繼10月8日諾貝爾物理學獎落在看似與物理毫無關係的「人工神經網絡實現機器學習」,10月9日,原本生理學獎或醫學獎的大熱門「蛋白預測」,又拿到了諾貝爾化學獎。
憑藉上述兩項神操作,諾貝爾獎又狠狠出了一次圈,吃瓜群眾紛紛調侃「物理和化學沒了」,「文學獎不會給ChatGPT吧」……
而在生命科學領域,情況雖沒這麼嚴重,也稱得上「意外」。諾貝爾生理學獎或醫學獎「爆冷」落在了大眾非常陌生的microRNA(微小RNA,也稱miRNA)領域,GLP-1、CAR-T等「神藥」紛紛落榜,讓興奮蹲守的媒體、產業人士和科技愛好者們都撲了一個空。
要知道,miRNA領域雖然是非常有分量的研究,一度也是諾獎大熱門,但是18年前(2006年)已有類似研究獲獎,而且2022年以來的諾貝爾生理學獎或醫學獎都授予了mRNA相關研究了。
「諾獎連續兩年都授予RNA相關的研究領域,確實是比較罕見的。」南京應諾醫藥科技有限責任公司董事長鄭維義博士告訴虎嗅。
同樣地,同一年有兩個獎項都授予人工智能領域的研究者,也開了先河。
在這些意料之外又在情理之中的獲獎者背後,科學研究,特別是生命科學研究正在走向新的階段。
miRNA憑什麼獲諾獎
諾獎這個「迴旋鏢」終於打中miRNA了。
人體內50萬億個細胞,只有2%可以轉錄成編碼mRNA(能夠生產蛋白質),其他98%只能轉錄成非編碼RNA(不能生產蛋白質)。miRNA是非編碼RNA里的「望族」,人類約三分之一的基因都是由miRNA調節的,它們幾乎參與到了所有生物學功能中。
但是miRNA的相關信息直到1993年才首次被發表出來,2000年以後就才逐漸受到科學界的重視,經過20多年發展關注熱度幾乎退盡,才終於獲得了諾貝爾獎。如今,很多人對miRNA還是很陌生,甚至會將其與疫情期間火遍全球的新冠疫苗技術mRNA混為一談。
事實上,miRNA和mRNA也確有淵源。首先他們來自同一個「家族」——小核酸分子(由20到30個核苷酸分子串聯組成的短鏈RNA,其中mRNA是廣義的小核酸,但不具有調節功能——虎嗅注)。
「細胞能對基因活性進行精確調節,對生命體正常活動至關重要,特別是對高等生物。」病毒學專家常榮山告訴虎嗅。
多細胞生物,從原始的單個細胞,經由配子、受精卵發育到成體,每一步的實現都需要特異的基因在外部環境、時間、空間上精確表達,這種調控就需要在基因組內由複雜、精細的「非結構基因」表達的核糖核酸(RNA)來完成,除了miRNA,還有小干擾核糖核酸siRNA和shRNA等等。
這個家族的相關藥物被稱為小核酸藥物,是通過RNA干擾(RNAi,也就是讓部分遺傳信息「沉默」)發揮藥效。
當然家族成員也各有特色,比如:與mRNA不同,miRNA不編碼蛋白質;siRNA是雙鏈的,miRNA是單鏈的。
其次,mRNA和miRNA也是一對好「搭檔」。
1980年代末,在哈佛大學做首席研究員的維克托·安博斯和當時還是哈佛醫學院首席研究員的加里·魯弗肯,在研究一種1mm長的蠕蟲秀麗隱杆線蟲時,發現了其體內兩種基因之間存在負向調節關係。此後,為了找出背後機制,他們分別做了研究。
結果發現,lin-4基因產生了一種非常短的RNA分子,雖然沒有生產蛋白質的代碼,但是可以抑制另一個基因lin-14。
更多研究顯示,這種非常短的RNA(也就是miRNA),並沒有抑制lin-14基因產生mRNA,而是通過與其mRNA上的部分片段結合,使其無法生產相應蛋白質。他們也正是因此獲得了諾獎。
miRNA其作用示意圖。來自:諾獎委員會官網
有趣的是,這樣的調節作用不是「一對一」的,是「多對多」的。按照諾獎委員會的發文,一個miRNA可以調節多個不同基因的表達,一個基因可以被多個miRNA調節,從而協調和微調整個基因網絡。另有研究顯示,單個miRNA可以調控的基因數量甚至可以超過100個。
近年來針對哺乳動物miRNA-mRNA調控網絡的研究發現,miRNA和mRNA網絡的平衡對健康至關重要,一旦平衡被打破,就可能導致腫瘤、阿爾茨海默病等疾病的發生,還與人類器官衰老有關。研究者認為,人為控制miRNA的量使其與mRNA平衡,是治療疾病的新路徑。
現在已經發現並有記錄的人類基因編碼的miRNA就有1917種,這背後是一個非常龐大的調節網絡。
「一些難治疾病,更可能從這類藥物中獲益。」鄭維義告訴虎嗅,許多罕見遺傳病涉及特定基因表達異常,miRNA藥物通過直接調控這些基因或其下游通路,具有高度特異性。
總體來說,miRNA藥物由於能夠廣泛調控多個基因、通路以及其更加精準的靶向性,在一些複雜的、多因素導致的疾病中展現了獨特的治療優勢。這種多途徑調節的能力使得miRNA在目前難以治療的疾病領域(如癌症、神經系統疾病)具有巨大的應用前景。
除了藥物,研究者們也在嘗試將miRNA用於腫瘤早篩等疾病預防領域;基於植物miRNA可以進入人體細胞參與調節基因的理論,甚至有不少中醫藥研究者在試圖用miRNA,來解開中藥調節人體機能的奧秘。
正如諾獎委員會官網所說,miRNAs的開創性發現出乎意料,並揭示了基因調控的新維度。在其背後,生命科學,乃至整個科學界,都在向更加複雜的方向發展。
向難治疾病發起挑戰
在生命科學領域,除了AI這樣有力的工具,方向也非常重要。miRNA似乎是一個很好的突破口。它「多對多」的、令諾獎委員會都感到「驚訝」的基因調節機制,可將疾病治療提升到了新的高度。
「這種多重通路的基因調控,稱得上是疾病治療的終極手段了。」鄭維義告訴虎嗅。
從這個意義上講,諾獎也算是在為徹底攻克難治疾病,向生命科學界吹響集結號了。
人類對抗疾病的能力在過去幾十年裏快速達到一個又一個的巔峰,平均壽命翻倍了,但是瓶頸也在顯現——全球已有藥品超過20萬種,但是仍然有超過10000種疾病,約佔所有疾病的90%以上,沒有有效的治療方法。除了罕見病,還有3000多種常見病。
隨着老齡化問題的加深,越來越高發的阿爾茨海默病、帕金森病等神經系統相關疾病,心腦血管等退行性疾病,糖尿病等代謝類疾病,類風濕性關節炎、腫瘤等與免疫相關疾病,都成了令全球各國頭疼的頑疾。
數據顯示,全球範圍內,僅心腦血管疾病每年就會導致1700多萬人死亡;在美國,糖尿病早在2003年每年消耗的醫療費用就超過了千億美元。
這些疾病的發病機制,已經無法用單一靶點解釋。同時,應用傳統新藥研發方式,成功率也降到了2%以下。這一切都指向,生命科學研究,需要有更高效的解決方案出爐。
miRNA的「同族兄弟」siRNA、ASO(反義寡核苷酸,為人工設計的小核酸)等,都已經有至少20種藥物獲批了。這些藥物在很多難治疾病領域實現了零的突破,比如前兩年因為「靈魂砍價」而聲名大噪的諾西那生鈉,就是ASO藥物,它是全球首個SMA(脊髓性肌萎縮症,一種神經肌肉病)治療藥物。
相比之下,miRNA憑藉多目標調節的優勢,被認為更具潛力。如前所述,miRNA不僅與單基因相關的罕見病有關,也與複雜難治的常見病有關,也有調節衰老的作用,有望延長人類的健康生存壽命。
來自:諾獎委員會官網
全球miRNA進入臨床的在研項目也有十幾種,覆蓋癌症、心臟病、乾眼症、亨廷頓病、NASH等疾病。在中國,晶泰科技、米然生物、覓瑞集團等,也在藥物、疾病診斷等方面有所佈局。
不過,miRNA到目前為止還沒有一款藥物獲批,此前還曾有進入二期臨床的項目宣佈終止或暫停。
「miRNA對序列的匹配要求不高,不需要像siRNA那樣完全與目標基因匹配,有同時抑制多個靶基因的可能,但是脫靶風險也會增加。」悅康科創小核酸新藥發現主管楊碩告訴虎嗅。這意味着,相關藥品可能會有更多副作用。此外,「miRNA的修飾技術也是個問題,目前對這塊兒的研究不多。」他說。
小核酸分子雖然可以在細胞內部做很多事情,但是它本身非常脆弱。有研究顯示,未經修飾的小核酸分子,最多10分鐘就會被血液核酸酶降解乾淨,還面臨免疫系統的攻擊。
除了用上遞送系統這個「宇宙飛船」,給小核酸分子做修飾,就相當於給它們穿上「隱身衣」。這一策略在新冠mRNA疫苗中已經驗證了,美國科學家卡塔林·卡里科和德魯·魏斯曼還因其在mRNA修飾方面的貢獻,獲得了去年的諾貝爾生理學或醫學獎。
楊碩認為,miRNA領域研究遲遲沒有突破,也與當前研究動力不足有關。「主要是siRNA目前的抑制效率已經很高了,大家可能沒有動力去研究miRNA。」
雖然不像mRNA疫苗那樣家喻戶曉,siRNA也是小核酸藥物領域的「當紅炸子雞」。據統計,小核酸藥物總市場規模在2022年就已有約38億美元,預計今年可以達到82億美元。其中,siRNA在2018年到2023年短短6年間市場規模增長了132倍以上,預計2024年可達30億美元。
而miRNA的開發前景和商業化前景還不清晰,確實難有競爭力。
在諾獎頻繁爆冷背後,科學界低垂的果實已被採摘,單靠人力再難有新的突破,範式革命呼之欲出。
比如,在生命科學領域,抗體藥的研發,從針對單一靶點的單抗藥,正在向針對多靶點的雙抗、三抗、四抗藥物滲透,甚至展現出了比單抗更好的治療潛力。不過,這也使藥物研發難度呈幾何級升高,催生了AI+製藥技術的快速發展。
可以看到,繼賽諾菲宣佈「All-in-AI」後,阿斯利康、禮來、強生都在積極與AI公司合作。AI對分子的預測也從單純的蛋白質結構的預測,發展到了對蛋白質與核酸等小分子組成的複合體結構的預測,進而實現對miRNA等化合物結構的預測、篩選。
這一次,前瞻性的諾獎把「冷落」多年的miRNA,重新推到了全球研究者、企業家、投資者的面前,也是在向業界發出「英雄帖」——能夠通過修復基因來達到治癒疾病甚至人類延長健康壽命者,將是新的藥物研發模式的開創者,也將是搶佔未來先機的真正贏家。