北京时间10月7日下午5点30分，瑞典卡罗琳医学院宣布：美国科学家维克托·安布罗斯（Victor Ambros）和加里·鲁夫昆（Gary Ruvkun）因其发现microRNA及其在转录后基因调控中的作用而获得2024年诺贝尔生理学或医学奖。
1993年，安布罗斯和鲁夫昆几乎同时发现秀丽隐杆线虫中的lin-4基因，它不编码蛋白质，而是转录产生一段22bp的微小RNA（microRNAs， miRNA）。这种微小RNA可以抑制一种核蛋白LIN-14基因的表达从而调节线虫的发育。他们推测：这种抑制机制在于lin-4能够与LIN-14 mRNA的3’UTR区域上独特的重复区域互补。这一发现在当时并没有引起很大关注，普遍认为这只是存在于秀丽隐杆线虫中的特殊调控机制。
直到7年后，鲁夫昆发现了第二个miRNA“let-7”，let-7也能通过结合在一些靶基因mRNA的3’UTR区域从而调节线虫发育，并证明了它在动物界中高度保守——即相对稳定地出现在不同的物种之间。这表明miRNA是一种广泛存在的调控机制。随着越来越多的miRNA发现，截止到2023年miRBase收录的人类miRNA就有1917个，miRNA能参与到许多生理机制的调控，并且可以作为某些疾病的标志物，miRNA的作用越来越来重要。
一、miRNA的生成
miRNA是真核生物中广泛存在的一种长约21-23个核苷酸的RNA分子，可调节其他基因的表达。大多数miRNA的转录是由RNA polymerase II （Pol II）介导的，少数由RNA polymerase III （Pol III）介导。RNA聚合酶最先合成的是miRNA的初始转录本（primary transcript），被称为primary miRNA（pri-miRNA）。pri-miRNA一般长达数千nt，内部有茎环结构（stem-loop structure）。随后，在蛋白复合物Drosha-DGCR8的作用下进一步被加工成具有茎环结构的长约65nt前体miRNA（pre-miRNA），Drosha识别发夹基部的双链RNA -单链RNA连接，而两个DGCR8蛋白结合茎环结构并确保正确的切割，pre-miRNA在细胞核转运蛋白exportin 5（EXP5）的协助下从核内转运到细胞质中。在细胞质中，pre-miRNA被Dicer-TRBP识别，并通过对茎环结构的剪切和修饰，在细胞质内形成miRNA二聚体。之后会发生一个链选择（strand selection）的过程：选择哪一条链被保留在RISC中去行使功能，哪一条链被丢弃；其中一条链迅速降解，另一条链被转载进AGO2蛋白中，形成RNA诱导沉默复合体（RISC）;当两条链都被保存下来时，按照常规的顺序，将5’端臂加工而来的命名为microRNA-5p,3’端臂加工而来的命名为microRNA-3p。
二、miRNA的调控机制
当miRNA被装载到RISC复合物中后，便可以发挥其基因表达调控的作用。miRNA可以指导RISC在转录后水平下调控基因的表达——mRNA的降解或翻译抑制。miRNA会通过其种子序列（5’端第2-8位核苷酸）识别靶基因mRNA 3’-UTR上的结合位点，对mRNA发挥翻译抑制或降解的作用。对靶基因的转录抑制还是降解，根据其互补配对情况：如果mRNA能够与miRNA完全互补，该mRNA就会被RISC特异地降解，在植物当中大多数的miRNA与靶基因完全互补匹配，能够降解mRNA；如果mRNA不能与miRNA完全互补，仅在某个位点与miRNA互补，那么RISC就不会特异地降解mRNA，只是阻止mRNA作为翻译的模板，使之不能合成蛋白质。在动物中，多数情况下复合物中的单链miRNA与mRNA的3’UTR不完全互补配对，从而阻碍对该mRNA的翻译，并以此来调控基因表达，但不影响mRNA的稳定性。最新研究，也发现miRNA能够结合到靶基因的启动子区域，促进靶基因的转录。
（1）miRNA对mRNA翻译抑制
成熟的miRNA作为包括AGO蛋白在内的功能单位发挥作用，AGO蛋白是RISC核心成分，有4个结构域，分别是：N-terminal、PAZ、MID、PIWI结构域。PIWI能识别miRNA的5’端，并将其排列成螺旋状构象；MID结构域有一个5’端核苷酸的结合袋。另一个结合袋位于PAZ结构域，包含3’端核苷酸。AGO2中间结构域具有结合m7G帽子的活性，AGO2通过对miRNA招募靶mRNA的3’UTR，从而与起始复合物eIF4E/G竞争性结合m7G帽子，最终发挥对翻译起始复合物的抑制作用。当mRNA的翻译抑制时，可能引发mRNA的脱帽、脱尾反应，然后引起mRNA从5’端或者3’端开始降解。这可能是动物细胞中miRNA造成mRNA水平降低的主要方式。
（2）miRNA对mRNA降解
当miRNA与靶基因mRNA完全互补时，miRNA成熟体与AGO蛋白形成复合物在miRNA最中间的结合位点对靶基因mRNA进行剪切，随后mRNA被降解。切割作用的执行者是AGO蛋白，哺乳动物AGO蛋白有4个：分别是AGO1-4；其中有切割功能的只有AGO2。动物体中也存在miRNA介导的mRNA切割，例如miR-196和HOXB8几乎完全互补配对，导致HOXB8的mRNA被切割。关于miRNA与mRNA互作相关研究可详见“miRNA靶点位于mRNA CDS区研究”及“【文献解读】ceRNA机制研究经典思路”。
三、miRNA的应用前景
由于miRNA在细胞过程中的重要调控作用，它们的应用前景广泛，尤其在疾病的诊断、治疗以及预后判断等方面。
（1）诊断
miRNA可以作为生物标志物用于疾病的早期诊断。例如，在癌症中特定的miRNA表达模式可以用来识别不同类型的肿瘤。对于某些疾病，如心血管疾病，检测血液或其他体液中的特定miRNA可以辅助诊断。
（2）治疗
调控miRNA的水平可以作为一种治疗策略，用于纠正因miRNA失调导致的疾病状态。一些miRNA模拟物或抑制剂已经在临床试验中测试，用于治疗癌症和其他疾病。
（3）预后
特定miRNA表达模式可以作为预后标记物，帮助医生判断患者的生存期、复发风险以及其他重要的健康指标。miRNA可以用来将患者分为不同的预后组别，这对于实施精准医疗非常重要。通过识别那些具有较高风险发展成严重病情的患者，医生可以采取更加积极的治疗措施。
（4）食疗
许多植物中miRNA可以通过饮食进入人体内，调控生理功能。在2012年南京大学张辰宇教授研究团队就发现植物来源的MIR168a能够影响肝脏正常功能（Zhang et al., 2012），因此miRNA在中药开发和食疗上提供了重要的指导方法。
虽然miRNA具有广泛的应用潜力，但其实际应用还面临一些挑战，包括但不限于miRNA的特异性识别、递送技术（纳米颗粒）的发展、副作用管理以及成本效益分析等。此外，尽管一些miRNA相关的疗法已经进入临床试验阶段，但在获得监管机构的批准之前，还需要大量的安全性和有效性数据支持。总之，miRNA作为一种新兴的生物技术，其未来的应用价值是非常值得期待的。
参考文献
Chen Y, Gao D Y, Huang L. In vivo delivery of miRNAs for cancer therapy: challenges and strategies[J]. Advanced drug delivery reviews, 2015, 81: 128-141.
Gebert L F R, MacRae I J. Regulation of microRNA function in animals[J]. Nature reviews Molecular cell biology, 2019, 20(1): 21-37.
Han L, Luan Y S. Horizontal transfer of small RNAs to and from plants[J]. Frontiers in plant science, 2015, 6: 1113.
Huang Y, Shen X J, Zou Q, et al. Biological functions of microRNAs: a review[J]. Journal of physiology and biochemistry, 2011, 67: 129-139.
Zhang L, Hou D, Chen X, et al. Exogenous plant MIR168a specifically targets mammalian LDLRAP1: evidence of cross-kingdom regulation by microRNA[J]. Cell research, 2012, 22(1): 107-126.
