陈匡时署名文章：microRNA非典型功能及其在RNA药物开发中的潜力
诺贝尔奖委员会于本周一（北京时间）宣布，将 2024 年诺贝尔生理学或医学奖授予维克多·安布罗斯（Victor Ambros）和加里·鲁夫昆（Gary Ruvkun），以表彰他们在微小 RNA（microRNA）及其在“基因沉默”功能方面的发现。
图 | 本文作者：北京大学未来技术学院生物医学工程系陈匡时博士/研究员（来源：陈匡时）
这些发现揭示了基因调控的新维度，也为生命体在数亿年时间中如何进化、人体如何由各种不同的组织构成、以及疾病的发生与发展等生命现象提供了重要解释。
Victor Ambros 和 Gary Ruvkun 利用秀丽隐杆线虫（C. Elegans）为模型生物研究基因调控。C.Elegans 虽然体积小（1mm 长），但拥有许多特殊的细胞类型，例如神经细胞和肌肉细胞。
这些细胞在更大、更复杂的动物中也存在，因此它成为研究多细胞生物中组织如何发育和成熟的有力模型。lin-4 和 lin-14 是两种调控 C. Elegans 发育的重要基因（图 1）。
图 1 |（来源：诺奖官网）
Victor Ambros 发现了 lin-4 能降低 lin-14 的表达 [1]，并发现了 lin-4 基因不编码蛋白质，而是编码了长度为 22nt 的小 RNA，即微小 RNA（microRNA）[2]。
Ruvkun 则克隆了 lin-14 基因，并发现了其 3‘UTR 是其关键的基因调控元件 [3]。最后两位科学家合作发现了 lin-4 能与 lin-14 mRNA 中的 3‘UTR 通过序列互补而实现对 lin-14 基因的沉默 [2，4]。
在之后的工作中，Ruvkun 更进一步的发现另一个 let-7 microRNA 具有类似 lin-4 的基因调控模式 [5]，并且 let-7 基因高度保守，广泛存在于整个动物界 [6]。
这些工作随后引发了科学家对 microRNA 的广泛研究。如今，我们知道人类中存在上千个不同 microRNA 的基因，并且 microRNA 的基因调控功能广泛存在于多细胞生物中（图 2）。
图 2｜（来源：参考文献 7）
在 microRNA 被发现之前，科学界普遍认为基因调控主要发生在基因转录水平。
一类被称为“转录因子（transcription factor）”的特殊蛋白质可以结合到 DNA 的特定区域，并通过决定哪些 mRNA 被生成来控制遗传信息的流动。
已有数千种转录因子被鉴定，导致转录因子-DNA 互作被认为是基因表达调控的主要机制。
然而，这一机制无法解释为何尽管起始于相同的遗传信息，即同一个人细胞都包含相同的染色体，但是不同的细胞类型（如心肌细胞与皮肤细胞）具有非常明显的形态与功能差异。
microRNA 及其基因沉默功能的发现为这一生物学现象提供了合理解释。
此外，microRNA 具有基因沉默的功能也引发了人们去探索利用其作为治疗药物的可能性。
然而，由于 microRNA 不需要与目标 mRNA 完全互补便能抑制其表达的特性也提示基于 microRNA 的基因沉默治疗可能产生脱靶效应。
值得一提的是，除了实现基因沉默，新的研究表明 microRNA 也能与细胞中介导基因沉默的组分（RNA-induced silencing complex）之外的生物大分子互作，实现”非典型（unconventional）”的 microRNA 功能 [8]。
例如，我们团队先前的研究发现，microRNA 能够与逆转录病毒包括 HIV-1 和 MLV 的结构蛋白 Gag 在人类细胞中通过静电作用发生非特异性互作（图 3），从而干扰 Gag 与病毒基因组互作，进而抑制 Gag 在细胞膜上组装成病毒颗粒并造成组装平台被内吞最终在溶酶体中被降解 [9-11]。
这样的抑制效果在目标 RNA 不存在或是 RISC 被敲低时更显著。随后，我们还利用这一原理，开发了可有效抑制 HIV 病毒组装的 RNA 纳米材料 [12]。
这些研究成果提示了 microRNA 的“非典型”功能可被利用于干扰疾病中的关键 RNA-蛋白互作，成为一种不具备脱靶问题的 RNA 治疗药物。
图 3 | microRNA（miRNA）干扰病毒颗粒组装机制。（来源：陈匡时）
总的来说，microRNA 的相关研究是一个令人兴奋且快速发展的领域。目前，一些 microRNA 已被证实可作为肿瘤标志物，成为相关癌症的诊断依据。
随着人们对 microRNA 理解的不断加深，相信有朝一日 microRNA 可被直接用于疾病治疗。
参考资料：
1. Ambros, V. (1989) A hierarchy of regulatory genes controls a larva-to-adult developmental switch in C. elegans. Cell, 57, 49-57.
2. Lee, R.C., Feinbaum, R.L. and Ambros, V.（1993）The C. elegans heterochronic gene lin-4 encodes small RNAs with antisense complementarity to lin-14. Cell, 75, 843-854.
3. Wightman, B., Burglin, T.R., Gatto, J., Arasu, P. and Ruvkun, G.（1991）Negative regulatory sequences in the lin-14 3'-untranslated region are necessary to generate a temporal switch during Caenorhabditis elegans development. Genes Dev, 5, 1813-1824.
4. Wightman, B., Ha, I. and Ruvkun, G.（1993）Posttranscriptional regulation of the heterochronic gene lin-14 by lin-4 mediates temporal pattern formation in C. elegans. Cell, 75, 855-862.
5. Reinhart, B.J., Slack, F.J., Basson, M., Pasquinelli, A.E., Bettinger, J.C., Rougvie, A.E., Horvitz, H.R. and Ruvkun, G.（2000）The 21-nucleotide let-7 RNA regulates developmental timing in Caenorhabditis elegans. Nature, 403, 901-906.
6. Pasquinelli, A.E., Reinhart, B.J., Slack, F., Martindale, M.Q., Kuroda, M.I., Maller, B., Hayward, D.C., Ball, E.E., Degnan, B., Muller, P. et al.（2000）Conservation of the sequence and temporal expression of let-7 heterochronic regulatory RNA. Nature, 408, 86-89.
7. Winter, J., Jung, S., Keller, S., Gregory, R.I. and Diederichs, S. (2009) Many roads to maturity: microRNA biogenesis pathways and their regulation. Nat Cell Biol, 11, 228-234.
8. Dragomir, M.P., Knutsen, E. and Calin, G.A.（2018）SnapShot: Unconventional miRNA Functions. Cell, 174, 1038-1038 e1031.
9. Chen, A.K., Sengupta, P., Waki, K., Van Engelenburg, S.B., Ochiya, T., Ablan, S.D., Freed, E.O. and Lippincott-Schwartz, J.（2014）MicroRNA binding to the HIV-1 Gag protein inhibits Gag assembly and virus production. Proc Natl Acad Sci U S A, 111, E2676-2683.
10. Pak, A.J., Grime, J.M.A., Sengupta, P., Chen, A.K., Durumeric, A.E.P., Srivastava, A., Yeager, M., Briggs, J.A.G., Lippincott-Schwartz, J. and Voth, G.A.（2017）Immature HIV-1 lattice assembly dynamics are regulated by scaffolding from nucleic acid and the plasma membrane. Proc Natl Acad Sci U S A, 114, E10056-E10065.
11. Qu, N., Ma, Z., Zhang, M., Rushdi, M.N., Krueger, C.J. and Chen, A.K.（2018）Inhibition of retroviral Gag assembly by non-silencing miRNAs promotes autophagic viral degradation. Protein Cell, 9, 640-651.
12. Qu, N., Ying, Y., Qin, J. and Chen, A.K.（2022）Rational design of self-assembled RNA nanostructures for HIV-1 virus assembly blockade. Nucleic Acids Res, 50, e44.
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