2024年诺贝尔医学奖颁给了表观遗传microRNA

2024 年诺贝尔生理学或医学奖颁给了维克多·安布罗斯和加里·鲁夫昆,以表彰他们开创性地发现了MicroRNA 及其在转录后基因调控中的关键作用。这一表彰凸显了基因活性调控的基本原理,这对于包括人类在内的多细胞生物的发育和功能至关重要。

背景上下文:
基因活动流程:

  • 指令下达:遗传信息通过转录过程从 DNA 流向信使 RNA (mRNA),然后流向细胞机制进行蛋白质生产。
  • 制造蛋白质:mRNA 被翻译,根据 DNA 中存储的遗传指令制造蛋白质。
我们的器官和组织由许多不同类型的细胞组成,所有细胞的 DNA 中都存储着相同的遗传信息。然而,这些不同的细胞表达着独特的蛋白质组。

这是怎么可能的呢?因为DNA中遗传信息是一样的,根据这些信息制造的蛋白质也应该一样,DNA遗传信息是图纸,蛋白质是根据图纸制造的。

答案在于基因活动的精确调节,以便只有正确的基因组在每种特定身份的细胞类型中活跃。这样指示不同细胞扮演不同的角色,皮肤细胞做皮肤,心脏细胞做细胞。这使得肌肉细胞、肠细胞和不同类型的神经细胞能够发挥其专门的功能。

此外,必须不断微调基因活动,以使细胞功能适应我们身体和上下文环境的变化。每个细胞明白了自己的身份,也还要知道自己所处的上下文环境。

20 世纪 60 年代,人们发现一种称为转录因子的特殊蛋白质可以与 DNA 中的特定区域结合,并通过决定产生哪些 mRNA 来控制遗传信息的流动。

从那时起,人们已经鉴定出数千种转录因子,长期以来人们认为基因调控的主要原理已经得到解决。

然而,1993 年,今年的诺贝尔奖得主发表了意想不到的发现,描述了一种新的基因调控水平,这种水平被证明具有非常重要的意义,并且在整个进化过程中都得到了保留。

MicroRNA是一种异常短的 RNA 分子,该分子缺乏蛋白质生产代码,它的身份不是负责蛋白质生产,而是作为调控者,是管理干部,不是干活的。

 microRNA 通过与其 mRNA 中的互补序列结合来阻止蛋白质的产生。
这是一票否决权吗?

一种由一种以前未知的 RNA 类型 microRNA 介导的基因调控新原理被发现了!该研究结果于 1993 年以两篇文章的形式发表在《细胞》杂志上。

MicroRNA的发现及其意义
Ambros 和 Ruvkun 的研究重点是,尽管拥有相同的遗传信息,但不同类型的细胞如何表达独特的蛋白质组。这种分化是通过精确的基因调控实现的,这使得细胞能够只激活其特定功能所需的相关基因。

他们的研究揭示了微小 RNA 分子在这一调控过程中发挥着至关重要的作用,这标志着我们对遗传学理解的重大进步。

什么是MicroRNA
MicroRNA(miRNA)是一类小的非编码RNA分子,通常长约21到23个核苷酸。它们在基因表达调控中发挥重要作用,通过与信使RNA的互补结合,抑制mRNA的翻译或导致其降解。

miRNA参与多种生物过程,包括细胞增殖、分化和凋亡,并与多种疾病(如癌症、心血管疾病和神经系统疾病)密切相关。

在表观遗传学中,miRNA可以通过影响基因表达而不改变DNA序列,从而调节表观遗传状态。它们的表达受到环境因素和细胞状态的影响,这使得miRNA在细胞适应和响应环境变化方面起到关键作用。

要点:

  • 基因调控机制:这一发现表明,微小RNA在转录后阶段调控基因表达,通过与信使RNA(mRNA)结合来抑制蛋白质的产生。
  • 进化重要性:microRNA 机制在许多物种中都是保守的,表明其在复杂生命形式进化中发挥着重要作用。
  • 健康影响:microRNA 调控异常与各种疾病有关,包括癌症和遗传疾病。

对小蠕虫的研究带来了重大突破
获奖者利用模型生物秀丽隐杆线虫(一种小型蛔虫)进行了开创性研究。他们的初步研究成果发表于 1993 年,描述了 lin-4 microRNA 如何抑制 lin-14 基因,从而为基因调控带来了新的认识。最初,microRNA 被认为是仅限于秀丽隐杆线虫的一项特殊发现。

当时,科学界对发表的研究结果几乎保持了沉默。尽管研究结果很有趣,但这种不寻常的基因调控机制被认为是秀丽隐杆线虫的特殊之处,可能与人类和其他更复杂的动物无关。

这种看法在 2000 年发生了改变,当时 Ruvkun 研究小组发表了他们发现的另一种由 let-7 基因编码的 microRNA。与 lin-4 不同,let-7 基因高度保守,存在于整个动物界。这篇文章引起了人们的极大兴趣,在随后的几年里,人们发现了数百种不同的 microRNA。

现在已知人类基因组编码了超过一千个 microRNA。他们的惊人发现揭示了基因调控的一个全新维度。事实证明,microRNA 对生物体的发育和功能至关重要。

除了绘制新的 microRNA 外,多个研究小组的实验还阐明了 microRNA 的产生机制,以及它们如何被递送到受调控 mRNA 中的互补靶序列。

microRNA 的结合会导致蛋白质合成受抑制或 mRNA 降解。

有趣的是,单个 microRNA 可以调控许多不同基因的表达,反过来,单个基因也可以受多个 microRNA 调控,从而协调和微调整个基因网络。

产生功能性 microRNA 的细胞机制也用于在植物和动物中产生其他小 RNA 分子,例如作为保护植物免受病毒感染的手段。2006年诺贝尔奖获得者Andrew Z. Fire和Craig C. Mello描述了 RNA 干扰,即通过向细胞中添加双链 RNA 来灭活特定的 mRNA 分子。


具有重要生理意义的微小RNA
microRNA 基因调控机制最早由 Ambros 和 Ruvkun 发现,已经存在了数亿年。这一机制使得越来越复杂的生物得以进化。我们从基因研究中得知,没有microRNA ,细胞和组织就无法正常发育。microRNA 的异常调控可能导致癌症,人类已发现编码microRNA 的基因发生突变,导致先天性听力丧失、眼部和骨骼疾病等疾病。

microRNA 生成所需的一种蛋白质发生突变会导致 DICER1 综合征,这是一种罕见但严重的综合征,与各种器官和组织的癌症有关。

获奖者
维克多·安布罗斯于 1953 年出生于美国新罕布什尔州汉诺威。1979 年,他获得麻省理工学院 (MIT) 博士学位,并于 1979 年至 1985 年期间从事博士后研究。1985 年,他成为哈佛大学 首席研究员。1992 年至 2007 年,他担任达特茅斯医学院教授,​​现担任马萨诸塞州伍斯特市马萨诸塞大学医学院 Silverman 自然科学教授。

加里·鲁夫昆1952 年出生于美国加利福尼亚州伯克利。1982 年获得哈佛大学博士学位。1982 年至 1985 年,他在马萨诸塞州剑桥市的麻省理工学院 (MIT) 担任博士后研究员。1985 年,他成为麻省总医院和哈佛医学院的首席研究员,现为哈佛医学院遗传学教授。

microRNA与NAD+
微小RNA(miRNA)在调节NAD+生物合成途径和sirtuins活性方面发挥着重要作用,sirtuins是NAD+依赖性的脱乙酰酶,参与包括衰老和新陈代谢在内的各种细胞过程。

NAMPT 监管:
烟酰胺磷酸核糖转移酶 (NAMPT)是 NAD+ 补救途径中的限速酶。多项研究表明,特定 miRNA 可以直接靶向 NAMPT,从而影响 NAD+ 水平。

例如,miR-34a已被证明可通过靶向 NAMPT 来降低 NAD+ 水平,从而导致 SIRT1 活性降低。这种关系凸显了肥胖等情况下 miR-34a 水平升高如何损害 NAD+ 生物合成,进而影响 sirtuin 功能。

特定 miRNA(如miR-182-5p和miR-146a)可直接靶向 NAMPT,从而降低这种关键酶的表达。例如,miR-182-5p 的下调可通过增强 NAMPT 表达来促进 NAD+ 合成,从而支持结直肠癌细胞的细胞增殖。

相反,miR-146a 通过与 NAMPT 的 3' 非翻译区 (UTR) 结合来负向调节 NAMPT,导致 NAD+ 水平降低和 sirtuin 活性受损,这种抑制会阻碍 sirtuins 介导的抗衰老作用,因为 NAD+ 对其酶活性至关重要。


AMPK 通路:
AMP活化蛋白激酶 (AMPK)通路对于调节细胞能量稳态至关重要,并且与通过 NAMPT 激活 NAD+ 合成有关。

当AMPK被激活时,它可以抑制miR-146a,导致NAMPT表达增加和NAD+水平升高、以及增强 sirtuin 活性

NMN(烟酰胺单核苷酸)是 NAD+ 的直接前体,也受 miRNA 调控的影响。NMN 转化为 NAD+ 涉及 NAMPT;因此,miRNA 对 NAMPT 的任何调节都会直接影响该转化过程的效率

NAMPT限速酶与补剂
萝卜硫素的作用:激活 NAMPT:最近的研究表明,十字花科蔬菜中的一种化合物萝卜硫素可以激活 NAMPT。这种激活可以增强 NAD+ 挽救途径,从而提高细胞中的 NAD+ 水平

α-硫辛酸(Alpha Lipoic Acid:ALA):

  • ALA 可以提高细胞内的 NAD+/NADH 比率。这种转变意义重大,因为较高的 NAD+ 水平可以刺激 NAMPT 活性,促进烟酰胺转化为烟酰胺单核苷酸 (NMN),后者是 NAD+ 的前体。
  • ALA 激活 AMPK 的能力可能会抑制 miR-146a 水平,从而增加 NAMPT 表达并提高 NAD+ 水平

总结
说明人的疾病和寿命不只是与基因有关,不只是和父母基因有关,还和自身环境和饮食方式有关

也说明可以通过服用补剂方式来调控健康是可行的,不能把一切归于父母的基因了。