2024 年诺贝尔生理学或医学奖的颁布,再次吸引了全球科学界的目光。今年,这一殊荣授予了两位科学家:Victor Ambros和Gary Ruvkun,他们因发现microRNA及其在基因转录后调控的作用,获得2024年诺贝尔生理学或医学奖。
图1 2024年诺贝尔生理学或医学奖获奖者,
Victor Ambros和Gary Ruvkun
microRNA 的发现过程
故事要从 20 世纪 80 年代末说起,Ambros和Ruvkun一直在研究秀丽隐杆线虫(现在都已成为模式生物了)的生命进程,他们将目标锁定在了两个突变株 “lin-4” 和 “lin-14”上。Ambros惊奇地发现,lin-4 基因仿佛是 lin-14 基因的神秘 “负调控者”,但其中的抑制机制却如同笼罩在一层迷雾之中,让人捉摸不透。
时光流转,Ambros直到博士后生涯结束,才在哈佛大学的实验室里意外迎来了重大突破。他发现,lin-4 基因抑制 lin-14 基因的原因,极有可能是 lin-4 产生的一种超短 RNA。与此同时,Ruvkun也有了惊人发现,他察觉到 lin-4 并不影响 lin-14 基因产生mRNA,而是阻止 mRNA 产生蛋白质。并且,他还找到了 lin-14转录mRNA 上的一个关键位置,这个位置就是 lin-4 对其进行抑制的结合位点。
当Ambros和Ruvkun交流彼此的发现后,一个具有突破性的结论诞生了:lin-4 中的超短 RNA 与 lin-14 中 mRNA 的关键片段序列互补,正是通过这种奇妙的结合,超短 RNA 如同一个“开关”,“关闭”了 lin-14基因的表达,阻止它产生蛋白质。这一发现,揭开了以前从未被知晓的、基于 microRNA 的基因调控机制。因为在此之前,科学家们一直认为是一种名为 “转录因子” 的特殊蛋白质,通过与 DNA 的特定区域结合,来决定产生哪些 mRNA,从而实现基因调控。
图2 Ambros和Ruvkun发现lin-4来源的microRNA过程
限于当时的环境和人们的认知,他们的发现之路并非一帆风顺。1993 年,当Ambros和Ruvkun在《Cell》杂志上发表这一创新成果时,却并没有引起科学界过多的关注。尽管这是前所未有的重大发现,但科学界却认为这种机制可能仅仅是秀丽隐杆线虫的独特特性,与人类和其他更复杂的动物毫无关系。
但命运的转折总是充满戏剧性,2000 年时,当Ruvkun研究小组公布他们发现的另一种由 let-7 基因编码的 microRNA 时,曾经的沉默瞬间被打破,引起了巨大的轰动。因为与 lin-4 不同,let-7 基因普遍存在于整个动物界。这一惊人发现如同在科学界投下了一颗重磅炸弹,引发了一场激烈的研究热潮。在接下来的几年里,数百种不同的 microRNA 被一一鉴定出来。
图3 Ruvkun克隆了第二个编码microRNA的基因let-7,该基因在进化中是保守的且普遍存在于整个动物界
如今,人体内超过一千种 microRNA 已被发现。可以毫不夸张地说,没有它们,细胞和组织就无法正常发育,而它们的异常和突变甚至可能引发癌症等严重疾病。microRNA 的出现,就像是为生命的基因调控世界打开了一扇全新的大门,揭示了一个全新的维度,它对所有复杂的生命形式都至关重要。
图4 自1993-2000发现microRNA开始的microRNA研究进程
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microRNA 的应用
近些年来由于对microRNA研究的比较多,我们知道microRNA 是一类由内源基因编码的长度约为 22 个核苷酸的非编码单链 RNA 分子。它通过与靶 mRNA 结合,抑制其翻译或促进其降解,从而在转录后水平调控基因表达。
图5 microRNA的开创性发现揭示了基因调控的一个新维度
医学领域
在医学领域,microRNA 展现出了巨大的潜力,可作为疾病的重要生物标志物。例如,众多研究已表明,在某些癌症中,特定的 microRNA 表达水平会发生显著变化。Lan 等人在权威期刊《Biomedical Research International》发表的论文中深入探讨并强调了 microRNA 作为癌症潜在生物标志物的重大意义。以肝癌为例,大量研究发现,在不同类型的癌症(肺癌、肝癌、结直肠癌等)患者中,不同的microRNA的表达水平有非常明显的变化。通过对血液中microRNA含量的精准检测,能够为癌症的早期诊断提供极为重要的参考依据。
同时,microRNA 为疾病治疗开辟了新的策略。Krützfeldt 等人在国际著名期刊《Nature》发表的研究中,创新性地介绍了 “antagomirs” 这种反义寡核苷酸,它可在体内有效地沉默 microRNA。通过使用特定的 microRNA 模拟物或抑制剂,可以精准地调节相关基因的表达,进而为疾病治疗带来新的希望。在一些癌症的治疗研究中,科学家们积极探索使用 microRNA 抑制剂来抑制肿瘤细胞的生长和扩散。例如,针对某些特定类型的癌症,研究人员发现特定的 microRNA 抑制剂能够靶向作用于肿瘤细胞中的关键基因,从而抑制肿瘤细胞的增殖和转移,为癌症治疗提供了新的思路和方法。
农业领域
在农业领域,microRNA 在植物的生长发育和抗逆性中起着至关重要的作用。Tang 和 Chu 在《Nature Plants》发表的文章中,系统地强调了 microRNA 在作物复杂性状改良中的重要意义。通过调控植物中的 microRNA 表达,可以有效地改良农作物的品质和产量。比如,在面对干旱、盐碱等不良环境时,调节与植物抗逆性相关的 microRNA,可以显著提高农作物的耐受性。此外,还可以利用 microRNA 技术来培育具有特定性状的转基因农作物。Zhou 和 Luo 的研究深入探讨了 microRNA 介导的基因调控在植物基因工程中的潜在应用。通过对特定 microRNA 的调控,可以实现对农作物生长发育过程的精准干预,培育出具有高产、优质、抗逆等优良性状的农作物品种,为农业生产的可持续发展提供了新的技术手段。
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研究方法
那么如何研究 microRNA 呢? 常用的实验方法和技术手段也是丰富多样的,下面跟大家介绍一些常用的实验研究方法。
1
Northern Blot
这是一种经典的 RNA 检测方法。通过电泳将 RNA 分离,然后将其转移到膜上,利用特定的 microRNA 探针进行杂交,检测 microRNA 的表达水平。虽然该方法相对较为繁琐,但具有较高的特异性和准确性。
图6 Northern Blot检测的灵敏度和准确性
2
基因芯片技术
这是一种高通量的检测方法,可以同时检测大量 microRNA 的表达水平。通过将已知的 microRNA 探针固定在芯片上,与样本中的 microRNA 进行杂交,然后利用荧光或其他信号检测技术,快速获取样本中 microRNA 的表达谱。这种方法能够全面地了解不同生理或病理状态下 microRNA 的变化情况,为研究 microRNA 的功能提供重要线索。这种方法成本较高;可能存在假阳性和假阴性结果;对样本的质量和数量要求较高。
3
实时定量 PCR(RT-qPCR)
该方法可用于特定 microRNA 的定量分析。它具有高灵敏度和特异性,能够准确地检测出微量的 microRNA。通过设计针对特定 microRNA 的引物和探针,利用 PCR 技术对 microRNA 进行扩增,并实时监测扩增过程中的荧光信号变化,从而计算出 microRNA 的相对或绝对表达量。由于其操作相对方便,方法简单,通量高,已经成为实验室里面常用的一种检测microRNA的方法了。
这种方法首先要把 RNA 提取出来,microRNA 的 qPCR 的检测与正常的基因无明显差异,但由于 microRNA 比较小,所以需要的特殊的反转录方法。常用的反转录方法有两种,一种为茎环法(Stemloop specific primer),一种为加尾法(Universal primer)。
图7 microRNA常见的2种反转录的方式
4
RNA 干扰技术
这是一种研究 microRNA 功能的有力工具。通过导入特定的小干扰 RNA(siRNA)或 microRNA 抑制剂,可以特异性地抑制目标 microRNA 的功能。相反,使用 microRNA 模拟物可以增强 microRNA 的活性。通过观察细胞或生物体在 microRNA 功能改变后的表型变化,可以推断出 microRNA 的生物学功能。
5
生物信息学分析
随着高通量测序技术的发展,产生了大量的 microRNA 序列数据。生物信息学方法可以用于分析这些数据,预测新的 microRNA、识别 microRNA 的靶基因以及研究 microRNA 的进化和功能保守性。例如,利用序列比对算法,可以在不同物种中寻找保守的 microRNA,从而揭示 microRNA 在进化过程中的重要作用。
6
细胞和动物模型实验
构建细胞和动物模型是研究 microRNA 功能的重要手段。通过在细胞系中过表达或抑制特定的 microRNA,可以观察细胞的增殖、分化、凋亡等生物学过程的变化。在动物模型中,可以通过基因敲除、转基因等技术来研究 microRNA 在体内的功能。例如,构建 microRNA 敲除小鼠模型,可以研究特定 microRNA 在小鼠发育、生理和疾病中的作用。
图8 整体原位microRNA 杂交(Whole-mount miRNA ISH)技术在生物发育中的应用
7
microRNA 活性检测方法
• 报告基因法:构建含有 microRNA 靶序列和报告基因(如荧光素酶基因)的载体,当 microRNA 与靶序列结合时,会抑制报告基因的表达。通过检测报告基因的活性变化,可以间接反映 microRNA 的活性。其中荧光素酶报告系统由于操作简单、灵敏度高,已广泛的应用于microRNA的活性及靶标检测。更详细的方法可以参看下方的视频。
复制下方链接,可查看完整视频
https://www.transgen.com/technology_video.html
• Western blot 检测靶蛋白法:microRNA 通过与靶 mRNA 结合抑制其翻译,从而降低靶蛋白的表达水平。通过 Western blot 技术检测靶蛋白的表达量变化,可以推断 microRNA 的活性。
• RNA 结合蛋白免疫沉淀法(RIP):利用抗体特异性地结合与 microRNA 结合的 RNA 结合蛋白,然后通过免疫沉淀分离出与该蛋白结合的 RNA,包括 microRNA 和其靶 mRNA。通过检测沉淀下来的 RNA 中 microRNA 和靶 mRNA 的含量,可以分析 microRNA 的活性及其与靶 mRNA 的结合情况。
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反转录效率高
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产品信息
精选文献
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Wang D, Xu C, Yang W, et al. E3 ligase RNF167 and deubiquitinase STAMBPL1 modulate mTOR and cancer progression[J]. Molecular cell, 2022. 使用产品TransZol Up (ET111)
He X, Yang L, Huang R, et al. Activation of CB2R with AM1241 ameliorates neurodegeneration via the Xist/miR‐133b‐3p/Pitx3 axis[J]. Journal of cellular physiology, 2020. 使用产品EasyPure® miRNA Kit (ER601)
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Wan W, Dong H, Lai D H, et al. The Toxoplasma micropore mediates endocytosis for selective nutrient salvage from host cell compartments[J]. Nature communications, 2023. 使用产品TransScript® One-Step gDNA Removal and cDNA Synthesis
Bing C, Kangyu J, Jingyi D, et al. LuHypocretin-1/hypocretin receptor 1 regulates neuroplasticity and cognitive function through hippocampal lactate homeostasis in depressed model. Advanced science, 2024. 使用产品PerfectStart® Green qPCR SuperMix
Zhang B, He P, Lawrence J E G, et al. A human embryonic limb cell atlas resolved in space and time[J]. Nature, 2023. 使用产品PerfectStart® Green qPCR SuperMix
展望
对 microRNA 的未来研究充满期待。在研究方向上,科学家们将进一步深入探索 microRNA 在不同生理和病理过程中的作用机制,以及与其他基因调控因子的相互关系。在疾病治疗方面,有望开发出基于 microRNA 的新型药物,为癌症等严重疾病的治疗带来新的突破。同时,随着技术的不断进步,对 microRNA 的检测和调控方法也将更加精准和高效。
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