文章專區

Take Home Message
▶ 1993 年，兩位美國生物學家在線蟲基因體內發現短小的 RNA 分子（後來被命名為 miRNA）能夠調控基因表現，不同於傳統生物學的中心法則。
▶ miRNA先轉錄成較長的前驅形式，經過剪切後與RNA誘導沉默複合體結合，可抑制目標mRNA的轉譯，以調控基因表現。
▶ miRNA 的發現促進我們對 RNA 干擾和非編碼 RNA 的理解。此外，miRNA 也與人類疾病發生有關，可作為疾病診斷的新指標。

維克多．安布羅斯
Victor Ambros（1953 ～）
國籍｜美國
任職單位｜麻省大學
研究領域｜生物學、分子醫學

（資料來源：Rick Friedman / Alamy Stock Photo）

加里．魯夫昆
Gary Ruvkun（1963 ～）
國籍｜美國
任職單位｜麻省總醫院
研究領域｜分子生物學

人體有皮膚細胞、血球細胞、神經細胞等多種不同的細胞，但這些細胞都是從一顆受精卵發育而來。這樣的發育過程到底是如何發生的呢？人類有將近兩萬個基因，而每一種細胞只會表現兩萬個基因中的一部分，導致它們各自擁有獨特的形態與功能。因此，每個基因的表現與否，都受到嚴密且精確地調控。不過，基因調控實際上如何發生，一直是生物學家探究的問題。

微小卻能調控基因的miRNA

我們從生物課本上讀到的分子生物學中心法則，就是生物的遺傳訊息存在於細胞核的去氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid, DNA） 中， 由DNA 先轉錄（transcription）成約1000 個核苷酸以上組成的訊息核糖核酸（messenger ribonucleic acid, mRNA），接著再由mRNA 轉譯（translation）出蛋白質後，以蛋白質執行各種細胞運作所需的生理功能。不過，1993 年兩位美國生物學家安布羅斯（Victor Ambros）與魯夫昆（Gary Ruvkun）在秀麗隱桿線蟲（Caenorhabditis elegans）發育的研究中，有了一個顛覆此思維的發現。

安布羅斯找到一個基因lin-4，而它真正執行功能的是一段非常短、僅由22 個核苷酸組成的核糖核酸（ribonucleic acid, RNA）。魯夫昆則進一步發現此短片段的RNA 會結合在另一個基因lin-14 的mRNA 3 端非轉譯區（3'UTR），進而抑制lin-14 的mRNA 轉錄出蛋白質的量。這個劃時代的發現雖然很新奇，但是生物學界懷疑這可能是線蟲獨有的基因調控方式，人類未必會採用一樣的方式。

到了2000 年， 魯夫昆實驗室找到第二個短的RNA ――let-7。重點是let-7 不僅在線蟲體內被發現，包含人類在內的哺乳動物都具有let-7 基因。這項發現在生物學界開啟了一個嶄新的領域，這些短片段RNA 被命名為微型RNA（microRNA, miRNA），它們雖然微小卻能調控其他基因的表現。在往後的研究中，生物學家陸續發現更多的miRNA，目前光是在人類的基因體就已經找到了超過1900 種！

揭開miRNA的作用

20 多年來，科學家持續對miRNA 進行研究，目前已經知道miRNA 基因會在一開始轉錄出一段較長的單股前驅miRNA。這段前驅miRNA 的序列彼此互補，且會折疊成髮夾般的雙股RNA（doublestranded RNA, dsRNA）， 接著再被剪切成大約21 個核苷酸長的dsRNA。這段dsRNA 與RNA 誘導沉默複合體（RNA-induced silencing complex,RISC）結合之後，其中一股RNA 會被切除，剩下的另一股就是miRNA 了。

接下來，RISC 會與miRNA 一起找到能和miRNA序列互補的mRNA，並且抑制這些mRNA 的轉譯。值得一提的是，miRNA 不會100 ％ 與它找到的mRNA 序列互補，但只要miRNA 的5 端有部分序列（約六個鹼基）與mRNA 互補，就可以引發後續的轉譯調控（圖一）。由於此特性，一種miRNA可以抑制幾十、甚至上百種基因的轉譯。傳統上科學家認為基因必須經過轉錄與轉譯後產生蛋白質，再以蛋白質來執行細胞運作所需的功能。而miRNA卻以RNA 的形式就能執行功能，顛覆了所有生物學家的想像。

圖一｜ miRNA 的運作原理
（資料來源：作者提供）

後續研究對生物學界的重大影響

安布羅斯與魯夫昆發現了miRNA，以及他們的後續研究，在基礎科學研究上還帶來兩個重大影響。2006 年諾貝爾生理醫學獎頒給兩位研究RNA 干擾（RNA interference, RNAi）的生物學家――法厄（Andrew Fire） 與梅洛（Craig Mello）。RNAi 是dsRNA 抑制基因表現的一種現象。有趣的是，他們兩人也是透過秀麗隱桿線蟲的研究破解了RNAi的機制。前段提到miRNA 在細胞中被剪切的過程，以及RISC 都有許多不同蛋白與RNA 水解酶（ribonuclease, RNase）參與。這些剪切miRNA與執行miRNA 功能的蛋白，有很大一部分也參與在RNAi 的作用過程中。顯見miRNA 的發現與運作機制也能幫助我們更了解RNAi 的機制。

第二個miRNA 研究的重要性，在於開啟了整個非編碼RNA（noncoding RNA）研究的第一扇門。在2000 年之後，生物學家開始把研究焦點轉移到各種有功能的非編碼RNA，miRNA 只是眾多非編碼RNA 中的一個類群而已。生物學家陸續找到不同功能的非編碼RNA，例如在生殖細胞抑制跳躍子作用的piRNA（piwi-interacting RNA）； 調節miRNA功能的環狀核糖核酸（circular RNA, circRNA）；與轉錄因子協同調控不同基因轉錄的長鏈非編碼RNA（long non-coding RNA, lncRNA）。因此miRNA 的發現，可以說是這些非編碼RNA 研究的濫觴。……【更多內容請閱讀科學月刊第660期】