编者按
为了更好地满足读者对优秀期刊文章的需求，本刊微信公众号择优推送当期文章，持续推送，敬请关注!
本刊2024年第11期刊发的《解码细胞隐藏的生命调节信息——微小 RNA 的研究进展》一文，介绍的miRNA的产生途径、发现过程、作用机制、在疾病治疗中的应用等，本期荐读。
解码细胞隐藏的生命调节信息
——微小 RNA 的研究进展
丁萌萌 韩佳轩 孟心语 沈世雄 刘媛 初明 张鑫 王月丹
微小 RNA（miRNA）是细胞内由内源性基因组序列编码产生的短 RNA 序列，可通过互补配对与靶基因的启动子、增强子等结构结合，在转录及转录后调节靶基因的表达及其编码的蛋白质分子在细胞内的含量，具有调节细胞增殖、分化和凋亡等重要生命活动的功能，并且与多种人类疾病的发生、发展密切相关，可用于这些疾病的诊断与治疗。2 位科学家 Victor Ambros 和 Gary Ruvkun 因在 miRNA 方面的开创性研究工作获得了 2024 年诺贝尔生理 学或医学奖。
微小核糖核酸 细胞 基因表达 发育调控 诺贝尔奖
2024 年 10 月 7 日，瑞典卡罗琳医学院诺贝尔奖评选委员会宣布，将 2024 年诺贝尔生理学或医学奖授予 Victor Ambros（下文简称 Ambros）和 Gary Ruvkun（下文简称 Ruvkun）这２位科学家，以表彰他们在微小RNA（microRNA，miRNA）研究中的开创性工作。
细胞是组成生命体的基本单位。对同一个体而言，每个细胞都具有相同的基因组核酸分子，但细胞往往具有自己独特的生理特征（包括形态学和功能学），这种独特的生理特征是由基因表达所决定的。过去，人们一直认为，蛋白质是调控基因表达的主要分子（如染色体蛋白及转录调控因子等），Ambros 和 Ruvkun 开创性地提出 miRNA 在基因转录后发挥重要的调控作用并揭示了相应的分子机制。他们的工作极大推动了人们对生命现象和疾病的认识，在生物医学领域中得到了广泛的关注，涉及的疾病从阿尔茨海默病、恶性肿瘤到自身免疫病、骨质疏松，再到心血管疾病和糖尿病等。因此，他们获得了诺贝尔奖，这也是 RNA 领域的研究连续 2 年获得诺贝尔奖（2023年的诺贝尔生理学或医学奖授予 了 mRNA 疫苗的研究）。
miRNA 是一类由细胞基因组中内源性基因编码的单链非编码小 RNA 分子，长度约为 22 个核苷酸，能够通过结合 Argonaute（AGO）蛋白分子，形成 miRNA 诱导的沉默复合体（miRNA-induced silencing complex, miRISC）。该复合体能够作用于靶基因，从而分别在转录和转录后调节相应基因的表达。miRNA 是重要的调控分子, 几乎参与细胞每一个生命过程，包括细胞的生长、增殖、分化和信号转导等。除此之外，miRNA 还参与机体整 体水平的生理活动调节。
在细胞内，miRNA 的产生主要有 3 种方式：经典途径、非经典途径和其他途径。其中，miRNA 产生的经典途径主要包括 3 个 步骤：1）细胞基因组中的外显子或者内含子序列主要在 RNA 聚合酶Ⅱ 的作用下转录生成原 miRNA（pri-miRNA），pri-miRNA 的结构与 mRNA 类似，含有 5′帽子结构和多聚腺苷酸（ployA）尾巴。2）pri-miRNA 被细胞内的微处理元件（microprocessor）切割为一个具有发卡结构的 3′端比 5′端 多出 2 个核苷酸的长度约为 60~70 个核苷酸的RNA，即前 miRNA（pre-miRNA）。3）核酸内切酶 （RNase Ⅲ）与 pre-miRNA 的 3′突出部分及 5′端磷酸基团结合，继而切割掉 pre-miRNA 发卡结构中的颈环，从而形成双链的 miRNA。4） AGO 蛋白在伴侣分子 HSP70/90 的作用下，发生构象变化，变为能与 RNA 结合的状态，结合新产生的双链 miRNA。当 AGO 蛋白恢复原有构象时，则会释放双链 miRNA 中的一条，这条被释放 的 miRNA 链被称为过客链（passenger strand），会很快在细胞内被降解，留在 AGO 中的另一条 miRNA 就是成熟的 miRNA，也被称为引导链 （guide strand），其与 AGO 形成 miRISC 复合体，在细胞内发挥作用。miRNA 产生的经典途径及其作用机制见图 1。人体内的核酸内切酶活性受到 TAR RNA 结合蛋白（TAR RNA-binding protein，TRBP）和干扰素诱导蛋白激酶（PKR activating protein，PACT）多种因子的调控，而线虫中该酶的活性则由伴侣蛋白 Loqs（loqua‐ cious）-PB分子调节。
经典途径是细胞内大多数 miRNA 产生的主要方式，但是在植物、哺乳动物、鸟类和无脊椎动物中，如黑腹果蝇和秀丽隐杆线虫体内，还存在着一种被称为 mirtron（miRNA 的亚型）途径的非经典 miRNA 产生方式。
除了上述产生途径之外，miRNA 还可以通过其他方式产生，如一些短的 pre-miRNA 不需要内切酶的作用而直接与 AGO 结合，并在 AGO 的切割作用下直接形成成熟的 miRNA。此外，有些非编码 RNA 或者转运 RNA 也可在内切酶的作用下，生成 miRNA。不过，在细胞内可能存在着迄今为止人们还未发现和阐明的miRNA产生途径，miRNA 的产生途径依然值得去探索和阐明。
生物的遗传信息储存在基因组中，在生命活动中生命信息要按照“DNA-RNA-蛋白质”的顺 序形成生命活动的信息流。每一个细胞都只有 一套基因组 DNA 序列，但不同的细胞类型可以表现出千差万别的形态与功能学表型，这就需要储存在 DNA 分子中的遗传信息按照特定的调控方式进行表达，这样细胞才可以产生神经细胞、肌肉细胞、黏膜细胞等不同的细胞类型。
20 世纪 60 年代，人们发现一种被称为转录因子的蛋白质可以结合 DNA 分子，从而调节基因的转录表达过程。之后，人们先后发现了上千种转录因子。所以长期以来，人们普遍认为，只有蛋 白质分子具有调节细胞基因表达的作用。然而 Ambros 和 Ruvkun 在线虫中的研究，打破了这个传统的观点。
20 世纪 80 年代后期，Ambros 和 Ruvkun 在麻省理工学院 Robert Horvitz 教授的实验室从事博士后研究。Horvitz 教授是研究线虫这种模式动物的著名生物学家，曾经因为发现细胞程序性 死亡的遗传调控机制而获得 2002 年诺贝尔生理学或医学奖。在 Horvitz 实验室的研究中，Ambros 和 Ruvkun 发现秀丽隐杆线虫的生长发育过程， 是由 2 个分别被称为 lin-4 和 lin-14 的基因所调控的。他们在随后的研究中发现，在线虫发育的早期，lin-14 基因所编码蛋白质的表达水平很高，决定着线虫发育早期的表型，之后随着线虫的发育，其 lin-4 基因可在关键的时间点启动表 达，同时 lin-14 基因的表达会下调，线虫的表型进入发育的后期成熟阶段（图 2）。当线虫的 lin- 4 基因发生突变时，lin-14 的表达水平不会降低，而线虫的发育也只能停留在早期阶段而无法进 入后期的成熟阶段；同样，如果 lin-14 基因发生突变，lin-14 蛋白的表达就会出现缺失，而线虫则会跳过早期的发育阶段，直接进入发育后期。
Ambros 和 Ruvkun 的工作，对于揭示不同类型细胞发育的机制，具有极为重要的意义，他们开创性地揭示了细胞中非蛋白质介导的一种全新的基因调控机制。有关 miRNA 的研究也因此 成为生物医学领域中最为热点的课题之一。截至目前，我国 CNKI 数据库中以“miRNA”为主题的文献数量达到了 8.36 万篇，在 PubMed 数据库中以“miRNA”为关键词的文献数量超过了 17.6 万篇。这充分体现了科学界对于 miRNA 的发现及其机制研究工作的广泛认可。
miRNA 如何在细胞内发挥调节基因表达的作用？这主要包括 miRNA 对基因转录水平的调控和对细胞内多种 RNA 水平的调节两大类作用。miRNA 可在细胞内调节基因的转录。一方面，具有激活 DNA 转录为 mRNA 的作用。miRNA 可以结合靶基因的启动子区并诱导和激活靶基因的表达，也可以通过碱基互补配对与靶基因的增强子序列结合继而增加靶基因的表达；另一方面，miRNA 也可以通过基因沉默的方式，抑制靶基因的转录。miRNA 可以与靶基因启动子区域结合形成杂交体，从而阻碍 RNA 聚合酶 I 与启动子序列的结合，抑制靶基因的转录，导致基因沉默。在基因沉默过程中，miRNA 与靶基因的关系并不是一一对应的，一种 miRNA 分子可以调控多种靶基因的转录，而同一个靶基因也可能同时受到多种 miRNA 的调控。
在很多情况下，miRNA 调控基因表达的方式是对细胞内的 mRNA、环状 RNA、长非编码 RNA （lncRNA）以及 miRNA 自身的前体 pre-miRNA 进行加工和稳定性的调节，从而调节细胞内的基因表达。
环状 RNA 是一种 3′端和 5′端共价结合连接成环的 RNA 分子，这种环状结构缺乏游离的末端，不会被核酸外切酶结合并降解，这使其比相应的线性 RNA 分子更加稳定。在细胞内，环状 RNA 分子的主要作用是能够吸附 miRNA，从而抑制 miRNA 对靶基因的调控作用。miRNA 则可 以通过碱基互补配对作用与环状 RNA 结合，并借助 AGO 的作用，将环状 RNA 降解，从而调控细胞内环状 RNA 的水平，继而调节靶基因的表达。miRNA 还可介导对 lncRNA 的剪切。lncRNA 是细胞内长度超过 200 个碱基的长链非编码 RNA，其功能与环状 RNA 类似，都具有吸附 miRNA 的作用，可通过与 miRNA 的吸附结合，调节细胞内 miRNA 的含量继而发挥调控细胞基因表达的功能。而 miRNA 亦可通过 AGO2 依赖的作用方式将 lncRNA 降解，从而调节细 胞 内 lncRNA 的 含量，最终调节蛋白质分子含量，这与 miRNA 调节环状 RNA 的作用是类似的。
人体是由不同的细胞组成的，人体的疾病归根结底是细胞的疾病，因此，人体的健康与否与细胞基因调控的正常与否密切相关。在人体内，各种基因的表达会受到精准的调控，使细胞能够执行正常的生理功能，保持健康的状态，一旦出现异常，就可能导致各种疾病的发生。miRNA 具有非常重要的基因调控功能，因此，在人体疾病发生、发展过程中具有非常重要的作用，同时也可以作为人体各种疾病诊断和治疗的指标或者靶点。
miRNA 可以通过调节细胞内癌基因与抑癌基因的表达，使细胞进行正常的增殖、分化和凋亡等生命活动。当 miRNA 的含量或者功能出现异常时，可能会导致癌基因与抑癌基因表达的失衡 ，从而使细胞出现分化障碍，增殖失去控制，形成恶性肿瘤。研究表明，肺癌、肝癌、胰腺癌、乳腺癌、膀胱癌等恶性肿瘤发病或者 进 展 中 ，都 有 miRNA 的 异 常 或 者 miRNA 的介导作用。通过检测异常的 miRNA 表达，不仅能够揭示肿瘤细胞产生的机制，也可用于恶性肿瘤的诊断与预后。很多研究在探讨基于 miRNA 的 肿瘤治疗方法。
此外，miRNA 还可以调控细胞内疼痛相关基因以及细胞生长调节基因的表达，从而调节炎症等因素引起的慢性疼痛，以及人体的生长与智力发育障碍等。因此，对 miRNA 的研究也有助于对这些非健康状态的认识，从而进一步开发能够缓解疼痛、促进身体及智力发育的方法，延长人们的寿命和提高生活质量。
miRNA 是调控细胞基因表达的重要分子，可以调节细胞的生长、增殖、分化及凋亡等生命过程，与恶性肿瘤、代谢性疾病、自身免疫病、心血管疾病、神经疾病以及感染性疾病等密切相关。随着对 miRNA 的研究，越来越多的 miRNA 及其作用的靶基因分子被发现，而 miRNA 的产生、调节等研究也取得了很大的进展。虽然学术界已经积累了数以万计的研究文献，但在临床治疗疾病 和健康管理中基于 miRNA 的应用性产品数量还不多，与 miRNA 研究文献的数量并不匹配，这说明 miRNA 的研究和应用还有很大的空间。
从数量众多的 miRNA 及其调控的靶基因中，寻找特定疾病相关的 miRNA 并研发相应的治疗方法，是一项非常艰巨的任务。随着人工智能（AI）技术不断发展，人们拥有了越来越多的 miRNA 调控基因的分析工具，AI 在生命科学研究中的应用也在不断扩大。在 2024 年的诺贝尔奖中，物理学奖颁发给了神经网络的研究和应用，而化学奖颁发给了 AI 蛋白质研究工具 Alphafold 的研发，这都是 AI 与生命科学研究的交叉融合。因此，随着 AI 技术在 miRNA 及其功能研究中的不断应用，必将推动 miRNA 在人类疾病治疗和健康维护中的研究不断走向深入， 从而不断提高人类的健康水平和生活质量。
本次推送仅节选了文章部分内容，全文阅读详见本刊2024年第11期。欢迎订购！