導讀
剛剛，瑞典卡羅琳醫學院宣佈，2024年諾貝爾生理醫學頒給美國馬薩諸塞州大學醫學院教授維克托·安博斯（Victor Ambros）和哈佛大學醫學院教授加里·魯弗肯（Gary Ruvkun）。
獲獎理由：表彰他們在發現微小RNA中的傑出貢獻。
維克多·安博斯和加里·魯弗肯發現了微小RNA，這是一類在基因調控中發揮關鍵作用的新型小RNA分子。他們在小蠕蟲秀麗隱杆線蟲（C. elegans）中的開創性發現揭示了一種全新的基因調控原理。這一發現對包括人類在內的多細胞生物至關重要。微小RNA在生物體的發展和功能中被證明是根本重要的。
維克托·安博斯在哈佛大學任助理教授期間作出了今天獲獎、當時超前的工作。哈佛大學當年就不欣賞他，他沒有能夠獲得哈佛的終身教職，默然離開。今天，他應該雲開霧散見晴天了。他在中國的幾位學生也特別高興，幫助我們寫了這篇報道。
本文作者之一北京大學分子醫學研究所研究員劉穎曾在加里·魯弗肯實驗室從事博士後研究（希望再接再厲，爭取拿諾獎）。本文另一作者中國科學技術大學生命科學學院教授光壽紅從事秀麗線蟲研究十幾年，當中見過安博斯和魯弗肯很多次，也多次得到他們的指點和幫助，一直心裏感激。其實算輩分，作者還是魯弗肯的徒孫。這兩位偉大的科學家給人的感覺是純粹，永遠充滿童心和對科學的熱愛，他們對年青學子的提攜，值得我們永遠的敬仰和學習。
撰文|梁英（空軍軍醫大學）光壽紅（中國科學技術大學）劉穎（北京大學）
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2024年諾貝爾生理醫學獎獲得者：維克托·安博斯（Victor Ambros）、加里·魯弗肯（Gary Ruvkun）
維克托·安博斯（Victor Ambros）
加里·魯弗肯（Gary Ruvkun）
兩位諾獎得主研究微小RNA的歷程
生物體內的核糖核酸（RNA）分為兩種：一種是參與編碼蛋白質的RNA，能指導合成蛋白質的信使RNA；另一種是不能編碼蛋白質的RNA，即非編碼RNA。miRNA正是非編碼RNA中的一種。由於它的長度很短，僅有21-23個核苷酸組成，因此被稱作微小RNA（miRNA）。
miRNA通過與靶mRNA的互補配對而在轉錄後水平上對基因的表達進行負調控，導致mRNA的降解或翻譯抑制。這項發現不僅大大豐富了生物學家對基因調控的認識，而且miRNA被發現個體發育、細胞凋亡和癌症、糖尿病等諸多疾病中都扮演着角色。
第一個miRNA的發現
1993年，生物學家維克托·安博斯（Victor Ambros）在線蟲中發現了第一個miRNA lin-4[1]，並將自己的成果發表在 Cell雜誌。有意思的是，幾乎同一時期，他的同事加里·魯弗肯（Gary Rovkun）探索出了 lin-4的3』UTR調控機制。從發現第一個miRNA到現在已有20多個年頭，miRNA的研究目前可謂是進入了井噴時代。根據miRBase的最新數據統計顯示，當前已發現的人類miRNA前體有1982條，成熟miRNA有2694條。隨着miRNA相關研究不斷推進，miRNA在個體發育與疾病發生發展過程中的重要作用也不斷地被揭示。下文我們將回溯這兩位生物學家早期對miRNA的探索之旅。
20世紀50年代，安博斯出生於美國東北部新罕布殊爾州，由於從小受其父親的影響，他喜愛閱讀及手工製作。隨着20世紀60年代，美國阿波羅飛船登月成功，安博斯與當時很多年輕人一樣，想成為一名天文學家。
1971年，安博斯如願進入麻省理工學院學習天文知識，可是年輕的安博斯發現自己的物理算術能力一般。加上他的室友連續給他科普了分子生物與基因組學的奧秘，於是他轉而熱衷於分子生物科學，後面在博士期間師從戴維·巴爾的摩（David Baltimore，諾貝爾獎獲得者）。在博後期間，安博斯加入了麻省理工學院Robert Horvitz的實驗室，在這裏遇到了跟他這一生緊密相連的另一位miRNA研究奠基人，加里·魯弗肯（Gary Rovkun）。
時光飛逝，轉眼到了1993年，安博斯在達特茅斯學院成立了自己的實驗室。在這裏安博斯和實驗室的技術員 Rosalind Lee及博士後Rhonda Feinbaum發現了首個 miRNA lin-4。早期他們以為 lin-4是某種蛋白質，但他們研究後發現這種具有調控功能的分子竟然不是蛋白質分子，而是一種從短髮夾結構的前體（precursor）加工後得到的非編碼RNA分子。這一段序列僅有22個鹼基，這讓他們感到非常意外。該研究最終發表在鼎鼎有名的 Cell雜誌上[1]。
直到2008年，安博斯回到自己的母校麻省理工學院任職至今，繼續在非編碼RNA尤其是miRNA領域進行深入探索。
miRNA是如何起作用的
儘管安博斯團隊發現了第一個miRNAlin-4，但是它的調控機制是由加里·魯弗肯（Gary Rovkun）探索研究出來[2]。魯弗肯的研究發現，lin-4通過不完全的鹼基配對調控靶基因的表達。
1952年，魯弗肯出生於加州伯克利，由於父親工作的原因，他卻在附近的奧克蘭和皮埃蒙特市長大。他的父親是土木工程師，母親是家庭主婦，在魯弗肯的童年時期，他的母親半工半讀讀完了大學，並在魯弗肯高中畢業的同一年獲得了心理學學士學位。魯弗肯的父母樂觀開明，都很支持兒子對科學特別是空間科學方面的熱情，並在他很小的時候給他買瞭望遠鏡和顯微鏡。
高中畢業後，魯弗肯就讀於加州大學伯克利分校，他原本打算主修電氣工程，但很快就轉學物理。他有種感覺，那才是「真正的科學」——「那是二戰後才20年，物理學是目前科學之王，尤其是核物理學。」他回憶道。
1973年從加州大學伯克利分校生物物理專業畢業後，年輕而迷茫的魯夫坤開着一輛藍白色的69年款道奇麵包車一路漂流，這一走就是兩年。他最終在俄勒岡州的一家植樹合作社找到了一份工作。隨後他又花了大約六個月的時間在南美各地旅行，直到有一天，在一個玻利維亞裔美國人的友誼俱樂部，他偶然發現了一堆《美國科學雜誌》。「有時候，我會想念科學，所以我花了一天時間閱讀那些雜誌，」他回憶道。當他看完這些雜誌後，內心是如此的充實滿足——「哇，這太棒了。我想現在就回去。」
就這樣，魯弗肯回去後在加州大學三藩市分校（UC San Francisco）擔任核醫學技術員，之後於前往哈佛大學學習分子生物學。最初他想致力於解決如何通過基因工程將固氮作用應用到農作物以提高農業生產力，所以他找到了哈佛植物分子生物學家弗雷德·奧蘇貝爾（Fred Ausubel）。
在接下來的六年裏，奧蘇貝爾和魯夫昆解開了許多固氮的遺傳謎團——為此，優秀的魯弗肯獲得了哈佛大學研究員協會（Society of Fellows）設立的初級獎學金。1982年獲得生物物理學博士學位後，魯弗肯又決定改變他的研究重點。因為在彼時，動物發育生物學的研究嶄露頭角，還有很多謎團有待研究探索，而遺傳學似乎是解決這個問題的一個好方法。所以他去了麻省理工學院（MIT）的生物學家（未來的諾貝爾獎得主）H. Robert Horvitz實驗室做博士後研究。
正是在Horvitz的實驗室，魯弗肯開始研究控制秀麗隱杆線蟲發育時間的遺傳信號通路研究，並且在這裏遇到了他的搭檔安博斯。利用分子克隆技術，魯弗肯和維克托·安博斯鑑定了兩個與線蟲發育時間相關的關鍵基因：lin-4和 lin-14。安博斯描述了 lin-4的調控產物是一個22核苷酸長的RNA，魯弗肯則報告了RNA如何通過直接結合到mRNA本身來抑制lin-14信使RNA的蛋白質翻譯。
魯弗肯發現，突變lin-4的成年線蟲，長出幼嫩的皮膚，而突變掉lin-14的幼年線蟲，則會長出皺皺的皮膚，原因竟是在線蟲中lin-4可通過靶向lin-14基因的3』 UTR從而調控lin-14並抑制它的表達。lin-14蛋白在幼年線蟲中大量富集，而在成年線蟲大量減少。所以突變掉lin-4後，lin-14會增加，lin-14蛋白的大量富集會使得成年線蟲長出幼嫩皮膚。1993年，魯弗肯和安博斯在 Cell雜誌上背靠背發表論文。
儘管這些發現足夠證明miRNA調控基因表達的基本特徵，但是由於lin-4僅在線蟲中發現，當時尚未存在有力證據表明miRNA在其他生物體內可保守存在；並且從他們發現了第一個miRNA後，後續的7年期間再無新的miRNA被發現，也無其他同行報道發現類似的非編碼miRNA，所以安博斯一行人也懷疑lin-4的發現是線蟲發育的一個特例，並無推而廣之的意義。
然而，在1993年到2000年期間，安博斯實驗室陸陸續續發現lin-4/ lin-14的調控關係似乎具有廣泛的意義。比如，lin-4不僅僅是調控lin-14，它同樣可以通過靶向3』 UTR調控lin-28，表明lin-4/ lin-14的調控不是特例。還有就是，RNA干擾（RNA interference，一種具有雙鏈結構的非編碼小RNA干擾並沉默靶基因表達的現象）的發現——這一類在轉錄後期沉默基因表達的反義RNA，長度與lin-4竟然是一致的。這些現象都暗示miRNA lin-4的負向調控可能不是個例，也許還有潛在的類似具有調控功能的miRNA尚未被發現。
由於該發現的前瞻性，當時並未引起很多科學家的重視，加上miRNA在當時被認為不具有普遍的調控意義，很多問題難以被解釋，此後一段時間miRNA的相關研究基本處於停滯狀態。
miRNA：對基因調控具有普遍意義
令人驚喜的是，在2000年，魯弗肯實驗室在線蟲中發現了第二條miRNAlet-7[3]，這一條具有21個核苷酸長度的非編碼miRNA，通過靶向lin-41基因的3』 UTR降低 lin-41的表達，與lin-4的調控機制相同。他還證明了let-7在動物中的保守性，它在果蠅、斑馬魚、海膽和人類中都有表達。
這一開創性的發現，意味着miRNAs的調節作用並不局限於秀麗隱杆線蟲，並且為後續miRNAs的研究打下鋪墊。這一發現也引起了安博斯一行人的極大興趣，他們致力於找出這兩個miRNA的同類，但是當時的分子生物學技術條件受限，這個探索過程必然是任重而道遠的。
安博斯在過去一段漫長的時間習慣了孤獨的探索之旅，畢竟從事miRNA研究的同行，在過去這麼多年，除了他和魯弗肯，競爭對手可謂寥寥無幾。
2001年夏天，在某個關於線蟲研究的大會上，安博斯無意間聽到了 David Bartel在研究線蟲中的小RNA。不過很快安博斯把這個小道消息拋諸腦外，畢竟Bartel不是專門搞線蟲研究的。開完會的不久，安博斯沉浸在興奮當中，因為他很快就要從成千上百個克隆中篩選出一個全新的miRNA。這一塊全新的研究領域前景盎然，他作為奠基人之一，鮮有競爭對手。這難道不令人滿懷欣喜嗎？
後面這段時間他陸陸續續又發現了多個新的miRNA（包括miR-1），安博斯和他的技術員Rosalind非常開心。然而，時間沒過去幾天，安博斯在一個周一的下午收到一封來自 Science編輯的郵件，這封郵件打破了安博斯平靜的歡樂。因為信件中編輯委託安博斯作一篇miRNA相關研究的審稿人，而這篇研究內容里作者在果蠅和人類中發現了新的miRNA。
最終，安博斯以「利益衝突」（conflict of interest）為由拒絕審稿，並且第二天迅速給 Cell編輯提交預稿，描述了自己實驗室的新發現。然而令人遺憾的是，預稿被無情拒絕。同一天安博思又立馬給Science編輯寫信，儘管編輯答應安博思提交文稿，但是必須在三天內提交。安博思此時沒有整理任何數據，更別說撰寫文稿。在此後的60個小時內，安博思就這樣不眠不休從整理數據、作圖甚至包括補實驗，一直到把文章寫好投給 Science。儘管編輯們一致認為安博思最初提交的文稿寫得不忍卒讀，但是最後他的工作得到認可，文章順利被接收。
至此，人們終於開始意識到miRNA對基因調控具有普遍意義。轉眼到了2006年，這一年的諾貝爾生理學或醫學獎頒給了安德魯·法爾（Andrew Fire）和克雷格·梅洛（Craig Mello），以表彰他們在RNAi（RNA干擾，指某些雙鏈小RNA能夠沉默基因表達的現象）領域做出的貢獻。但很多人也認為，Gary Ruvkun和 Victor Ambros作為miRNA研究的奠基人，也應該在諾貝爾獎的名單上留下名字。
但是諾貝爾獎評選委員會很少會針對同一個領域重複頒獎，所以儘管他們在miRNA研究領域的貢獻斐然，也多次被諾獎提名，卻多次失之交臂。
Gary Ruvkun任職於哈佛醫學院，是美國科學院院士，他於2008年與 Victor Ambros和 David Baulcombe共同獲得拉斯克基礎醫學獎；2015年與David Allis、Victor Ambros、Alim Louis Benabid、Jennifer Doudna和 Emmanuelle Charpentier共同獲得生命科學突破獎（全球獎金最高的科學獎，又稱「豪華版諾貝爾獎」）。而 Victor Ambros現任職於麻省理工學院，於2007年當選美國國家科學院院士，2011年當選美國藝術與科學學院院士。
如今，陪跑諾獎多年的他們，終於獲得桂冠。
miRNA的應用和局限
從第一個miRNA發現至今，已經有30個年頭。miRNAs在胚胎與個體發育、細胞命運及腫瘤發生發展過程中發揮重要的調控作用。比如，肌肉細胞中miR-1和miR-133與肌肉生長發育緊密相關[4]；miR-143/145可以共同促進小鼠平滑肌細胞分化、抑制細胞增殖從而調控平滑肌細胞命運[5]；在口腔癌症中miR-371，miR-150，miR-21和miR-7d是潛在的診斷標記物[6]；在肺癌中低表達的miR-34具有腫瘤抑制的特點，利用「miRNA替代治療」方案（MicroRNA Replacement Therapy），即通過化學合成miR-34a mimics在脂質體轉染試劑的作用下遞送到小鼠體內，可以發揮抑制非小細胞肺癌的作用[7]。
這些研究中miRNAs主要通過在細胞漿中通過結合靶基因的3』UTR抑制翻譯或降解mRNA從而發揮負向調控靶基因表達作用，但這很難解釋miRNA研究面臨的一些特殊現象：
1）定位於細胞核內的miRNAs功能；
2）miRNAs過表達時伴隨大量基因的上調現象。
miRNA研究未來前景
隨着miRNA研究的不斷深入和深度測序技術的發展，越來越多的證據表明，miRNA不僅定位於細胞質，而且也存在於其他細胞器中，miRNA的不同細胞定位影響miRNA的功能。在肌細胞形成過程中特異表達的miR-1可以進入線粒體並在線粒體中促進特定靶基因的翻譯[8]；還有研究發現神經幹細胞中存在大量定位於細胞核中的miRNAs，如miR-19、miR-320、miR-339、miR-374等，但是這些核內miRNAs的調控機制並不清楚[9]。
復旦大學於文強教授課題組前期的工作中也發現定位於細胞核中的miR-3179被證實能激活鄰位基因ABCC6和 PKD1P1，核內miR-24-1能激活靶基因FBP1和FANCC的表達[10]。基於此，該團隊提出了NamiRNAs—增強子—靶基因激活理論，揭示miRNAs在細胞核中通過增強子發揮正向調控基因表達的作用；於教授團隊後期的工作發現定位於細胞核中的miR-339可以靶向增強子激活靶基因GPER1抑制乳腺癌細胞增殖生長[11]，為腫瘤的治療提供潛在的治療策略和線索，同時為miRNAs的調控功能研究提供新視角。
可見，miRNAs除了定位於細胞質中發揮負向調控作用，還可以定位其他細胞器並且可以發揮激活作用。
目前關於細胞核內miRNAs調控功能的研究相對較少，而事實上細胞核內miRNAs可能與細胞質中負向調控的miRNAs發揮截然不同的調控功能。這也說明，未來關於miRNA的研究，miRNA定位和激活功能兩方面研究值得重點關注。
微小RNA的研究，充滿了戲劇性
微小RNA是一類由內源基因編碼的長度~20個核苷酸的非編碼單鏈RNA分子,它們在動植物中參與轉錄後基因表達調控。微小RNA在細胞分化，生物發育及疾病發生發展過程中發揮巨大作用,會給人類疾病的治療提供一種新的手段。
微小RNA的研究充滿了戲劇性。第一個微小RNA是1993年維克托·安博斯發現的lin-4。當時維克托·安博斯還是哈佛大學的助理教授。他在研究秀麗線蟲的發育調控中發現了基因組編碼的一段非常小的RNA可以通過抑制一些基因的翻譯，來調控秀麗線蟲的發育過程。
這篇文章當時發表在Cell期刊上。他在哈佛大學任助理教授期間作出了他今天獲獎的工作。但是，當時大家，包括哈佛大學，都不懂其工作的意義，他沒有得到哈佛的終身教職，被迫默默離開哈佛，去達特茅斯學院繼續他的研究工作。由於一直沒能找到第二個微小RNA，而且lin-4在人類中也不保守，安博斯的工作逐漸被公眾遺忘，除了他自己在這一領域進行研究着。
事情的轉機發生在2000年，加里·魯弗肯在秀麗線蟲中發現了第2個微小RNA,即let-7。特別重要的是let-7在動物中高度保守，在人類細胞中也存在。這一石破天驚的發現從此吸引了無數天才科學家蜂擁而至，加入到新的微小RNA的發掘過程中。也因此帶來了現在火熱的非編碼RNA研究的時代。
2008年，維克托·安博斯、加里·魯弗肯和戴維·鮑威爾庫姆一起獲得了拉斯克獎，以表彰他們在微小RNA中開創性的研究。有意思的是，後來，哈佛大學重新邀請維克托·安博斯回去，他拒絕了，並選擇了波士頓旁邊的馬薩諸塞州大學，建立了新的實驗室。
安博斯（H. Robert Horvitz）一生充滿了傳奇，例如他的博士生導師是麻省理工大學的諾貝爾獎獲得者戴維·巴爾的摩（David Baltimore），博士後導師是另一個諾貝爾獎獲得者羅伯特·霍維茨（H.Robert Horvitz）。後來安博斯還和實驗室的女技術員羅莎琳德·李（Rosalind Lee）結婚，珠聯璧合，在微小RNA領域繼續引領着研究。
諾貝爾獎獲得者更多地出自於諾貝爾獎獲得者實驗室，因為他們往往有更好的眼光和更高的起點。和安博斯一樣，加里·魯弗肯也在羅伯特·霍維茨實驗室從事了博士後研究，而且他們研究的方向都是秀麗線蟲的發育過程。
