从无人问津到淘金热--微RNA研究简史

今天师兄Charles推荐了2008年Lasker Basic Medical Research Award得主之一Victor Ambros的一篇文章:

Ambros, V. (2008). The evolution of our thinking about microRNAs Nature Medicine, 14 (10), 1036-1040 DOI: 10.1038/nm1008-1036

题外话一下，Lasker Award是诺贝尔奖的摇篮，50%的Lasker奖得主都获得了诺贝尔奖，可见Ambros有多牛，微RNA有多么重要。

Victor Ambros是微RNA (microRNA) 的发现者之一。微RNA （又译作小分子RNA），是在动物和植物体内广泛存在的大约由20-25个核苷酸组成的单链RNA，现在已知的作用是在转录后调控基因表达。

而在1993年Victor Ambros等人在线虫中首次克隆出第一个微RNA lin-4 之前，我们根本不知道这种小分子的存在。

早在1989年，Victor就发现线虫 ( C. elegans) 中有个基因 lin-4 抑制另一个基因 lin-14，他们知道 lin-14表达一种调控发育的蛋白质，于是他们认为 lin-4 应该也表达一种调控蛋白质，因为基因转录成RNA并翻译成蛋白质是当时认为的公理。1993年，Victor的学生 Rosalind Lee 和 Phonda Feinbaum 克隆出了 lin-4，却发现这个基因非常小，而且这个基因的产物不是蛋白质，而是一个长度只有22个核苷酸的小RNA。它是由单链的RNA分子产生，这个分子的一端折回来形成不完全的互补配对（下图），人称发卡结构，因为长的像发卡嘛，现在我们称之为前体微RNA (pre-miRNA)，因为微RNA就是由这个大一点的RNA分子加工产生的（下图中深蓝色或红色的那段）。

与此同时，Gary Ruvkun（2008年Lasker奖另外一个得主）的实验室发现 lin-14，就是lin-4抑制表达的那个基因的3’端非翻译区 (3’ UTR) 对 lin-4 的功能是很重要的，如果破坏了这段区域，lin-4就不再抑制 lin-14。Gary和Victor继而发现，lin-14 的 3’ UTR 与lin-4是部分互补配对的，于是lin-4可以通过碱基间氢键的作用与 lin-14 结合，进而抑制 lin-14 （下图，注意这里 lin-4的序列要从右往左看）。

于是大家欣喜的认为他们发现了一类新的RNA，于是他们就在线虫的近亲里面寻找 lin-4和lin-14的同源基因，结果非常令人失望，他们啥也没找到。于是Victor觉得，也许lin-4的存在仅仅是线虫偶然进化出来的特例。十几年前，生物学家已经有了很好的模型解释基因调控，就是其他基因表达的蛋白质产物是调控因子，他们并不需要微RNA来解释这一切。于是在2000年以前，对微RNA的研究停滞不前。

终于到了2000年，Gary Ruvkun的实验室发现了线虫中的第2个微RNA let-7。和lin-4很相似，let-7长度是21个核苷酸，也是由发卡结构的前体RNA产生，然后与它调控的和发育相关的基因 lin-41 的mRNA部分互补 （下图红色）。

两种不同的微RNA的存在似乎表明，微RNA可能真的在生物界广泛存在。确实，Gary和同事们很快发现，let-7在许多动物物种内都存在，而且序列完全一样。下图是 lin-4 和 let-7 在不同物种间序列的比较。可以看出线虫的 lin-4和其他物种的 lin-4 （由于差异太大，名字都改成别的了，叫 miR-125） 序列间的差异很大（22个核苷酸里有3个不同），而 let-7的序列，从线虫到果蝇到小鼠到人，都是一样的（除了末尾那个）。

于是 Gary和Victor就着手寻找线虫中的其他微RNA。Victor在文章中回忆说，他们天真的以为只有他们在做微RNA的研究，因为这么多年以来，没有其他人对此感兴趣。一次有关线虫的会议上，他听到传言说 David Bartel（偶老板的老板耶） 在克隆线虫的微RNA，也没放心上，只想了下:”Bartel？…他根本不是搞线虫的” (言下之意，这是哪里的无名小卒啊）。

于是Victor和Rosalind不紧不慢的寻找微RNA中，基本上一天就能发现一个新的，他正自我陶醉时，Science杂志让他审阅 Tom Tuschl实验室的一篇投稿。那是2001年8月6日星期一，他“恐怖地”（原文如是说。。）发现，那篇手稿报道了果蝇和人中发现的微RNA！于是他周二一大早向Cell杂志预投递了他们的研究概要，说明他们发现了线虫中更多的微RNA，结果Cell没有向他们投出橄榄枝。于是周二下午，他们询问Science是否可以接收他们的研究。Science的编辑说，没问题，只要你们周五前把手稿提交就行，另外，这位编辑说，David Bartel也投了一篇内容相近的手稿。Victor默念，啊，那个Bartel ! (估计他悔不当初吧） 于是接下来的 60个小时，Victor和Rosalind不眠不休，补实验，写初稿（对的，初稿啊！），终于他们的论文和Tuschl、Bartel的另外两篇文章同时被接受了。不过，Victor写道，所有的审稿人都说，他们的手稿写得实在太烂了！

（如果你没当过烟酒僧这段可能难以理解，不过在科学界，如果你的论文发表在同类研究之后，就不被认为有原创性，影响力就大大降低了）。

从此，微RNA的研究一发不可收拾，从无人问津迅速变成了遍地是黄金。科学家陆续发现许多微RNA都存在于多个物种，说明他们的起源很古老。在动物中，微RNA通常可以调控数十个基因，等等等等 (有机会我再专文论述哈）。现在基本上平均每天有一篇关于微RNA的研究论文问世，但是关微RNA仍然有很多未解之谜。比如： 动物中，微RNA通常仅通过6-7个核苷酸与被调控基因作用，但是并不是所有具有与这段序列互补的序列的基因都被调控。那么，还有什么其他因素决定微RNA到底调控哪些基因？

Victor说，也许仍然需要许多年才能解答关于微RNA详细作用机制的问题，但是相信问题的答案将会很有价值。（我补充下，因为现在已知很多微RNA都与癌症的产生有关，于是微RNA的作用机制对理解癌症的机制也会有帮助，也许这也是为什么Victor获得了Lasker基础医学研究奖）。