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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)。

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