摘获2024诺贝尔奖!miRNA何以站上基因调控C位?
时间:2024-10-18 阅读:88
在生命科学的浩瀚星空中,微小RNA(miRNA)如同一颗璀璨的星辰,以其调控作用基因表达研究的新方向。2024年诺贝尔生理学或医学奖的揭晓,更是将这一领域的研究推向了新的高潮。美国科学家维克托·安布罗斯(Victor Ambros)和加里·鲁夫昆(Gary Ruvkun)因发现miRNA及其在转录后基因调控中的关键作用,共同荣获了这一殊荣。
中心法则与miRNA的奥秘
DNA是遗传物质,是携带遗传信息的载体。信息从基因的核苷酸序列中被提取出,用来指导蛋白质合成的过程对地球上的所有生物都是相同的,分子生物学家称之为中心法则(central dogma)。生物体的遗传信息以密码形式编码在DNA分子上,表现为特定的核苷酸排列顺序,并通过DNA的复制(replication)使遗传信息从亲代传向子代。在后代的生长发育过程中,DNA分子中的遗传信息转录(transcription)到RNA分子中(即RNA聚合酶以DNA为模板合成RNA),再由RNA翻译(translation)生成体内各种蛋白质,行使特定的生物功能。此外,生物界还存在由RNA 指导下的DNA合成过程,即逆转录,这一过程发现于逆转录病毒中。通过基因转录和翻译得到的蛋白质分子可以反过来作用于DNA,调控其它基因的表达。
图1.中心法则过程
然而,随着研究的深入,科学家们发现,RNA不仅仅作为DNA与蛋白质之间的“信使”,还扮演着更为复杂的调控角色。miRNA,作为一类非编码RNA,正是这一调控网络中的重要成员。
什么是miRNA?
miRNA,即微小RNA,是一类长度通常在20~25个核苷酸左右的小型RNA分子。它们由基因组编码产生,经过一系列复杂的加工过程,最终成为具有特定功能的调控分子。miRNA的序列特异性使其能够与目标mRNA的3'非翻译区(3'UTR)通过碱基互补配对的方式结合,从而影响目标mRNA的稳定性或翻译过程,进而调控基因的表达水平。
图2.miRNA的加工过程
miRNA的调控作用
miRNA在生物体内发挥着至关重要的调控作用。它们能够参与细胞的分化、增殖、凋亡等多种生理过程,对细胞的命运和功能产生深远影响。通过调控基因表达网络,miRNA能够精细地调节生物体的发育和生理过程,确保生物体能够适应环境变化并维持内稳态。此外,miRNA的异常表达与多种疾病的发生密切相关,如癌症、神经系统疾病、心血管疾病等。因此,miRNA不仅成为疾病诊断的重要标志物,也为疾病治疗提供了新的策略。
miRNA为疾病诊断的重要标志物
miRNA在多种疾病的诊断中显示出巨大潜力,特别是在癌症领域。miRNA的表达模式在不同类型的癌症中会发生显著变化,具有高度特异性。因此,miRNA可以作为疾病诊断和分级的重要指标。
图3.不同癌种中miRNA的调控
肝癌
研究表明,在肝癌患者的肿瘤组织中,特定的miRNA(如miR-767-5p和miR-1180-3p)的表达水平显著升高,显示出强烈的特异性。
肺腺癌
某些miRNA(如miR-148a-5p、miR-31-5p、miR-548v和miR-550a-5p)可以用作肺腺癌患者的预后工具。
血清来源的小胞外囊泡(sEV)miRNA在良性和卵巢癌恶性鉴别方面表现出良好性能。
miRNA甲基化水平可作为早期胰腺癌诊断的重要生物标记物,其敏感性和特异性甚至优于某些传统肿瘤标志物。
血液miRNA可作为胃癌早筛早诊的标志物。
此外,miRNA在甲状腺结节良恶性判断中也表现出潜力,相关产品如ThyGenX和ThyraMIR已纳入美国医保。研究还显示,miRNA与神经退行性疾病、心血管疾病等也有一定的关联,尽管这些领域的研究尚在早期阶段。
随着miRNA在疾病诊断领域的不断发展,多个miRNA诊断试剂盒已经获得相关监管机构的批准。
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GASTROClear™:由Mirxes觅瑞公司开发,以血液中的miRNA为标志物,用于胃癌的早期筛查。该产品在新加坡和欧盟已获得批准,并在中国进行大规模临床试验。该试剂盒仅需抽取5毫升血液,即可筛查出胃癌高风险人群,其灵敏度较高,针对I期胃癌检测灵敏度达到87.5%。
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ThyGenX和ThyraMIR:这两款产品用于甲状腺结节良恶性判断,已纳入美国医保。
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尿液miRNA前列腺癌检测试剂盒:由美国miR Sentinel公司推出,获得了美国FDA的“突破性创新技术”认定。
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7种微小核糖核酸(microRNA)检测试剂盒(PCR荧光探针法):由国家药监局已经批准的miRNA癌症诊断试剂盒,为中山医院樊嘉院士牵头研发,用于肝癌早期诊断的试剂盒。该试剂盒已写入临床指南,《原发性肝癌诊疗指南(2022 年版)》指出,基于7个miRNA 的检测试剂盒可以作为肝癌早期诊断标志物,其诊断肝癌的敏感性和特异性分别为86.1%和76.8%,特别是对于AFP阴性肝癌的敏感性和特异性也达到了77.7%和84.5%。该试剂盒是国际肝癌miRNA检测试剂盒。
miRNA作为新一代的疾病诊断标志物,在癌症及其他多种疾病的早期筛查、诊断和预后监测中展现出巨大潜力。未来,miRNA疗法或将成为个性化医疗和精准医学的重要组成部分,助力实现疾病的早期发现和治疗。
miRNA成为疾病治疗新策略
miRNA作为疾病治疗的新策略,当前小核酸药物的开发,是生命科学和医学领域的研究热点。小核酸药物是指能利用siRNA、miRNA及反义核酸(ASO)等核酸小分子特异性地沉默疾病基因的表达,以治愈特定疾病的药物。小核酸药物主要分为siRNA、miRNA、ASO、小激活RNA(saRNA)、核酸适配体(aptamer)、转运RNA(tRNA)碎片、抗体核酸偶联药物(ARC)等。与传统的药物相比,小核酸药物具有针对性强、副作用小、适用范围广等优势。它们的作用机理涉及精细地调节或沉默疾病相关基因的表达,从而阻断疾病的发展过程。这种从根源上治疗疾病的策略,对于一些传统药物难以治愈的疾病,如某些遗传性疾病、癌症和病毒感染,展示了巨大的潜力。
据中关村联新生物医药联盟整理,2023年有4款小核酸产品相继获批(包括1款siRNA药物Rivfloza,2款反义核酸ASO药物Qalsody、Wainua和1款核酸适配体Aptamer药物Izervay),目前全球已有19款小核酸药物获批上市,治疗领域主要集中在DMD、罕见的血脂异常、SMA、ALS等罕见病领域。
miRNA检测方法
miRNA的检测方法多种多样,适用于不同的研究和临床应用场景。以下是一些常用的miRNA检测方法:
这是一种传统的检测方法,可以检测成熟miRNA及其前体,但存在低通量、耗时长、易降解等缺点,并且敏感度较低。
实时荧光定量PCR法具有动态范围大、灵敏度高、序列特异性强等优点,已成为检测miRNA表达的常规和可靠技术。这种方法通过逆转录将目标miRNA转化为cDNA,然后进行PCR,实现实时荧光检测 。
这是一种快速、高通量检测miRNAs的方法。微阵列技术使用标记探针通过逆转录产生样品RNA,并使用与目标miRNA具有相同序列的固相寡核苷酸检测这些荧光基团或生物素标记的cDNA 。
dPCR是一种绝对定量的方法,它通过将样品分配到成千上万的微滴中进行PCR扩增,从而实现单分子级别的检测 。
NGS是目前检测靶向miRNA和新型miRNA的方法,它能够在短时间内处理数百万个序列读取,同时保持高度的敏感性和特异性。与其他用于miRNA检测的方法不同,NGS不局限于已知的miRNA,这使其成为目前大多数研究的方法。
翌圣生物研发人员经过不懈的努力,研发出一系列miRNA功能研究的相关试剂盒,助力探索miRNA的新的调控机制及诊断与治疗策略。
miRNA功能研究解决方案