解读诺贝尔奖：微小RNA如何调控细胞的命运？

整理：深究科学

访谈专家：于文强（复旦大学教授、表观遗传专家）

相同的遗传信息，为何会表现出不同的性状？

说到表观遗传学，这指的是另外一种遗传。比如同样是双胞胎，从他们的遗传角度来讲，应该是一样的。那双胞胎（的遗传物质）应该也是一样的，但其实还是不一样，比如老大或老二，老大的性格往往会内向些，老二性格会外向些。所以这是另外一个问题，从遗传角度讲的话，另外一个就是遗传外的一些因素，这就是表观遗传中非常重要的概念，它是不依赖DNA序列的遗传，或者说是环境因素的改变引起的，最后可遗传的东西，都可能把它归到表观遗传上。

换句话说，我们说的遗传，从遗传角度讲，不同的物种在遗传，同一个物种也有遗传，但是它在DNA序列一样的时候，中间所存在不一样的，其实就是表观遗传，就是环境因素。环境的变化也是会导致遗传性状的不一样，所以这里就牵扯到表观遗传，包括很多调控，包含DNA甲基化、组蛋白的修饰、非编码RNA。在整个生命过程中，可能都非常重要。

比如像那蜂王，有人做这个研究，吃了蜂王浆以后，它的很多组蛋白修饰可能会不太一样，所以导致它们的发育完全不一样。

哪些分子对基因调控起重要作用？

表观遗传是通过环境因素来发挥作用，最后影响我们的表型或性状。

基因的调控，它一定有物质基础，就是它通过什么来发挥作用，所以表观遗传三个方面中，比如DNA甲基化，外界环境变化是可以影响DNA甲基化的变化。今年获诺奖的小RNA，也就是microRNA，其实它最早被发现也就是20多个碱基。这个小分子最早发现的时候，是1993年。当时大家都在做大的基因，谁会想到20多个碱基会有功能或有作用，所以这就是它今年获得诺奖非常重要的意义，也就是它对生命的调控，让大家对RNA的认识更进了一步。

原来大家都在做大的东西时，先发现小的东西也是有作用的。这也是我们经常所说的，是一种非共识的作用。

miRNA能够获诺奖意义重大，在别人都认为大的有作用，他们当时发现小的作用，而且发现这种20多碱基分子具有调控作用，这牵涉到miRNA和表观遗传的关系。当然miRNA和表观遗传之间，其实有两方面，一方面miRNA通过post-transcription作用，就是转录后的一些调控，这是目前转录抑制调控非常重要的东西，通过3’端来抑制作用。我们知道，表观遗传还涉及转录水平的调控。这一块牵涉非常多，比如外界环境是怎么来影响这些基因的表达。

人体有1982个miRNA，有600多个miRNA是在我们的神经系统，但是这里边很多神经系统miRNA研究的并不多。这些miRNA为什么在神经系统？可能是我们神经系统需要学习的有很多东西，比如，你出生之前在妈妈肚子里边，基本上没有光，什么东西都没有，声音也没有。你出来后，要发育很多东西，而这些miRNA可能在我们和外界的感知过程中间，发挥非常重要的作用。这些内容还需要进一步去研究。

所以这也就是今年这个领域获诺奖后，可能具有非常重要意义的原因，然后对miRNA的研究可能有非常强、非常大的促进。实际上，本来它就很重要。

微小RNA如何调控基因的表达？

miRNA从1993年维克多·安布罗斯发表文章的时候，从那第一天起，他当时不仅发现了miRNA，也阐明了它的机制。miRNA在胞浆中通过3’UTR的结合，而这种结合，可以是完全配对，也可以不完全配对。不管怎么样，它最后要么降解已有的RNA，要么就抑制它的翻译，不管怎么样，让这个已有的miRNA没法发挥作用，或者是蛋白翻译，或者让它降解。它是一种负向调控非常重要的作用。

从作用角度讲，miRNA可能在整个细胞命运转换中有很多非常重要作用。我们知道很多miRNA有组织特异性，比如肝有肝的miRNA，肺有肺的。换句话，很多组织特性的miRNA，就是某种组织有特性的miRNA存在。为什么是这样子？其实我们认为，这些miRNA在维持这些细胞身份或细胞状态。

一个细胞同时会身份转化，比如说，正常细胞会变成肿瘤细胞。我们经常听到叫EMT，就是上皮细胞和间中细胞转化，是肿瘤发生性非常重要的原因。我们举个例子，A细胞变成B细胞，其实它需要两个作用。如果miRNA发挥主导作用，比如它需要激活B细胞的基因，那miRNA在细胞核中，它会把B细胞的基因激活。同时A细胞变成B细胞，A细胞所在的基因就要受到抑制，所以我们会发现miRNA在胞浆中可以抑制A细胞的基因。所以通过抑制A细胞的基因，再激活B细胞基因，就可以完成一个细胞身份的转换。换句话说，miRNA是细胞身份转换的促进者，或者说，它不仅是细胞身份的维持者，也是细胞身份转换的促进者。

生命分两个阶段。第一个阶段，是在妈妈肚子里发育，该长什么长什么，长肝、长肺，各种器官生长的时候。生命还有第二个阶段，就是我们离开妈妈肚子以后，我们需要生活，和外界环境发生作用。比如，你出生以后，需要吃饭，需要呼吸，需要看到光，需要各种各样的适应。

所以，我刚才说的像神经系统有很多miRNA，它其实在我们感知中发挥非常重要的作用。除了这些，我认为，miRNA可能在生命的第二个阶段，发挥重要的作用。这也可以解释，为什么大家觉得miRNA不重要，是因为miRNA主要是在第二个阶段发挥作用。

所以，我认为miRNA的很多研究现象应该是对的，但只是我们在这种现象之间，如何建立一个桥梁，把miRNA本身和现象之间解释清楚、说清楚，这一点可能会非常重要。我认为miRNA领域获诺奖以后，很重要的一个研究方向和热点，让更多的人理解miRNA和它产生表型之间的关系。

两位诺奖获得者的科学贡献是什么？

miRNA最早是在线虫中做的。怎么做的？最早他们发现了两种表型，发现一种线虫的表型突变了以后，这个突变的表型应该是随机突变的。研究者发现这个表型出现在幼年的线虫上，线虫在幼虫阶段，它的皮肤却很老，相当于一个老的线虫；而另外的表型是，发现很老的线虫，它的皮肤非常嫩。这就相当于一个幼年的线虫，它的皮肤很老——一个老的线虫皮肤很小（嫩），这是两种非常截然相反的现象。

2008年，安布罗斯开始做这个课题时，这两个表型都有了。怎么定位这个基因，是什么原因导致的？现在我们知道基因定位非常重要，但当时基因定位是很难做的，大家不知道在什么地方，所以他用了非常多的办法定位，比如先定位5个KB的范围，后来经过很多研究，有700个bp（碱基）范围里边，通过定位，他发现在700个碱基左右的范围里。

维克多·安布罗斯

当时，安布罗斯在一个国际会上报告他的结果，做的是脑损的结果，来看RNA的表达。会上报告时说：“你看这两个在700bp的地方是有作用，两个不一样。”但是底下的人就说：“你看，底下那20多个碱基那个位置，结果更清楚。”大家去看他那最早那张图，发现在700个bp是有差别，没错，但在20个bp左右的位置，差别更大。所以这时候就会发现，居然在20多个碱基这个地方差异最大。最后，他发现这就是第一个，就命名lin-4，是一个20个碱基左右的小核酸的片段。

为什么说小核酸？因为我们当时说的基因片段，比如说我们说的编码基因和不编码基因，编码基因大概300多个碱基，也就是100多氨基酸，最少有300多个碱基，而这只有20多个碱基，别人会觉得这么小一个东西，怎么可能会有功能和作用？可当时发现这个东西发表在Cell杂志上，虽然发在Cell上，后来也没有进一步去后续研究。直到2000年，鲁弗肯有第二个miRNA的发现，才发现这个东西可能比较重要。

当然，安布罗斯在做的过程，一个是发现miRNA，至少这个miRNA的表型，它的敲除和线虫皮肤的衰老是有关系的，第二个其实是定义miRNA功能的研究，就是通过3’端 UTR来抑制。另外一个就是lin-14（lin-14的机制发现者主要是鲁弗肯），它是两个基因，一个是表达的基因蛋白，一个是miRNA，它发现它能抑制，

所以这两个表型解释是相反的，当时的发现就是第一个发现miRNA，第二个发现它的机制是通过3’端 UTR，而这个通过3’端 UTR抑制理论成了整个miRNA领域近30年来主流的研究，任何跟它不一样的研究，都认为是一种非主流的。

大家在发文章过程，最早提出这些概念，提出miRNA这种发现。从基础研究来讲，他们是把我们经常说的miRNA是一种非共识的研究，而大家普遍都觉得蛋白在起作用，都觉得大的基因片段起作用，在30年前，你说小的核酸片段在起作用，在整个生命过程中间，整个是小核酸调控，这算是开辟了新的理论。

但是后来的siRNA，我不知道siRNA有没有借助这个理论，其实你会发现siRNA它的作用机制和miRNA的作用机制是非常像的。所以从这个角度讲，他们其实开创了一个小核酸领域，一种miRNA，一种调控作用。在这方面我觉得后续miRNA，可能从他的发现大家认识了一种新的调控机制，新的调控方式。现在比较遗憾的是，miRNA这个东西从应用角度讲还没有。这就是miRNA（的研究现状）。

为什么大家要反复提它要获诺奖，它的意义在哪，它的重要性在哪，科学意义在那放着。但为什么到现在30年后获得诺奖？很重要的一个原因，就是它在应用上可能还需要大力地去做。无论是在肿瘤、疾病的诊断上，还是在将来药物上，尤其在小核酸药物开发上，如果能发挥作用，就会奠定miRNA的研究领域，促进miRNA理论进一步扎实地去做，所以他们的贡献，他们的工作意义，那是毋庸置疑的。

目前国内在这个领域的研究概况

miRNA这个领域，其实从2000年到2010年这一段时间是发展非常快的，miRNA运用到各种各样的领域，各种各样的东西去解释很多生命现象，尤其是解释一些基因下调以后，为什么基因会下调，在一个生命现象中间，它都会来找miRNA（发挥的作用）。在这个时段，我觉得我们中国科学家也做了非常多的工作。

2010年到2015年这一段时间，miRNA还有很多研究。近几年，也就是2015年以后，miRNA做的比较少，很重要的一些原因就是我刚才说下调的这个理论，它是微调，很多结果就是你做着做着，你会觉得这个东西是真的吗？

所以这一块可能还有非常多的问题。我们最早的973项目里，最早开始做DNA甲基化，大概在我们国内做miRNA比较好的一些人，比如陈润生院士，在miRNA这个领域做了非常多的工作。另外，像中山大学屈良鹄老师，他们在小核酸领域有很多新的发现，无论是在miRNA的代谢机制上，还是miRNA定位上，他们做了非常多的工作。当然我们国内还有很多其他科学家在应用方面，在miRNA领域也做了很多方面工作，但像陈润生院士，还有屈良鹄教授，他们其实在miRNA这个领域做了非常大的推动作用。2008年左右，当时他们拿到国家的973项目，都是做RNA方面的研究。所以，我们从国内这块角度来讲的话，其实RNA领域现在目前做的人也非常多，包括做RNA修饰，当然也有做长链非编码RNA的，还有很多其他的领域。

在植物领域里边，比方说（清华大学）戚益军，在miRNA领域他做了很多电镜研究。他当时在冷泉港实验室的时候，最早解释了miRNA里边3’端有几个不同的碱基，有的是A、有的是C、还有的是G。他当时发现miRNA在识别过程中3’端可能会非常重要。后来他回国以后，在清华大学做植物的miRNA调控方面也做了非常多的工作。

miRNA我认为它非常普遍，比如说，你看从低等动物线虫，到各种各样的物种里边都有，植物里边有，很多病毒也有miRNA。换句话说，miRNA它其实非常广泛，有非常重要的生物学作用和功能。

miRNA的调控与哪些疾病密切相关

肿瘤领域，像miRNA-17～92，这个基因簇发了非常多的文章，就是miRNA本身和肿瘤的关系。在miRNA和肿瘤研究过程中间有两个：第一个就是发现很多在肿瘤中miRNA是高表达的，它可以作为标记物（marker）；还有其实在肿瘤里中miRNA还一个很重要的特征，就是它的作用特点，在肿瘤中主要是miRNA低表达。miRNA低表达是miRNA非常重要的东西。

当然，其他的包含我刚才说的生理方面的作用，比如刚才说的生长发育方面作用，在副睾里边有miRNA，我们前段时间有一个项目，讲辅助生殖表观遗传技术，其中文章研究发现，副睾里边的很多miRNA，它对胚胎发育可能会有非常重要的作用。换句话说，我认为miRNA遍布我们生命调控中的各个阶段，只不过是在做的过程中间我们需要不同的理论来去做。我也相信miRNA在这一块可能和很多疾病和很多的生理状态有非常大的关联。

最简单的例子，刚才说的最早lin-4和lin-14，你可以认为它和衰老有关系，其实这边可能都还需要很多的研究来进一步的促进这个领域的发展，真正促进miRNA领域的应用。

审核：梁英 空军军医大学第二附属医院药剂科副研究员

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