2006年诺贝尔生理学或医学奖由两个美国科学家,安德鲁·法尔和克雷格·梅洛获得,以表彰他们发现了RNA(核糖核酸)干扰机制.虽然奖项名目既涉及生理学,也涉及医学,但针对本年度两位获奖者及其成果,欧美媒体无不把今年这一奖项称为诺贝尔医学奖.
对生物体内RNA的研究,是近年来生物学界和医学界无可争议的热点.曾有科学家形容：这是一个RNA时代的到来.而这样一个热门领域的产生,源于1998年美国人安德鲁·法尔和克雷格·梅洛在《自然》杂志上发表的一项研究成果：他们首次将双链RNA导入线虫基因中,并发现双链RNA较单链RNA更能高效地特异性阻断相应基因的表达,他们称这种现象为RNA干扰.他们的这一发现也促使后来的科学家认识到,生物体的基因转化的最终产物不仅仅是蛋白质,还包括相当一部分RNA.
“幕后使者”左右基因沉默
有人这样比喻：DNA是电影胶卷,RNA是放映机,蛋白质是在银幕上播放的电影.那么,放映的过程就是“基因表达”.
“安德鲁·法尔和克雷格·梅洛的重大发现,为人类对生命的研究开辟了一个非常广阔的领域.有些科学家认为,他们的这一研究成果好像宇宙学中的暗能量,是生物研究的一个全新世界.他们获得诺贝尔奖是名副其实的.”中国科学院生物物理研究所蛋白质工程实验室主任、国际人类基因组组织委员陈润生研究员评价说.
转基因植物和转基因动物中往往会遇到这样的情况：外源基因存在于生物体内,并未丢失或损伤,但该基因不表达或表达量极低,这种现象称为基因沉默.
其实早在20世纪70年代,人们就认识到了RNA会影响生物体的整个生命活动.但当时人们对于RNA的理解,还仅限于生物体的基因是由DNA(脱氧核糖核酸)通过转录形成信使RNA,随后翻译形成蛋白质才能起作用.
1990年,科学家为了加深矮牵牛花的紫色,将添加过量的合成色素的基因拷贝入细胞,结果事与愿违,不仅转入的基因未表达,而且自身的色素合成也减弱了,转基因的花出现了白色或全白色,当时他们把该现象称作共抑制.后来在对真菌、线虫、果蝇、老鼠等动物细胞的进一步研究中,这种现象也得到了确认.
陈润生说,直到1998年,科学家才真正认识到这种分子的力量.“RNA干扰”现象是在线虫试验中观察到的,安德鲁·法尔和克雷格·梅洛将外源的双链RNA加入到线虫的基因中,发现它能抑制特定基因表达相应的蛋白质,首次证明此过程属转录后的“基因沉默”,并证明了小RNA分子是某些基因抑制现象的“幕后使者”.
全新基因被发现
“许多人将这个词翻译为RNA干扰,而我更倾向于将它解释为RNA干涉.”陈润生说：“因为干涉的意思更能体现RNA是对于特定的目标基因起作用,而不是杂乱无章的.”
生物体的这一机制被安德鲁·法尔和克雷格·梅洛揭示之后,科学家推论,这一机制本身应是为生物体内部服务的.果然,科学家随后发现,生物体体内本身也存在这种产生双链RNA的基因,只不过一直没有被发现而已.
“这种RNA就叫做小RNA基因,也是生物体遗传密码的一部分.这种RNA基因实际上是内源性的.以前人们一致认为RNA最后的产物是蛋白质,这种传统意义上的由DNA产生单链RNA的基因现在通常的叫作编码基因；但小RNA基因的发现让人们认识了另外一类基因,它们的最终产物是RNA.”陈润生解释说：“小RNA就是其中一种,小RNA是双链的,较一般RNA短得多,它能对细胞和基因的很多行为进行控制,可指导染色体中的物质形成正确的结构.这些最终产物是RNA的基因叫作非编码基因.目前在高等生物体内发现的非编码基因数量越来越多.从RNA干扰现象发现对RNA调控的一套全新的机制,是这几年生物学中的重大革命.”
虽然小RNA的作用机制目前还未完全搞清,但在线虫、果蝇、植物细胞及动物卵细胞的研究中已证实,直接导入或转染入细胞的小RNA通过特异性的几种酶的作用,可进一步形成RNA诱导基因沉默的复合体.这些复合体能特异性地与靶向信使RNA结合并进入再循环,进而形成不断放大的瀑布式放大效应,从而使RNA干涉作用在短时间内即可迅速有效抑制有害基因蛋白质或多肽的合成.
RNA干扰机制的发现引导人们发现了一种全新的基因.科学家们逐渐发现,非编码基因的数量是非常大的,在高等生物体内,科学家们认为非编码基因的数量可以和编码基因相比拟.“这个发现使得我们人类对基因的研究,从只有一个蛋白质的世界,现在变成了RNA和蛋白质两个功能元件组成的两种元件世界.这让我们人类对各种生物的了解变得更加丰富,更加多样,并且能更好的说明生命的复杂性和多样性.”陈润生说.
科学家认为,成千上万非编码蛋白质的RNA分子组成了巨大的分子网络,调节着细胞中的生命活动,这好比宇宙中的暗物质,将为基因组和生命科学研究提供重新审度细胞及其演化过程的新思路.
让致病基因“沉寂”
RNA干扰又有什么用呢?有迹象表明,某些小RNA分子能够通过引导基因打开或者关闭来决定某一个细胞的命运,这将会对引诱细胞形成某种特定类型的组织产生深远的影响.近年的研究发现,用这种方法,可以导致相应蛋白质无法合成,从而“关闭”特定基因,控制入侵细胞的病毒.这给人们看到了治疗艾滋病和癌症的新希望.
陈润生认为,利用RNA干扰研究基因功能是对基因基础研究的一个便捷工具.科学家利用RNA干扰对目标基因进行特异性地表达沉默,通过观察其表达被抑制后细胞乃至生物体从形态到各项生理生化的变化来推导该基因的功能.
这些自身存在的RNA不但是高等动物中有,高等植物中也有.2003年科学家发现,病毒中也存在这种基因,现在几乎所有的生物中都被证明存在这样的非编码基因.
陈润生介绍说,目前,RNA干扰现象的后续研究实际上是朝着两个方向发展的：一是基础研究方面,继续研究在生物体内存在的RNA基因的功能、调控机制以及和蛋白质(编码基因)的关系；二是深入研究RNA干扰现象,把RNA干扰现象用到可能应用的情况,比如说医疗实践,例如用于抑制肿瘤的和其他疾病的基因.
“这种技术还被用于基因治疗研究,很多医学研究也正在利用这种技术,希望直接从源头上抑制致病基因,以治疗癌症甚至艾滋病等重大疾病.”陈润生说：“目前,已有研究证明在培养的哺乳动物细胞中,RNA干扰可用于抗病毒和抗肿瘤等的基因治疗.艾滋病、老年痴呆等重大疾病今后都有可能通过这种新途径被治愈.此外,对于特定疾病的诊断,以后不一定只能以蛋白质为指标, RNA也可能成为检测重大疾病的标识物.这个领域未来的前景是非常广阔的.”
正是由于RNA干涉技术有望从“根”上治病疗疾,致使病基因静寂关闭,所以人们自然渴求尽快应用于临床.但目前此项新技术研究大都来源于离体细胞实验,在体动物实验则刚刚开始,真正应用于人类疾病的防治尚待时日,还需要科学家广泛深入和细致持久的研究.
