2024年诺贝尔生理学或医学奖微小RNA,让我们重新认识RNA的功能
- boke
- 2024-10-30
- 3:34 下午
2024年10月7日诺贝尔生理学或医学奖授予两位美国科学家维克托·安布罗斯(Victor Ambros)和加里·鲁夫昆(Gary Ruvkun)。这两位学者发现了微小RNA(microRNA)及其在转录后基因调控中的作用,他们的发现让我们对基因调控有了全新的认识,揭示了一种全新的基因调控原理。诺贝尔奖官方解释,mircroRNA基因调控机制已经存在了数亿年,现在人类基因组已经编码超过了1000个microRNA,事实证明了microRNA对生物体的发育和功能具有根本性的重要作用。

在20世纪60年代,科学家们就发现了转录因子可以结合到DNA的特定区域,通过决定产生哪些mRNA(信使RNA)来控制遗传信息的流动。从那时起,数千种转录因子的鉴定被发现,在很长一段时间内人们认为基因调控的主要原理已经被解决。然而,1993年,今年的诺贝尔奖两位得主发表了意想不到的发现,论文发表在1993年《细胞》杂志的两篇文章中,论述了一个新的基因调控机制,一种以前未知的微小RNA介导的新的基因调控原理!但这一发现当时并没有多大的影响力,科学界认为这种不寻常的基因调控机制被认为是模式生物秀丽线虫的一个特性,可能与人类和其他更复杂的动物无关。极大反响来自2000年鲁夫昆的研究小组发现microRNA的基因调控作用实际上普遍存在于整个生物界。在接下来的几年里,数百种不同的microRNA被鉴定出来。今天,我们知道人类体内有超过一千种不同的microRNA。

遗传信息从DNA到mRNA到蛋白质的流动。相同的遗传信息储存在我们体内所有细胞的DNA中。这需要对基因活动进行精确的调控,以便在每个特定的细胞类型中只有正确的基因组是活跃的。
©诺贝尔生理学或医学委员会
生命中心法则
1958年,DNA双螺旋结构的发现者之一弗朗西斯·克里克(Francis Crick)最早提出了中心法则,如今,中心法则已经成为生命科学最重要、最基本的规律。中心法则解析了遗传信息的流动方向:DNA→DNA(DNA的自我复制),DNA→RNA(转录),RNA→蛋白质(翻译)。地球上的绝大部分生命都遵循这一规律,而对于RNA病毒,它们一部分存在着RNA→RNA(RNA的自我复制),RNA病毒中的逆转录病毒,则存在着RNA→DNA(逆转录)。

简单来说,中心法则包含了转录和翻译这两个核心过程。首先在转录过程中,DNA中储存的信息复制到信使RNA(mRNA)中;接下来的翻译过程中,根据mRNA的指令,核糖体将一个个氨基酸分子合成肽链,并完成蛋白质的组装。遗传信息从自我复制的 DNA 到 RNA 以及从 RNA 到蛋白质的流动。2021年,Science Advances 上发表了题为:Polθ reverse transcribes RNA and promotes RNA-templated DNA repair 的研究论文。该研究发现,人类的 DNA聚合酶 θ(Polθ)能够高效地将 RNA 信息编写为 DNA ,这一发现挑战了生命科学的基本定律—中心法则,这意味着人类细胞中存在着由 Polθ 介导的从 RNA 到 DNA 的遗传信息的逆向流动。分子生物学的研究还在进行,生命的奥秘还将持续探索。
神奇的RNA家族
RNA全称核糖核酸,由核糖核苷酸经磷酸二酯键缩合而成长链状分子。一个核糖核苷酸分子由磷酸,核糖,碱基构成。RNA的碱基主要有4种,即A腺嘌呤、G鸟嘌呤、C胞嘧啶、U尿嘧啶,其中U(尿嘧啶,Uracil)取代了DNA中的T。而这个U就像桥梁一样联系着DNA和RNA,传递信息。RNA作为DNA和蛋白质之间传递信息的桥梁,可以催化化学反应。细胞中核糖体是合成蛋白质的工厂,在几乎所有的细胞中广泛存在;核糖体中合成蛋白质的活性位点由RNA组成,而蛋白质仅在RNA内核外起着结构支撑的作用。
RNA可以分成两大类:编码RNA(protein- coding RNA)和非编码RNA(non-coding RNA,ncRNA)。前者仅有一种,即信使 RNA(messenger RNA,mRNA),而后者包括近20种不同的RNA分子。mRNA的序列中含有所谓开放阅读框(open reading frame,ORF),其中包括蛋白质翻译的启动位点 (start codon)和终止位点(stop codon)。ncRNA没含有ORF,因此不编码蛋白质。mRNA不具备直接的细胞功能,它们通过翻译程序生成蛋白质或者产生ncRNA来行使细胞功能,ncRNA本身就能够发挥各种各样的细胞功能,因此也被称为功能性RNA(functional RNA)。ncRNA归入非编码RNA大家族(ncRNA superfamily),这个大家族的成员可以按照“个头”大小(核苷酸序列长度)分为三个家族(family):小ncRNA或短链ncRNA家族(核苷酸序列长度通常﹤50nt)、中长或中链ncRNA家族(序列长度=50~500nt)和长链ncRNA家族(序列长度﹥500nt)。每个家族又是由若干个亚家族组成,而每个亚家族的成员数目不等,少则几个,多则数千。
一
短链ncRNA家族
高等生物体内存在大量的短链ncRNA,它们组成了细胞中高度复杂的基因调控网络。短链ncRNA在胚胎发生发育、细胞增殖分化、肿瘤发生发展、干细胞分化等细胞水平的几乎所有生命活动中,以及各类人类疾病的发生发展中,都起着极其重要的调控作用。短链ncRNA家族是由微小RNA、小干扰RNA、piRNA、小核RNA和核仁小RNA这些亚家族所组成的,它们各自在生物体中起着不同但又可能互相重叠的基因调控作用。
1.微小RNA(microRNA,miRNA)
成熟的miRNA的序列长度大约为21~25nt,是由其70~90nt长的带有发夹结构的miRNA前体(miRNA precursor,pre-miRNA)经过Dicer酶加工后生成。它们广泛存在于真核生物中,在物种间具有高度的序列保守性,表达具有时序性、组织特异性以及疾病特异性(即特定的miRNA只有在特定的时间、组织或病理状态才会表达)。从第一个miRNA被发现以来,迄今人们已经从206个不同的物种中确认了3万多个miRNAs分子(包括人类基因组中的约5600个miRNAs),而且这个数值还在不断地攀升。据推测,miRNAs调节着至少50%的人类基因。可见,miRNA是当之无愧的ncRNA家族的新贵和“掌门人”,也是本次诺贝尔生理或医学奖的主角。
miRNA通过其种子序列(seed sequence,5′端2~8位碱基)与靶基因(mRNA)3′末端非翻译区(3′UTR)碱基互补并以氢键结合,继而起到抑制基因表达的作用。这种结合会阻止蛋白翻译过程,也可能导致靶mRNA的降解。按其作用模式的不同,miRNAs可被分为三个类型:
①抑制翻译型,以线虫lin-4为代表。发挥作用时与靶基因不完全互补结合,抑制翻译而不影响mRNA的稳定性(不改变mRNA丰度)。这类miRNAs是目前发现最多的一类。
②mRNA降解型,以拟南芥miR-171为代表。其作用方式和功能与siRNA非常类似,发挥作用时与靶标基因完全互补结合,使靶mRNA降解,从而抑制基因表达。这个类型主要存在于植物细胞中。
③全能型,以lethal-7(let-7)为代表。它同时具备以上两种作用模式:当与靶标基因完全互补结合时,直接降解靶mRNA;当与靶基因不完全互补结合时,起着蛋白翻译抑制的作用。研究表明:每个miRNA可以有多个靶基因,而同一个基因亦有可能接受多个miRNAs的调节。这种复杂的调节网络达成了对靶基因的精细调控。
2.小干扰RNA(small/short interference RNA,siRNA)
1999年,Hamilton等在植物基因沉默的研究中首次发现:21~25nt双链RNA(double-stranded RNA)。dsRNA的出现对转基因所导致的基因沉默十分重要,而在转基因正确表达的植株中此dsRNA则不出现。随后,Hammond等在进行细胞提取物核酸酶活性实验时证明了小分子RNA在RNAi(RNA interference)中的作用,这些小分子RNAs就是由dsRNA形成的siRNA。siRNA与靶基因完全互补结合,降解mRNA,从而沉默基因表达,起到诸如抗病毒、基因组染色体结构重塑等作用。
3.piRNA(Piwi-interacting RNA,piRNA)
2006年7月,Nature和Science等杂志几乎同时报道了同一类新型的小ncRNA。它们是从哺乳动物生殖细胞中分离得到的,长度约为30nt,这种小RNA须与Piwi蛋白家族成员结合才能发挥它们的调控作用。piRNA在配子发生过程中起着十分重要的作用,还可以维持生殖系和干细胞功能,并调节mRNA翻译成蛋白质的过程和mRNA的稳定性。
4.小核RNA(small nuclear RNA,snRNA)
snRNA是真核生物转录后加工过程中RNA剪接体(spliceosome)的主要成分,包括5种:
U1,U2,U4,U5和U6。其功能主要是与蛋白因子结合形成小核核糖核蛋白颗粒,行使剪接mRNA的功能,参与mRNA前体的加工过程。snRNA还参与端粒酶RNA的加工过程,与染色体末端的复制有关。另外,snRNA还可能成为反义RNA(antisenseRNA),参与基因表达的调控。
5.核仁小RNA(small nucleolar RNAs,snoRNA)
snoRNA是最早在核仁发现的小RNA。绝大多数snoRNA可归为两类:BoxC/D和BoxH/ACA,它们能够形成保守的“茎-内环-茎”状二级结构。BoxC/DsnoRNA具有指导rRNA、snRNA或tRNA前体中特定核苷2′-O-核糖甲基化修饰的功能;而BoxH/ACAsnoRNA则对RNA的碱基进行甲尿嘧啶化修饰。有的snoRNA参与rRNA前体的加工剪切,调节rRNA的正确折叠和组装。
二
中链ncRNA亚家族
1.转运RNA(transfer RNA;tRNA)
tRNA的主要功能是携带氨基酸进入核糖体,在mRNA指导下合成蛋白质。即以mRNA为模板,将其中具有密码意义的核苷酸顺序翻译成蛋白质中的氨基酸顺序。tRNA还具有其他一些功能,例如,在没有核糖体或其他核酸分子的参与下,携带氨基酸转移至专一的受体分子,以合成细胞膜或细胞壁组分;作为反转录酶引物参与DNA合成;作为某些酶的抑制剂等。此外,有的氨酰-tRNA还能调节氨基酸的生物合成。
2.核糖体RNA(ribosomal RNA,rRNA)
rRNA是细胞中含量最多的RNA种类(约占RNA总量的80%)。rRNA与蛋白质结合成核糖体,其功能是作为mRNA的支架,使mRNA分子在其上展开,实现蛋白质的合成。rRNA单独存在时不执行其功能,它与多种蛋白质结合成核糖体,组装成一个蛋白质生物合成的“装配机”。
3.向导RNA(guide RNA,gRNA)
gRNA存在于真核生物中,由单独的基因转录而成,长度大约是60~80个核苷酸。gRNA的主要功能是参与RNA编辑,这是由其序列的特征所决定的:3′端带有寡聚U尾巴(poly U),中段与被编辑mRNA精确互补,5′端有一锚定序列(anchor)与非编辑的mRNA序列互补。
4.反义RNA(antisense RNA,asRNA)
asRNA是指能够与mRNA及其他RNA互补形成双链RNA分子的一类小ncRNA。由于核糖体不能翻译双链RNA,故asRNA与mRNA特异性的互补结合可抑制该mRNA的翻译。这是原核生物基因表达调控的一种方式,在真核生物中除了能够因互补配对而发生的翻译抑制外,还可以因为互补的双链RNA可被Dicer降解为siRNA,从而进入RNAi途径引起的基因沉默过程。人工合成的asRNA基因被导入细胞后,能够转录成asRNA,抑制特定基因的表达,从而达到阻断该基因功能的目的。
5.转运-信使RNA(transfer-messenger RNA,tmRNA)
tmRNA是具有tRNA样和mRNA样复合功能的RNA分子,广泛存在于细菌中。tmRNA识别翻译或读码有误的核糖体,也识别那些延迟停转的核糖体,介导这些有问题的核糖体的崩解。
6.增强子RNA(enhancer RNA,eRNA)
eRNA是从DNA增强子区域转录的ncRNA分子,序列长度约为50~2000nt。增强子是基因组中对邻近基因表达起着促进或增强作用的DNA序列。eRNA能够提高这些增强子的活性,故而能够促进邻近基因的表达。许多广泛表达的、在细胞基本功能中起着重要作用的基因都处于细胞特异性增强子的调控之下。因此,通过抑制eRNA便可以削弱增强子的活性,其有可能成为人为改变基因表达的一种新策略。
7.信号识别颗粒RNA(signal recognition particle RNA,SRPRNA)
SRPRNA是存在于真核生物细胞质中一种小分子ncRNA和六种蛋白的复合体,此复合体能够识别核糖体上新生肽末端的信号,并与之结合,使肽合成终止,同时,它又能够识别并结合内质网膜上的停泊蛋白,从而将mRNA上的核糖体带到内质网膜上。
三
长链ncRNA亚家族
1.长链ncRNA(long noncoding RNA,lncRNA)
lncRNA序列长度通常﹥200nt,预计在数量上超过miRNA。在分类上大致包括反义lncRNA、内含子lncRNA、长链基因间非编码RNA(lincRNA)、启动子相关lncRNA、非翻译区lncRNA等。lncRNA在序列上保守性较低,只有约12%的lncRNA可在人类之外的其他物种中找到。lncRNA起初被认为是基因组转录的“噪声”,是RNA聚合酶II转录的副产物,不具有生物学功能。但我们现在知道,lncRNA参与了X染色体沉默、基因组印记以及染色质修饰、转录激活、转录干扰和核内运输等多种重要的调控过程。并且在剂量补偿效应、表观遗传调控、细胞周期调控和细胞分化调控等众多生命活动中发挥重要作用。lncRNA通过多种方式产生,并以多种途径调节靶基因表达,参与调控生物体生长、发育、衰老、死亡等过程。目前研究发现,lncRNA功能异常往往导致疾病发生。随着研究的不断深入和新的lncRNA不断被发现,lncRNA的研究将是RNA基因组研究令人注目的一个方向。
2.不均一核RNA(heterogeneous nuclear RNA,hnRNA或pre-mRNA)
hnRNA是存在于真核生物细胞核中的不稳定、大小不均的一组高分子RNA。哺乳动物的hnRNA 平均分子长度为8~10kb,其范围很广泛,从2~14kb均有。hnRNA之所以也被称为pre-mRNA是因为它们往往是真核生物mRNA的前体,即最初转录生成的RNA。
微小RNA(microRNA)在基因表达调控中的作用
1
基因调控:
microRNA不编码蛋白质,而是通过调控其他基因的表达来发挥作用。它们主要在转录后水平上调节基因表达,这意味着它们影响的是mRNA的稳定性和翻译过程,而不是mRNA的合成。
2
作用机制:
microRNA通常与目标mRNA分子的互补序列结合,这通常导致mRNA的降解或者抑制其翻译成蛋白质。这种调控可以减少特定蛋白质的产生,从而影响细胞的行为和功能。
3
多样性:
在多种生物中,包括植物、动物和某些病毒,都发现了microRNA。它们在不同的生物过程中起着重要作用,如发育、细胞分化和疾病发生等。
4
生物学功能:
microRNA参与许多生物学过程,包括细胞增殖、分化、凋亡(程序性细胞死亡)和免疫反应。它们通过调控多个基因的网络,对细胞表型和生物体的生理状态产生广泛影响。

microRNA的发现揭示了基因调控的新维度
©诺贝尔生理学或医学委员会
微小RNA(microRNA)在医疗健康领域中应用前景
没有microRNA,细胞和组织就无法正常发育。microRNA的异常调节会导致癌症,并且在人类中发现了编码microRNA的基因突变,导致心血管疾病、代谢性疾病、免疫系统疾病、肝脏肾脏疾病、先天性听力损失、眼睛和骨骼疾病等等。
因此,microRNA检测在临床上的应用前景是积极和乐观的,它有望在癌症、心脑血管等多种复杂疾病的诊疗指导中发挥重要作用。随着研究的深入和技术的进步,microRNA检测有望成为临床实践中不可或缺的一部分,为疾病诊断和治疗提供了新的策略。
参考资料:
1.诺贝尔生理学或医学委员会
2.中国科学院物理所
3. https://advances.sciencemag.org/content/7/24/eabf1771
4. 非编码微小分子RNA与心脏疾病
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