟Bartel不是专门搞线虫研究的。开完会的不久，安博斯沉浸在兴奋当中，因为他很快就要从成千上百个克隆中筛选出一个全新的miRNA。这一块全新的研究领域前景盎然，他作为奠基人之一，鲜有竞争对手。这难道不令人满怀欣喜吗？

后面这段时间他陆陆续续又发现了多个新的miRNA（包括miR-1），安博斯和他的技术员Rosalind非常开心。然而，时间没过去几天，安博斯在一个周一的下午收到一封来自 Science 编辑的邮件，这封邮件打破了安博斯平静的欢乐。因为信件中编辑委托安博斯作一篇miRNA相关研究的审稿人，而这篇研究内容里作者在果蝇和人类中发现了新的miRNA。

最终，安博斯以 “利益冲突”（conflict of interest）为由拒绝审稿，并且第二天迅速给 Cell 编辑提交预稿，描述了自己实验室的新发现。然而令人遗憾的是，预稿被无情拒绝。同一天安博思又立马给 Science 编辑写信，尽管编辑答应安博思提交文稿，但是必须在三天内提交。安博思此时没有整理任何数据，更别说撰写文稿。在此后的60个小时内，安博思就这样不眠不休从整理数据、作图甚至包括补实验，一直到把文章写好投给 Science 。尽管编辑们一致认为安博思最初提交的文稿写得不忍卒读，但是最后他的工作得到认可，文章顺利被接收。

至此，人们终于开始意识到miRNA对基因调控具有普遍意义。转眼到了2006年，这一年的诺贝尔生理学或医学奖颁给了安德鲁·法尔（Andrew Fire）和克雷格·梅洛（Craig Mello），以表彰他们在RNAi（RNA干扰，指某些双链小RNA能够沉默基因表达的现象）领域做出的贡献。但很多人也认为，Gary Ruvkun 和 Victor Ambros 作为miRNA研究的奠基人，也应该在诺贝尔奖的名单上留下名字。

但是诺贝尔奖评选委员会很少会针对同一个领域重复颁奖，所以尽管他们在miRNA研究领域的贡献斐然，也多次被诺奖提名，却多次失之交臂。

Gary Ruvkun 任职于哈佛医学院，是美国科学院院士，他于2008年与 Victor Ambros 和 David Baulcombe共同获得拉斯克基础医学奖；2015年与David Allis、Victor Ambros、Alim Louis Benabid、Jennifer Doudna 和 Emmanuelle Charpentier共同获得生命科学突破奖（全球奖金最高的科学奖，又称 “豪华版诺贝尔奖”）。而 Victor Ambros 现任职于麻省理工学院，于2007年当选美国国家科学院院士，2011年当选美国艺术与科学学院院士。

如今，陪跑诺奖多年的他们，终于获得桂冠。

miRNA的应用和局限

从第一个miRNA发现至今，已经有30个年头。miRNAs在胚胎与个体发育、细胞命运及肿瘤发生发展过程中发挥重要的调控作用。比如，肌肉细胞中miR-1和miR-133与肌肉生长发育紧密相关 [4]；miR-143/145可以共同促进小鼠平滑肌细胞分化、抑制细胞增殖从而调控平滑肌细胞命运 [5]；在口腔癌症中miR-371，miR-150，miR-21和miR-7d是潜在的诊断标记物 [6]；在肺癌中低表达的miR-34具有肿瘤抑制的特点，利用 “miRNA替代治疗” 方案（MicroRNA Replacement Therapy），即通过化学合成miR-34a mimics在脂质体转染试剂的作用下递送到小鼠体内，可以发挥抑制非小细胞肺癌的作用 [7]。

这些研究中miRNAs主要通过在细胞浆中通过结合靶基因的3’UTR抑制翻译或降解mRNA从而发挥负向调控靶基因表达作用，但这很难解释miRNA研究面临的一些特殊现象：

  • 1）定位于细胞核内的miRNAs功能；
  • 2）miRNAs过表达时伴随大量基因的上调现象。

miRNA研究未来前景

随着miRNA 研究的不断深入和深度测序技术的发展，越来越多的证据表明，miRNA 不仅定位于细胞质，而且也存在于其他细胞器中，miRNA的不同细胞定位影响miRNA的功能。在肌细胞形成过程中特异表达的miR-1可以进入线粒体并在线粒体中促进特定靶基因的翻译 [8]；还有研究发现神经干细胞中存在大量定位于细胞核中的miRNAs，如miR-19、miR-320、miR-339、miR-374等，但是这些核内miRNAs的调控机制并不清楚 [9]。

复旦大学于文强教授课题组前期的工作中也发现定位于细胞核中的miR-3179被证实能激活邻位基因ABCC6 和 PKD1P1，核内miR-24-1能激活靶基因FBP1和FANCC的表达 [10]。基于此，该团队提出了NamiRNAs—增强子—靶基因激活理论，揭示miRNAs在细胞核中通过增强子发挥正向调控基因表达的作用；于教授团队后期的工作发现定位于细胞核中的miR-339可以靶向增强子激活靶基因GPER1抑制乳腺癌细胞增殖生长 [11]，为肿瘤的治疗提供潜在的治疗策略和线索，同时为miRNAs的调控功能研究提供新视角。

可见，miRNAs除了定位于细胞质中发挥负向调控作用，还可以定位其他细胞器并且可以发挥激活作用。

目前关于细胞核内miRNAs 调控功能的研究相对较少，而事实上细胞核内miRNAs可能与细胞质中负向调控的miRNAs发挥截然不同的调控功能。这也说明，未来关于miRNA的研究，miRNA定位和激活功能两方面研究值得重点关注。

微小RNA的研究，充满了戏剧性

微小RNA是一类由内源基因编码的长度~20 个核苷酸的非编码单链RNA 分子,它们在动植物中参与转录后基因表达调控。微小RNA在细胞分化，生物发育及疾病发生发展过程中发挥巨大作用, 会给人类疾病的治疗提供一种新的手段。

微小RNA的研究充满了戏剧性。第一个微小RNA是1993年维克托·安博斯发现的 lin-4 。当时维克托·安博斯还是哈佛大学的助理教授。他在研究秀丽线虫的发育调控中发现了基因组编码的一段非常小的RNA可以通过抑制一些基因的翻译，来调控秀丽线虫的发育过程。

这篇文章当时发表在Cell 期刊上。他在哈佛大学任助理教授期间作出了他今天获奖的工作。但是，当时大家，包括哈佛大学，都不懂其工作的意义，他没有得到哈佛的终身教职，被迫默默离开哈佛，去达特茅斯学院继续他的研究工作。由于一直没能找到第二个微小RNA，而且 lin-4 在人类中也不保守，安博斯的工作逐渐被公众遗忘，除了他自己在这一领域进行研究着。

事情的转机发生在2000年，加里·鲁弗肯在秀丽线虫中发现了第2个微小RNA, 即let-7。特别重要的是let-7在动物中高度保守，在人类细胞中也存在。这一石破天惊的发现从此吸引了无数天才科学家蜂拥而至，加入到新的微小RNA的发掘过程中。也因此带来了现在火热的非编码RNA研究的时代。

2008年，维克托·安博斯、加里·鲁弗肯和戴维·鲍尔库姆一起获得了拉斯克奖，以表彰他们在微小RNA中开创性的研究。有意思的是，后来，哈佛大学重新邀请维克托·安博斯回去，他拒绝了，并选择了波士顿旁边的马萨诸塞州大学，建立了新的实验室。

安博斯（H. Robert Horvitz）一生充满了传奇，例如他的博士生导师是麻省理工大学的诺贝尔奖获得者戴维·巴尔的摩（David Baltimore），博士后导师是另一个诺贝尔奖获得者罗伯特·霍维茨（H.Robert Horvitz）。后来安博斯还和实验室的女技术员罗莎琳德·李（Rosalind Lee）结婚，珠联璧合，在微小RNA领域继续引领着研究。

诺贝尔奖获得者更多地出自于诺贝尔奖获得者实验室，因为他们往往有更好的眼光和更高的起点。和安博斯一样，加里·鲁弗肯也在罗伯特·霍维茨实验室从事了博士后研究，而且他们研究的方向都是秀丽线虫的发育过程。 

参考文献：

  1. Lee RC, Feinbaum RL, Ambros V. The C. elegans heterochronic gene lin-4 encodes small RNAs with antisense complementarity to lin-14.Cell. 1993 Dec 3; 75(5):843-54.
  2. Wightman B, Ha I, Ruvkun G. Posttranscriptional regulation of the heterochronic gene lin-14 by lin-4 mediates temporal pattern formation in C. elegans. Cell. 1993 Dec 3; 75(5):856-62
  3. Amy E. Pasquinelli，Brenda J. Reinhart，Frank Slack，Mark Q. Martindale，Gary Ruvkun. Conservation of the sequence and temporal expression of let-7 heterochronic regulatory RNA. Nature. 2000 Nov 2.
  4. Chen JF, Mandel EM, Thomson JM, Wu Q, Callis TE, Hammond SM, Conlon FL, Wang DZ. The role of microRNA-1 and microRNA-133 in skeletal muscle proliferation and differentiation. Nat Genet. 2006 Feb;38(2):228-33.
  5. Cordes KR, Sheehy NT, White MP, Berry EC, Morton SU, Muth AN, Lee TH, Miano JM, Ivey KN, Srivastava D. miR-145 and miR-143 regulate smooth muscle cell fate and plasticity. Nature. 2009 Aug 6;460(7256):705-10.
  6. Mazumder S, Datta S, Ray JG, Chaudhuri K, Chatterjee R. Liquid biopsy: miRNA as a potential biomarker in oral cancer. Cancer Epidemiol. 2019 Feb;58:137-145.
  7. Wiggins JF, Ruffino L, Kelnar K, Omotola M, Patrawala L, Brown D, Bader AG. Development of a lung cancer therapeutic based on the tumor suppressor microRNA-34. Cancer Res. 2010 Jul 15;70(14):5923-30.
  8. Zhang X, Zuo X, Yang B, Li Z, Xue Y, Zhou Y, Huang J, Zhao X, Zhou J, Yan Y, Zhang H, Guo P, Sun H, Guo L, Zhang Y, Fu XD. MicroRNA directly enhances mitochondrial translation during muscle differentiation. Cell. 2014 Jul 31;158(3):607-19.
  9. Jeffries CD, Fried HM, Perkins DO. Nuclear and cytoplasmic localization of neural stem cell microRNAs. RNA. 2011 Apr;17(4):675-86.
  10. Xiao M, Li J, Li W, Wang Y, Wu F, Xi Y, Zhang L, Ding C, Luo H, Li Y, Peng L, Zhao L, Peng S, Xiao Y, Dong S, Cao J, Yu W. MicroRNAs activate gene transcription epigenetically as an enhancer trigger. RNA Biol. 2017 Oct 3;14(10):1326-1334.
  11. Liang Y, Lu Q, Li W, Zhang D, Zhang F, Zou Q, Chen L, Tong Y, Liu M, Wang S, Li W, Ren X, Xu P, Yang Z, Dong S, Zhang B, Huang Y, Li D, Wang H, Yu W. Reactivation of tumour suppressor in breast cancer by enhancer switching through NamiRNA network. Nucleic Acids Res. 2021 Sep 7;49(15):8556-8572.