今年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎表彰了維克多·安布羅斯（Victor Ambros）和加里·魯夫坤（Gary Ruvkun），他們發(fā)現(xiàn)了調(diào)控基因活動的一個基本原理。每個細胞都包含相同的染色體，因此每個細胞都擁有完全相同的一套基因和指令。然而，肌肉細胞和神經(jīng)細胞等不同的細胞類型卻表現(xiàn)出非常不同的特征。這些差異是如何產(chǎn)生的呢？答案在于基因調(diào)控，它使每個細胞能夠選擇與自身相關(guān)的指令，從而確保每種細胞類型中只有正確的一組基因被激活。安布羅斯和魯夫坤對不同細胞類型的發(fā)育過程感興趣。他們發(fā)現(xiàn)了microRNA，這是一類在基因調(diào)控中起關(guān)鍵作用的微小RNA分子。這一突破性發(fā)現(xiàn)揭示了一種全新的基因調(diào)控原理，事實證明它對包括人類在內(nèi)的多細胞生物至關(guān)重要。現(xiàn)在已知，人類基因組編碼了超過一千種microRNA。他們的驚人發(fā)現(xiàn)揭示了基因調(diào)控的一個全新維度，microRNA在生物體的發(fā)育和功能中起著根本性的作用。

多細胞生物從單細胞祖先進化而來，在這一過程中，不同的細胞類型逐漸獲得了特定的功能，這要求越來越復(fù)雜的基因調(diào)控機制。除了通過DNA結(jié)合因子作用于調(diào)控序列的轉(zhuǎn)錄性基因調(diào)控外，隨著生物體復(fù)雜度的增加，其他形式的控制系統(tǒng)也逐漸出現(xiàn)。在數(shù)億年的進化過程中，編碼微小非編碼RNA分子（即microRNA）的基因在多細胞生物的基因組中擴展，負責(zé)對mRNA的穩(wěn)定性和蛋白質(zhì)翻譯進行轉(zhuǎn)錄后控制。microRNA及其基因調(diào)控模式在1993年維克多·安布羅斯（Victor Ambros）和加里·魯夫坤（Gary Ruvkun）發(fā)現(xiàn)之前，完全未知。這兩位諾貝爾獎得主研究了發(fā)育缺陷的突變線蟲（C. elegans），這些缺陷是由lin-4和lin-14基因位點的改變引起的。安布羅斯的實驗室克隆了lin-4基因，并意外發(fā)現(xiàn)它并不編碼蛋白質(zhì)，而是編碼了一段22個核苷酸的非編碼RNA。與此同時，魯夫坤的實驗室發(fā)現(xiàn)lin-4通過其3’非翻譯區(qū)（3’UTR）的多個元件調(diào)控lin-14。通過比較序列信息，他們發(fā)現(xiàn)了短的非編碼lin-4 RNA與lin-14的3’UTR元件之間存在部分序列互補。這首次揭示了一種概念上新穎的調(diào)控RNA類型：microRNA。2000年，魯夫坤的實驗室發(fā)現(xiàn)了高度保守的let-7 microRNA，隨后在多種動物物種（包括人類）中鑒定出同源的microRNA。這激發(fā)了對整個動物界microRNA的大規(guī)模克隆和測序工作，最終發(fā)現(xiàn)microRNA是一個龐大的調(diào)控群體，負責(zé)控制大量編碼蛋白質(zhì)基因的網(wǎng)絡(luò)。安布羅斯和魯夫坤的發(fā)現(xiàn)完全出乎意料，揭示了一個由microRNA介導(dǎo)的進化上保守的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控機制，它在動物發(fā)育和成年組織功能中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

引言

基因在何時何地轉(zhuǎn)錄成RNA并翻譯成蛋白質(zhì)的控制，是生命的一個基本方面（見圖1）。例如，胰島素只在胰腺的β細胞中產(chǎn)生，而視蛋白則在眼睛的視網(wǎng)膜中產(chǎn)生。特定細胞類型基因調(diào)控的精確指令編碼在遺傳物質(zhì)中，由序列特異性的DNA結(jié)合蛋白執(zhí)行。1965年，弗朗索瓦·雅各布（Fran?ois Jacob）和雅克·莫諾（Jacque Monod）因發(fā)現(xiàn)基因的調(diào)控機制而獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。DNA結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子庫在單細胞和多細胞真核生物之間高度保守，而多細胞生物中出現(xiàn)了額外的基因調(diào)控層，以確保在每種細胞類型中正確生成RNA和蛋白質(zhì)。

圖1: 從DNA到mRNA再到蛋白質(zhì)的遺傳信息流動示意圖。每個細胞都含有相同的染色體組，因此基因組也是完全相同的。特定細胞類型的功能源于這些細胞中僅有特定基因的激活。

The Nobel Committee for Physiology or Medicine. Ill. Mattias Karlén

真核模式生物在遺傳學(xué)研究中具有無可替代的價值，帶來了許多意想不到的發(fā)現(xiàn)。悉尼·布倫納（Sydney Brenner）在五十多年前引入了線蟲（Caenorhabditis elegans，簡稱C. elegans）作為研究對象。由于這種生物具有較短的世代時間、透明性以及易于進行遺傳操作的特點，它成為了廣泛研究的對象。悉尼·布倫納、約翰·薩爾斯頓（John Sulston）和羅伯特·霍維茨（Robert Horvitz）使用C. elegans揭示了細胞分裂、分化和細胞死亡如何在器官發(fā)育過程中受到基因控制，并因此獲得了2002年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。

1970年代，布倫納實驗室通過C. elegans的誘變篩選發(fā)現(xiàn)了lin-4突變體（e912）。這些線蟲表現(xiàn)出顯著的表型：許多細胞類型和形態(tài)結(jié)構(gòu)完全缺失，卵子因生殖器官發(fā)育失敗而積累（見圖2）（Horvitz和Sulston，1980；Chalfie，Horvitz和Sulston，1981），這似乎是由于某些細胞譜系的發(fā)育程序重復(fù)導(dǎo)致的。lin-4突變體中觀察到的線蟲發(fā)育嚴重受阻，表明lin-4可能編碼一個發(fā)育時序的主調(diào)控因子。此外，還鑒定出大量其他異時性突變體，它們表現(xiàn)出各種發(fā)育時間上的缺陷，包括由霍維茨實驗室發(fā)現(xiàn)的另一個突變體lin-14（Ferguson，Sternberg和Horvitz，1987）。

圖2:異時性線蟲突變體的發(fā)育缺陷。lin-4和lin-14突變的線蟲表現(xiàn)出發(fā)育異常。lin-4突變體中，發(fā)育程序重復(fù)，導(dǎo)致內(nèi)卵積累但未形成生殖器官，而lin-14突變體較小且缺少幼蟲發(fā)育（Ambros，2008改編）。

Worms adapted from (Ambros, 2008)

與此同時，維克多·安布羅斯在完成關(guān)于脊髓灰質(zhì)炎病毒基因組結(jié)構(gòu)與復(fù)制的博士學(xué)位后，加入了霍維茨實驗室。作為博士后，安布羅斯立即投入到對異時性突變體的遺傳分析中，并確定lin-14突變體具有與lin-4突變體相反的發(fā)育時序缺陷（見圖2）。在lin-14突變體中，幼蟲階段的程序完全缺失（Ambros和Horvitz，1984）。特別值得注意的是，安布羅斯后來發(fā)現(xiàn)lin-4是lin-14的負調(diào)控因子（Ambros，1989）。

在這一時期，加里·魯夫坤在弗雷德里克·奧蘇貝爾（Frederick Ausubel）的指導(dǎo)下完成了他的細菌遺傳學(xué)博士學(xué)位。歐洲旅行期間，他在了解到異時性突變體的細胞譜系分析后，對線蟲遺傳學(xué)產(chǎn)生了興趣（Chalfie，Horvitz和Sulston，1981；Ruvkun，Wightman和Ha，2004）。與馬丁·查菲（Martin Chalfie）和羅伯特·霍維茨的討論進一步激發(fā)了他使用C. elegans研究這些問題的興趣。1982年，魯夫坤開始在沃爾特·吉爾伯特（Walter Gilbert）和羅伯特·霍維茨實驗室間開展博士后研究。

通過microRNA的轉(zhuǎn)錄后基因調(diào)控的發(fā)現(xiàn)

在霍維茨實驗室，安布羅斯和魯夫坤開始了克隆lin-14基因的長期探索。當(dāng)時，使用遺傳學(xué)定義的位點來確定DNA序列是一項極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。經(jīng)過數(shù)年的堅持不懈實驗，他們成功使用經(jīng)典的限制性片段長度多態(tài)性（RFLP）方法鑒定了該區(qū)域（Ruvkun等，1989）。在此期間，安布羅斯和魯夫坤均獲得了教職，安布羅斯在哈佛大學(xué)任職，而魯夫坤則在馬薩諸塞總醫(yī)院和哈佛醫(yī)學(xué)院擔(dān)任職務(wù)。他們繼續(xù)進行分子分析。魯夫坤證明lin-14是一種核蛋白，在發(fā)育中表現(xiàn)出階段特異性表達，主要在L1階段表達，并在lin-4和lin-14突變體中表現(xiàn)出改變（Ruvkun和Giusto，1989）。有趣的是，發(fā)現(xiàn)了一些在3’UTR中存在缺失的lin-14功能獲得性突變體（Ruvkun和Giusto，1989；Wightman等，1991），導(dǎo)致lin-14蛋白在L1階段之后仍然持續(xù)檢測到（Arasu，Wightman和Ruvkun，1991；Wightman等，1991）。3’UTR元件的破壞并未影響蛋白質(zhì)序列，因此魯夫坤推測，mRNA穩(wěn)定性、核輸出或翻譯上的一種轉(zhuǎn)錄后機制可能介導(dǎo)了lin-14的時間切換（Wightman等，1991）。

相比之下，僅發(fā)現(xiàn)了一個lin-4突變體（e912）。安布羅斯實驗室開始通過RFLP和Southern blot方法克隆lin-4基因。他們通過逐步縮小染色體區(qū)域的“步行”策略，并迭代測試較小的基因組片段以恢復(fù)lin-4突變體的表型，最終確定了一個693 bp的Sal I限制性酶片段。經(jīng)過多輪開放閱讀框預(yù)測和克隆重測序以排除錯誤，他們開始懷疑lin-4基因可能是一個非編碼RNA，因為它的開放閱讀框非常短。引入C. elegans序列的移碼突變并未影響lin-4功能，證實了這一猜測。1991年，實驗室通過Northern blot和RNA酶保護實驗對lin-4轉(zhuǎn)錄物進行了探測，發(fā)現(xiàn)了兩種分別為61和22個核苷酸（nt）的短RNA轉(zhuǎn)錄物（見圖3）。

圖3：lin-4的兩種短轉(zhuǎn)錄物的鑒定。Northern blot分析顯示，野生型、lin-4 (e912) 突變體及由Sal I片段拯救的lin-4 (e912) 突變體的總RNA，使用放射性標(biāo)記的lin-4 RNA探針探測，與U6作為裝載對照相比。

Lee, Feinbaum and Ambros, 1993

在各自實驗室分別推導(dǎo)出lin-4（安布羅斯實驗室）和lin-14（魯夫坤實驗室）的序列后，1992年6月11日晚上，安布羅斯和魯夫坤交換了lin-4和lin-14基因的序列數(shù)據(jù)。雙方都注意到lin-4非編碼RNA與lin-14 3’UTR中的多個元件之間存在顯著的部分互補性（見圖4）。

圖4：lin-4和lin-14 RNA中的互補序列元件。通過比較克隆的lin-4和lin-14序列，發(fā)現(xiàn)短的22nt lin-4 RNA與lin-14 3’UTR中的重復(fù)元件具有部分互補性。

The Nobel Committee for Physiology or Medicine. Ill. Mattias Karlén

認識到這一發(fā)現(xiàn)的重要性，兩位的實驗室進行了大量額外實驗，證明lin-4 microRNA通過與位于lin-14 3’UTR的元件堿基配對來調(diào)控lin-14 mRNA。他們的開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)于1993年在《Cell》雜志上發(fā)表了兩篇背靠背論文（Lee，F(xiàn)einbaum和Ambros，1993；Wightman，Ha和Ruvkun，1993）。

安布羅斯的實驗室使用C. elegans lin-4序列，在其他線蟲物種中鑒定了相應(yīng)的lin-4克隆（C. briggsae，C. remanei和C. vulgaris）。這些實驗表明，來自其他線蟲的lin-4克隆可以在C. elegans中拯救lin-4突變體表型。他們還篩選了超過2萬條誘變?nèi)旧w，鑒定出第二個lin-4突變體（ma161），該突變體包含一個單核苷酸突變。值得注意的是，這個突變存在于互補序列內(nèi)，進一步支持了lin-4 microRNA與lin-14 3’UTR元件之間互補堿基的功能重要性（Lee，F(xiàn)einbaum和Ambros，1993）。

魯夫坤的實驗室比較了野生型和lin-14功能獲得性突變體中的lin-14蛋白和RNA的含量。結(jié)果顯示，突變體中的lin-14蛋白含量提高了4到7倍，而RNA含量沒有變化，這證明lin-14是通過轉(zhuǎn)錄后水平（即RNA轉(zhuǎn)錄后）受到調(diào)控的。將lin-14的3’UTR轉(zhuǎn)移到報告基因中，觀察到報告基因的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控模式與lin-14相似，證明了3’UTR本身足以控制mRNA翻譯。通過反復(fù)縮小lin-14 3’UTR的片段，最終確定了一個功能性124個核苷酸長的3’UTR片段。這個片段包含多個與lin-4部分互補的序列，并且該片段在另一種線蟲C. briggsae中也得到了保守（Wightman，Ha和Ruvkun，1993）。

計算分析發(fā)現(xiàn)，lin-4 microRNA與各種物種的核苷酸數(shù)據(jù)庫中的序列進行匹配時，只在其他線蟲中發(fā)現(xiàn)了匹配序列，如C. briggsae。一個關(guān)鍵問題隨之而來：microRNA的存在是否僅是線蟲特有的現(xiàn)象，還是它在整個動物王國中具有保守且廣泛的功能？

let-7 microRNA的發(fā)現(xiàn)及其進化保守性

在發(fā)現(xiàn)第一個microRNA lin-4之后，七年過去了，第二個microRNA基因let-7才被發(fā)現(xiàn)。魯夫坤實驗室進行了遺傳篩選，重點研究了能夠抑制攜帶lin-14和egl-35突變的合成不育表型的突變體（Reinhart等，2000）。let-7基因編碼一段21個核苷酸的RNA，該RNA與多個異時性基因的3’UTR具有互補性，包括lin-14、lin-28、lin-41、lin-42和daf-12。let-7的缺失導(dǎo)致成蟲階段重復(fù)幼蟲的細胞命運。這一第二個microRNA基因的發(fā)現(xiàn)表明，microRNA可能在發(fā)育過程中調(diào)控細胞譜系形成的時序中發(fā)揮更廣泛的作用。

隨后，魯夫坤實驗室的另一重大突破表明，let-7基因與lin-4不同，在廣泛的動物中具有進化保守性。通過將let-7 microRNA序列與核苷酸數(shù)據(jù)庫進行比較，發(fā)現(xiàn)其在人類和果蠅中都有匹配的序列（Pasquinelli等，2000）。let-7在線蟲中的一個已知靶標(biāo)是lin-41蛋白，而其同源蛋白在斑馬魚和果蠅中也存在。令人放心的是，斑馬魚和果蠅的lin-41同源蛋白的3’UTR同樣與let-7具有互補性（Pasquinelli等，2000）。此外，let-7 microRNA在人類的多個組織中都有發(fā)現(xiàn)，表明它在哺乳動物細胞的基因表達中具有重要作用。

與線蟲類似，果蠅發(fā)育過程中的分析也顯示了let-7 microRNA的時間性調(diào)控，表明let-7在昆蟲、甲殼動物和線蟲中具有保守的功能（Pasquinelli等，2000）。值得注意的是，甚至在軟體動物和環(huán)節(jié)動物等不經(jīng)過幼蟲階段發(fā)育的物種中，也檢測到了let-7的時間性表達。此外，脊椎動物雖然沒有明顯的幼蟲階段，但在發(fā)育過程中，包括成年斑馬魚在內(nèi)的多個階段，仍表現(xiàn)出let-7的時間性表達。令人驚訝的是，let-7表達在雙側(cè)對稱動物（即左右對稱的動物）中具有時間調(diào)控，這可能是在這些動物與具有雙胚層的物種（如水母等）分化之后進化出來的（見圖5）。let-7的進化保守性極大地增加了人們對microRNA作為基因表達轉(zhuǎn)錄后調(diào)控因子的興趣。

圖5：let-7 RNA表達的進化保守性及microRNA的總體演化。左圖：動物的進化樹，突出顯示了存在可檢測到的let-7 microRNA表達的分支（+）或未檢測到表達的分支（-）。在沒有早期階段表達，但在成年階段表達let-7 RNA的物種以”Dev.“標(biāo)記（Pasquinelli等，2000）。右圖：microRNA基因在多細胞生物基因組中演化和擴展超過5億年。

The Nobel Committee for Physiology or Medicine. Ill. Mattias Karlén

在發(fā)現(xiàn)let-7之后，多個研究實驗室開始通過小RNA克隆方法在人類和其他物種中鑒定其他microRNA。托馬斯·圖施爾（Thomas Tuschl）的實驗室從人類和果蠅組織中克隆了新的microRNA（Lagos-Quintana等，2001），大衛(wèi)·巴特爾（David Bartel）的實驗室從線蟲中分離出了新的microRNA（Lau等，2001），安布羅斯實驗室也進行了類似的工作（Lee和Ambros，2001）。所有證據(jù)表明，microRNA是一個龐大的調(diào)控類群，存在于整個動物界，可能在基因調(diào)控中發(fā)揮著重要作用。分子生物學(xué)技術(shù)和測序技術(shù)的進步使得科學(xué)家們在人體基因組中發(fā)現(xiàn)了超過1000個microRNA基因。目前，microRNA基因數(shù)據(jù)庫miRBase已經(jīng)收錄了超過38000個發(fā)夾前體和48860個成熟的microRNA基因序列，覆蓋271個物種（Kozomara，Birgaoanu和Griffiths-Jones，2019）。甚至病毒中也發(fā)現(xiàn)了編碼microRNA的基因（Pfeffer等，2004）。

隨著microRNA的進一步克隆及整個基因組序列的可用性，研究人員有更多機會定義microRNA與3’UTR區(qū)域之間的堿基配對規(guī)則。David Bartel、Christopher Burge和Stephen Cohen實驗室的關(guān)鍵研究（Lewis等，2003；Stark等，2003；Brennecke等，2005；Lewis，Burge和Bartel，2005）結(jié)合實驗和比較基因組學(xué)方法，闡明了microRNA靶標(biāo)識別的整體規(guī)則。研究表明，microRNA通常與其靶標(biāo)mRNA具有部分互補性，尤其是在microRNA的“種子”區(qū)域。這項工作還揭示出每個microRNA可能調(diào)控多個編碼蛋白質(zhì)的基因，因為許多3’UTR片段展現(xiàn)出與microRNA種子序列互補的過度保守性（Brennecke等，2005；Lewis，Burge和Bartel，2005）。

這些研究進一步證明了microRNA在細胞譜系形成和細胞類型穩(wěn)定性中具有重要作用。特別是，研究發(fā)現(xiàn)，與某種特定microRNA在同一細胞類型或譜系中共表達的基因往往缺乏該microRNA的靶位點，而這些靶位點則常見于在相鄰細胞或組織中表達的基因中（Farh等，2005；Stark等，2005）。這些觀察結(jié)果進一步支持了microRNA在多細胞生物中控制細胞命運形成和維持中的重要功能。

microRNA的生成與功能

隨著越來越多的microRNA基因被克隆，多個研究團隊也投入了對microRNA生成及其作用機制的研究（Bartel，2004）。microRNA基因的轉(zhuǎn)錄策略多種多樣。有些microRNA基因是獨立的轉(zhuǎn)錄單元，有時成簇分布，而另一些則位于編碼蛋白質(zhì)基因的內(nèi)含子中。經(jīng)典的初級microRNA（pri-microRNA）由RNA聚合酶II轉(zhuǎn)錄，具有發(fā)夾結(jié)構(gòu)。這種發(fā)夾結(jié)構(gòu)在細胞核中被微處理復(fù)合物（Microprocessor）識別，Microprocessor由Drosha核酸內(nèi)切酶等組成，切割雙鏈RNA生成大約60到70個核苷酸長的前體microRNA（pre-microRNA），這是最早在安布羅斯實驗室檢測到的（見圖2）。隨后，Exportin 5和RAN-GTP將pre-microRNA運輸?shù)郊毎|(zhì)中。Dicer核酸內(nèi)切酶（最早在Greg Hannon實驗室中發(fā)現(xiàn)）進一步處理形成microRNA雙鏈。有效的microRNA鏈會加載到包含Argonaute蛋白的沉默復(fù)合物中，而另一條“乘客”鏈則被移除（Schwarz等，2003）。一旦microRNA鏈加載到沉默復(fù)合物中，它可以通過堿基序列的特異性與mRNA結(jié)合，從而抑制mRNA的翻譯或促進mRNA降解。這種調(diào)控依賴于TNRC6適配蛋白和多聚A結(jié)合蛋白PABPC，它們招募去腺苷化酶復(fù)合物縮短mRNA的polyA尾部，最終導(dǎo)致mRNA降解或翻譯抑制，具體效果取決于細胞的發(fā)育階段和類型。

用于處理和執(zhí)行microRNA功能的機器也被其他RNA沉默機制所使用，這些機制統(tǒng)稱為RNA干擾（RNAi），包括小干擾RNA（siRNA）、內(nèi)源性Piwi相關(guān)RNA（piRNA）和重復(fù)相關(guān)小干擾RNA（rasiRNA）。1998年，Andrew Fire和Craig Mello發(fā)現(xiàn)雙鏈RNA能夠誘導(dǎo)序列依賴的基因沉默，這一發(fā)現(xiàn)使他們在2006年獲得了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。RNAi主要在植物和低等動物中作為對抗病毒感染和不必要基因組活動的防御機制，而microRNA則通過與mRNA序列部分互補，負責(zé)調(diào)控發(fā)育和成年細胞類型中的基因表達。而例如siRNA等通常是外源性分子，它們與特定的RNA靶序列完全互補并促使其被切割。1999年，大衛(wèi)·鮑爾庫姆（David Baulcombe）證明了植物中的轉(zhuǎn)錄后基因沉默涉及短RNA與靶序列的特異性配對處理（Hamilton和Baulcombe，1999），進一步將不同領(lǐng)域的觀察結(jié)果聯(lián)系起來。

microRNA的進化與生理功能

microRNA基因的出現(xiàn)和擴展與更復(fù)雜生物的進化密切相關(guān)（見圖5）。在早期兩側(cè)對稱動物進化過程中，microRNA基因的數(shù)量顯著增加（Grimson等，2008；Wheeler等，2009），推測其功能出現(xiàn)在兩側(cè)對稱動物的最后共同祖先中，這些基因在原口動物和后口動物分化之前已經(jīng)發(fā)揮作用（Christodoulou等，2010）。自那時起，隨著更為復(fù)雜的生物體和特化細胞類型的出現(xiàn)，又增加了數(shù)百個microRNA基因。甚至在早期多細胞動物海綿、植物以及某些單細胞真核生物中也鑒定出了microRNA基因。因此，人們推測microRNA可能在多個進化階段獨立出現(xiàn)，包括大約6億年前的早期多細胞動物，或者在植物和動物的共同祖先中大約10億年前已進化出microRNA（Moran等，2017）。值得注意的是，許多進化上古老的microRNA基因在后續(xù)進化中得以保留，表明它們在基因調(diào)控中具有關(guān)鍵作用。

microRNA在多細胞生物發(fā)育及組織功能中的重要性，通過破壞microRNA生成途徑的實驗得到了證明。Dicer是負責(zé)在細胞質(zhì)中處理pre-microRNA的酶，在小鼠和斑馬魚中刪除Dicer會導(dǎo)致胚胎致死（Bernstein等，2003；Wienholds等，2003）。刪除果蠅和小鼠中的個別或成簇的microRNA基因也會引起強烈的表型（Bartel，2018）。然而，個別microRNA基因的功能有時不明顯，可能是由于多個microRNA基因共享靶標(biāo)的種子序列而具有冗余性。這種冗余不僅對研究單個microRNA基因的功能構(gòu)成了挑戰(zhàn)，也展示了這個系統(tǒng)的穩(wěn)健性，解釋了為何它難以通過例如病毒等方式輕易被操控。

值得強調(diào)的是，進化上最保守的microRNA基因（那些在兩側(cè)對稱動物中保留的基因）通常在胚胎發(fā)育早期起作用，而特定于哺乳動物的microRNA基因則更多地在胚胎發(fā)育的后期階段發(fā)揮功能（DeVeale，Swindlehurst-Chan和Blelloch，2021）。與此相對，特定物種的microRNA基因通常在成年細胞類型中起作用，而非在胚胎發(fā)育中。這些模式在系統(tǒng)性microRNA基因敲除實驗中得到了驗證。microRNA在動物發(fā)育中的特定調(diào)控角色包括發(fā)育時序、細胞命運的形成與穩(wěn)定、一般生理功能及體內(nèi)平衡（DeVeale，Swindlehurst-Chan和Blelloch，2021）。

通過選擇性刪除小鼠中的Dicer，研究人員進一步揭示了microRNA在成年細胞和組織中的功能。例如，早期刪除B細胞發(fā)育過程中Dicer1導(dǎo)致其分化在前B細胞階段停滯（Koralov等，2008）。在胚胎第15.5天的神經(jīng)元中刪除Dicer1導(dǎo)致小鼠在出生后不久死亡，表現(xiàn)為小頭畸形、樹突分支減少和樹突棘長度增加（Davis等，2008）。在出生兩周的小腦浦肯野細胞中，失去Dicer1會引發(fā)小腦退化和共濟失調(diào)（肌肉協(xié)調(diào)障礙）（Schaefer等，2007）。類似地，在中腦多巴胺能神經(jīng)元中刪除Dicer1會導(dǎo)致神經(jīng)元逐漸喪失及運動能力下降（Kim等，2007）。在其他幾種細胞類型和組織中也觀察到嚴重表型，進一步證明了microRNA在發(fā)育過程及成年細胞類型功能中的關(guān)鍵作用。

microRNA對人類發(fā)育及功能的重要性通過與特定microRNA基因或生成途徑相關(guān)的綜合征得到了體現(xiàn)。DICER1綜合征是一種罕見的遺傳性疾病，由DICER1基因突變引起，患者易患腎臟、甲狀腺、卵巢、宮頸、睪丸、大腦、眼睛和肺部腫瘤。通常，這些患者的一個DICER1等位基因攜帶使其失去功能的生殖系突變，導(dǎo)致細胞中功能性DICER1蛋白的減少。這些個體容易發(fā)生額外的體細胞突變，因此常在兒童期發(fā)生腫瘤（Foulkes，Priest和Duchaine，2014）。

個別microRNA基因的種子區(qū)域較短，因此其序列被隨機突變改變的可能性較小。然而，已知某些種子序列的突變與疾病相關(guān)。例如，miRNA-96的突變與漸進性聽力喪失有關(guān)（Mencía等，2009；Soldà等，2012），miRNA-184的突變導(dǎo)致EDICT綜合征，這是一種罕見的眼部疾病，表現(xiàn)為虹膜發(fā)育不全、角膜內(nèi)皮營養(yǎng)不良和先天性白內(nèi)障（Hughes等，2011；Iliff，Riazuddin和Gottsch，2012；Lechner等，2013），而miRNA-140-5p的突變會引起先天性骨骼疾病（Grigelioniene等，2019）。針對代謝紊亂、心血管疾病、神經(jīng)退行性疾病和癌癥等疾病的microRNA診斷和治療技術(shù)正在取得進展。

編譯來源：https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2024/advanced-information/