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  • RNA干扰

    RNA干扰(RNA interference、RNAi)是指在进化过程中高度保守的,由双链RNA诱发的,同源mRNA高效特异性降解的现象。基因沉默主要有转录前水平的基因沉默(TGS)和转录后水平的基因沉默两类:TGS是指由于DNA修饰或染色体异染色质化等原因使基因不能正常转录;PTGS是启动了细胞质内靶mRNA序列特异性的降解机制。有时转基因会同时导致TGS和PTGS。由于使用RNA干扰技术可以特异性剔除或关闭特定基因的表达(长度超过三十的dsRNA会引起干扰素毒性),所以该技术已被广泛用于探索基因功能传染性疾病恶性肿瘤的治疗领域。

    编辑摘要

    基本信息 编辑信息模块

    中文名: RNA干扰 英文名: RNA interference
    其他外文名: RNAi
    诱发: 双链RNA 现象: 同源mRNA高效特异性降解的现象

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    简介/RNA干扰 编辑

    模式图模式图

    RNAi研究取得突破性进展,被《Science》杂志评为2001年的十大科学进展之一,并名列2002年十大科学进展之首。由于使用RNAi技术可以特异性剔除或关闭特定基因的表达,所以该技术已被广泛用于探索基因功能传染性疾病及恶性肿瘤的基因治疗领域。

    发现/RNA干扰 编辑

    RNA干扰原理图RNA干扰原理图

    RNAi是在研究秀丽新小杆线虫(C. elegans)反义RNA(antisense RNA)的过程中发现的,由dsRNA介导的同源RNA降解过程。1995年,Guo等发现注射正义RNA(sense RNA)和反义RNA均能有效并特异性地抑制秀丽新小杆线虫par-1基因的表达,该结果不能使用反义RNA技术的理论做出合理解释。直到1998年,Fire等证实Guo等发现的正义RNA抑制同源基因表达的现象是由于体外转录制备的RNA中污染了微量dsRNA而引发,并将这一现象命名为RNAi。此后dsRNA介导的RNAi现象陆续发现于真菌果蝇拟南芥锥虫水螅、涡虫、斑马鱼等多种真核生物中,并逐渐证实植物中的转录后基因沉默(posttranscriptional gene silencing,PTGS)、共抑制(cosuppression)及RNA介导的病毒抗性、真菌的抑制(quelling)现象均属于RNAi在不同物种的表现形式。1999年,Hamilton等首次在PTGS植株中发现了长度为25nt的RNA中间产物。2000年,Zamore和Hammond等使用体外培养的果蝇细胞进行研究发现,外源性dsRNA通过耗能过程降解成21-23nt的小干扰RNA(small interfering RNA,siRNA)引发RNAi。2000年,Wianny和Svoboda等分别证实在小鼠胚胎细胞和卵母细胞中dsRNA能引发RNAi效应。2001年,Elbashir等证实21nt的siRNA可在避免激活dsRNA依赖的蛋白激酶(dsRNA-dependent protein kinase,PKR)和2',5'-寡聚腺苷酸合成酶(2',5'-oligoadenylate synthetase,2',5'-OAS)信号转导途径的同时,有效抑制人胚肾293细胞、Hela细胞等哺乳动物细胞中目的基因的表达。2002年,BrummelKAMP等首次使用小鼠H1启动子构建了小发卡RNA(small hairpin RNA,shRNA)表达载体pSUPER,并证实转染该载体可有效、特异性地剔除哺乳动物细胞内目的基因的表达,为利用RNAi技术进行基因治疗研究奠定了基础。2006年,安德鲁•法厄与克雷格•梅洛(Craig C. Mello)由于在RNAi机制研究中的贡献获得诺贝尔生理及医学奖。

    作用机制/RNA干扰 编辑

    作用机制作用机制

    病毒基因、人工转入基因、转座子外源性基因随机整合到宿主细胞基因组内,并利用宿主细胞进行转录时,常产生一些dsRNA。宿主细胞对这些dsRNA迅即产生反应,其胞质中的核酸内切酶Dicer将dsRNA切割成多个具有特定长度和结构的小片段RNA(大约21~23 bp),即siRNA。siRNA在细胞内RNA解旋酶的作用下解链成正义链和反义链,继之由反义siRNA再与体内一些酶(包括内切酶、外切酶、解旋酶等)结合形成RNA诱导的沉默复合物(RNA-induced silencing complex,RISC)。RISC与外源性基因表达的mRNA的同源区进行特异性结合,RISC具有核酸酶的功能,在结合部位切割mRNA,切割位点即是与siRNA中反义链互补结合的两端。被切割后的断裂mRNA随即降解,从而诱发宿主细胞针对这些mRNA的降解反应。siRNA不仅能引导RISC切割同源单链mRNA,而且可作为引物与靶RNA结合并在RNA聚合酶(RNA-dependent RNA polymerase,RdRP)作用下合成更多新的dsRNA,新合成的dsRNA再由Dicer切割产生大量的次级siRNA,从而使RNAi的作用进一步放大,最终将靶mRNA完全降解。 RNAi发生于除原核生物以外的所有真核生物细胞内。需要说明的是,由于dsRNA抑制基因表达具有潜在高效性,任何导致正常机体dsRNA形成的情况都会引起不需要的相应基因沉寂。所以正常机体内各种基因有效表达有一套严密防止dsRNA形成的机制。

    怀特黑德生物医学研究所的本杰明·刘易斯等研究人员发现小RNA能通过阻断蛋白质合成的方式调控基因表达。他们借助一个计算模型来确定小RNA和对应的基因,发现了miRNA控制很大一部分生命功能的证据。 

    研究人员比较了人类和狗、鸡、鼠的基因组,对这几个物种共有的蛋白质合成基因与miRNA寻求对应关系。结果发现,尽管这几个物种在3.1亿年前就开始“分家”各自进化,但它们基因组中受miRNA调控的基因都占三分之一左右,而且这些基因在进化过程中都得以保存而未发生变化。刘易斯说,随着更多的基因组数据发布以及实验技术的进步,还可能发现更多的基因是由小RNA调控的。

    RNAi具有的特征

    ①RNAi是转录后水平的基因沉默机制;

    ②RNAi具有很高的特异性,只降解与之序列相应的单个内源基因的mRNA;

    ③RNAi抑制基因表达具有很高的效率,表型可以达到缺失突变体表型的程度,而且相对很少量的dsRNA分子(数量远远少于内源mRNA的数量)就能完全抑制相应基因的表达,是以催化放大的方式进行的;

    ④RNAi抑制基因表达的效应可以穿过细胞界限,在不同细胞间长距离传递和维持信号甚至传播至整个有机体以及可遗传等特点;

    ⑤dsRNA不得短于21个碱基,并且长链dsRNA也在细胞内被Dicer酶切割为21 bp左右的siRNA,并由siRNA来介导mRNA切割。而且大于30 bp的dsRNA不能在哺乳动物中诱导特异的RNA干扰,而是细胞非特异性和全面的基因表达受抑和凋亡

    ⑥ATP依赖性:在去除ATP的样品中RNA干扰现象降低或消失显示RNA干扰是一个ATP依赖的过程。可能是Diecer和RISC的酶切反应必须由ATP提供能量。

    生物特性/RNA干扰 编辑

    RNA干扰原理图RNA干扰原理图

    RNAi抑制转座子活性

    两方面的证据提示转座子活性的抑制与siRNA有关。

    ① 发现蠕虫mut-7 基因参与RNAi 并且与转座子的转座抑制有关;

    ② 在果蝇中, 参与RNAi 的RNA 解螺旋酶Spindle-E 的突变将导致该基因引起的基因沉默的缺失, 同时提高了反转录转座子活性。

    RNAi抵御病毒感染

    在拟南芥中研究转基因引起基因沉默时发现, sgs2/sde1基因突变的拟南芥对病毒的侵染表现出高度的敏感性 。

    RNAi参与异染色质的形成和维持

    Hall等研究表明,着丝粒同源重复序列和RNAi 组分一起正负调节着异染色质的形成并共同促使异染色质组装成核;Vople 等在敲除裂殖酵母( S. pombe) 的RNAi 途径基因( 如Argonaute 、Dicer 、RDRP) 时发现异染色质转录得到的dsRNA可以在RNAi 途径的参与下, 加工成si RNA,si RNA 募集异染色质蛋白1( HP1) , 然后靶向性引起相应异染色质区域的转基因沉默。

    RNAi参与机体的发育调控及生理代谢

    RNAi只抑制转录后的基因, 所以RNAi 在生物体发育学研究中具有优势。Chuang 等用RNAi 技术进一步证实了AG、CLV3 、AP1 、PAN 等已知功能基因在拟南芥花发育过程中的功能。在RNAi 过程中形成的RISC 复合物可根据不同情况分别利用si RNA 或stRNA 行使不同的功能, 但最终均导致特定基因沉默。

    特点/RNA干扰 编辑

    RNAi作用机制RNAi作用机制

    高效性:Elbashir等在研究中发现分别为25 nmol/L与100 nmol/L的起始双链RNA产生的结果是一样的,只是高浓度起始的更有效些。将双链RNA浓度降低到1.5 nmol/L时产生的基因沉默效果变化不大,只有当浓度降低到0.05 nmol/L时,沉默的效果才消失。Holen等也证实1~100 nmol/L的双链RNA浓度对基因沉默的效果是一致的。这说明双链RNA介导的基因沉默效率是相当高的。

    需要ATP:Zamore等认为RNAi过程中至少有2个步骤需要能量的供给:一是长的双链RNA被 Dicer所酶切产生双链RNA;二是在双链RNA与RISC结合解链后形成有活性的RISC。

    特异性:Elbashir等和Brummel kamp等发现在21~23个碱基对中有1~2个碱基错配会大大降低对靶mRNA的降解效果。

    位置效应:Holen等根据人TF(tissue factor)不同的位置各合成了4组双链RNA来检测不同位置的双链RNA对基因沉默效率的影响。在不同浓度和不同类型的细胞中,hTF167i和hTF372i能够抑制85%~90%的基因活性,hTF562i只能抑制部分基因活性,而hTF478i则几乎没有抑制基因的活性。他们还以hTF167为中心依次相差3个碱基对在其左右各合成了几组双链RNA,有趣的是它们所能抑制该基因活性的能力以hTF167为中心依次递减。特别是hTF158i和 hTF161i只与hTF167i相距9个和6个碱基,但它们几乎没有抑制该基因活性的能力。结果还表明双链RNA对mRNA的结合部位有碱基偏好性,相对而言,GC含量较低的mRNA被沉默效果较好。

    竞争效应:Hoten等将10 nmol/L和30 nmol/L的hTF167i相比,两者的沉默基因效果无差异,但将20 nmol/L基因抑制效果很差的PSK314i和10 nmol/L的hTF167i相混和后,hTF167i产生的抑制效果明显降低。

    可传播性:在线虫中,双链RNA可以从起始位置传播到远的地方,甚至于全身。Feinberg 和Hunter在线虫细胞膜上发现一种跨膜蛋白SID1,它可以将双链RNA转运出细胞,因此系统性的RNAi包括了SID1介导的双链 RNA在细胞间的运输。但在果蝇上并未发现有此基因的同源物,因此在果蝇上通过注射产生的RNAi不能扩散。

    制备方法/RNA干扰 编辑

    化学合成

    RNA干扰模拟图RNA干扰模拟图

    许多国外公司都可以根据用户要求提供高质量的化学合成siRNA。主要的缺点包括价格高,定制周期长,特别是有特殊需求的。由于价格比其他方法高,为一个基因合成3—4对siRNAs 的成本就更高了,比较常见的做法是用其他方法筛选出最有效的序列再进行化学合成。

    最适用于:已经找到最有效的siRNA的情况下,需要大量siRNA进行研究。

    不适用于:筛选siRNA等长时间的研究,主要原因是价格因素。

    体外转录

    RNA干扰原理图RNA干扰原理图

    以DNA Oligo为模版,通过体外转录合成siRNAs,成本相对化学合成法而言比较低,而且能够比化学合成法更快的得到siRNAs。不足之处是实验的规模受到限制,虽然一次体外转录合成能提供足够做数百次转染的siRNAs,但是反应规模和量始终有一定的限制。而且和化学合成相比,还是需要占用研究人员相当的时间。值得一提的是体外转录得到的siRNAs毒性小,稳定性好,效率高,只需要化学合成的siRNA量的1/10就可以达到化学合成siRNA所能达到的效果,从而使转染效率更高。

    最适用于:筛选siRNAs,特别是需要制备多种siRNAs,化学合成的价格成为障碍时。

    不适用于:实验需要大量的,一个特定的siRNA。长期研究。

    用RNase III 消化长片断双链RNA制备siRNA

    其他制备siRNA的方法的缺陷是需要设计和检验多个siRNA序列以便找到一个有效的siRNA。而用这种方法——制备一份混合有各种siRNAs “混合鸡尾酒” 就可以避免这个缺陷。选择通常是200—1000碱基的靶mRNA模版,用体外转录的方法制备长片断双链dsRNA ,然后用RNase III (or Dicer) 在体外消化,得到一种siRNAs“混合鸡尾酒”。在除掉没有被消化的dsRNA后,这个siRNA混合物就可以直接转染细胞,方法和单一的siRNA转染一样。由于siRNA混合物中有许多不同的siRNAs,通常能够保证目的基因被有效地抑制。 

    dsRNA消化法的主要优点在于可以跳过检测和筛选有效siRNA序列的步骤,为研究人员节省时间和金钱(注意:通常用RNAse III通常比用Dicer要便宜)。不过这种方法的缺点也很明显,就是有可能引发非特异的基因沉默,特别是同源或者是密切相关的基因。现在多数的研究显示这种情况通常不会造成影响。

    最适用于:快速而经济地研究某个基因功能缺失的表型

    不适用于:长时间的研究项目,或者是需要一个特定的siRNA进行研究,特别是基因治疗

    体内表达

    前面的3种方法主要都是体外制备siRNAs,并且需要专门的RNA转染试剂将siRNAs转到细胞内。而采用siRNA表达载体和基于PCR的表达框架则属于:从转染到细胞的DNA模版中在体内转录得到siRNAs。这两种方法的优点在于不需要直接操作RNA。 

    表达载体

    多数的siRNA表达载体依赖三种RNA聚合酶III 启动子(pol III)中的一种,操纵一段小的发夹RNA(short hairpin RNA, shRNA)在哺乳动物细胞中的表达。这三类启动子包括大家熟悉的人源和鼠源的U6启动子和人H1启动子。之所以采用RNA pol III启动子是由于它可以在哺乳动物细胞中表达更多的小分子RNA,而且它是通过添加一串(3到6个)U来终止转录的。要使用这类载体,需要订购2段编码短发夹RNA序列的DNA单链,退火,克隆到相应载体的pol III 启动子下游。由于涉及到克隆,这个过程需要几周甚至数月的时间,同时也需要经过测序以保证克隆的序列是正确的。

    siRNA表达载体的优点在于可以进行较长期研究——带有抗生素标记的载体可以在细胞中持续抑制靶基因的表达,持续数星期甚至更久。

    病毒载体也可用于siRNA表达,其优势在于可以直接高效率感染细胞进行基因沉默的研究,避免由于质粒转染效率低而带来的种种不便,而且转染效果更加稳定。

    最适用于:已知一个有效的siRNA序列,需要维持较长时间的基因沉默

    不适用于:筛选siRNA序列(其实主要是指需要多个克隆和测序等较为费时、繁琐的工作)。

    表达框架

    siRNA表达框架(siRNA expression cassettes,SECs)是一种由PCR得到的siRNA表达模版,包括一个RNA pol III启动子,一段发夹结构siRNA,一个RNA pol III终止位点,能够直接导入细胞进行表达而无需事前克隆到载体中。和siRNA表达载体不同的是,SECs不需要载体克隆、测序等颇为费时的步骤,可以直接由PCR得到,不用一天的时间。因此,SECs成为筛选siRNA的最有效工具,甚至可以用来筛选在特定的研究体系中启动子和siRNA的最适搭配。如果在PCR两端添加酶切位点,那么通过SECs筛选出的最有效的siRNA后,可以直接克隆到载体中构建siRNA表达载体。构建好的载体可以用于稳定表达siRNA和长效抑制的研究。

    这个方法的主要缺点是①PCR产物很难转染到细胞中(晶赛公司的Protocol可以解决这一问题)②不能进行序列测定,PCR和DNA合成时可能差生的误读不能被发现导致结果不理想。

    最适用于:筛选siRNA序列,在克隆到载体前筛选最佳启动子

    不适用于:长期抑制研究。(如果克隆到载体后就可以了)

    干扰主体实验/RNA干扰 编辑

    siRNA表达载体构建好后,即可进行RNA干扰主体实验。

    RNA干扰主体实验的重点在于:

    表达载体导入目的细胞

    如果目的细胞的质粒转染效率较低(低于70%),则应采用腺病毒或慢病毒载体,利用病毒载体的高感染率、高表达特性,更好地开展RNA干扰主体实验。

    设置好分组和对照

    RNA干扰原理图RNA干扰原理图
    按照nature的标准,一个严格的RNAi介导knockdown实验要有6个对照:

    ⒈转染试剂对照(监控转染及培养条件对结果的影响);

    ⒉nonsense siRNA对照(监控外源核酸本身对结果的影响);

    ⒊positive siRNA对照(监控假阴性);

    ⒋技术重复对照(也叫off-target 对照,也就是利用至少2个靶点的siRNA同时实验,2个siRNA互为off-target control,当两者的表型相同时,才有可能是特异性的knockdown效应);

    ⒌rescue 对照(knockdown之后做超表达,看是否有性状的逆转,这也是为了说明knockdown的特异性);6.全表达组扫描对照(就是转录/表达芯片扫描,以最终确定表型不是由于off-target造成)。

    实际实验中,全表达组扫描对照很少有文献涉及。其它几个对照中,1,2两种对照即所谓的空白细胞对照、NC对照,基本是所有杂志都要求具备的。4,5两种对照,主要是为了解决off-target效应,选做一种即可,一般建议选5,涉及的实验即所谓的“RNA干扰回复实验”,

    RNA干扰效率检测

    一般应该从mRNA水平、蛋白质水平、细胞表型水平三个层次来检测干扰效率。

    mRNA水平:RT-PCR、Real-time PCR;蛋白质水平:Western-blot、ELISA、免疫组化;细胞表型水平:MTT、克隆形成实验、流式细胞检测、细胞小室实验等。RNA干扰效率在动物模型上的进一步验证(体内)动物模型实验可以采取“体内法”和“体外法”。

    体内法,即先做裸鼠成瘤模型,再将质粒或病毒导入裸鼠,检测RNA干扰效果。此法操作复杂,对质粒和病毒产品的质和量要求都较高,但是比较贴近实际,说服力较显著。体外法,即先将质粒或病毒导入肿瘤细胞,再将肿瘤细胞导入动物体内,然后检测RNA干扰效果。此法操作较简单,对质粒病毒产品的质量要求较低,所以为大多数文献所采用。建议采用此方法来进行动物模型水平的实验。

    干扰回复实验/RNA干扰 编辑

    Offtarget效应

    Off-target effects(脱靶效应)最早由Dharmacon科学家Jackson和他的同事们提出(Fedorov,Y.,et al. "Off-targeting By siRNA Can Induce Toxic Phenotype." RNA Accepted (2006).)他们给细胞转染特定基因的单条siRNA后运用全基因组芯片检测技术鉴定表达上调/下调1.5到3倍的靶基因数量。研究人员发现在这种情况下有大量的基因被非特异性的调控着。siRNA正义链和反义链与脱靶基因的互补水平有高有低,并且每条siRNA所引发的脱靶基因表达谱也不尽相同,反映了序列依靠性的脱靶效应

    简单来说,Off-target效应就是指干扰shRNA序列进入了microRNA途径,通过microRNA途径,其可以不受完全互补的限制而调控大量靶基因的表达。原本需要19~23nt的RNA序列完全互补才能发生干扰作用,而如果进入microRNA途径,只需要11~15nt互补就可以产生干扰效果,这使得siRNA可能与非靶基因结合而导致非靶基因沉默,造成脱靶

    原理

    如果脱靶干扰的部分基因,正好与目的基因位于同一信号通路中,或者与目的基因的生物学功能相似,那么,如果因脱靶而干扰了其它基因,亦会造成和目的基因受到干扰后相同的细胞表型改变。而实际上,可能选择的这条shRNA序列并没有对目的基因造成有效干扰,或者虽然干扰了目的基因,但是并不会引起预期的细胞表型改变。

    基于以上原因,自从Off-target效应被发现并被研究者们广泛认同后,越来越多的杂志要求研究者们在投稿时需要有相应的对照来说明Off-target效应。即您需要有相关对照或者实验来说明,您所获得的实验结果,不是由于Off-target效应而产生的。

    应用/RNA干扰 编辑

    探索基因功能

    RNA干扰原理图RNA干扰原理图
    人类基因组计划的完成标志着后基因组时代的来临。阐明人类基因组中功能基因表达产物的生物学作用对医学发展有着深远意义。在RNAi技术出现以前,基因敲除(gene knockout)是主要的反向遗传学(reverse genetics)研究手段,但其技术难度较高、操作复杂、周期长。由于RNAi技术可以利用siRNA或siRNA表达载体快速、经济、简便的以序列特异方式剔除目的基因表达,所以现在已经成为探索基因功能的重要研究手段。同时siRNA表达文库构建方法的建立,使得利用RNAi技术进行高通量筛选成为可能,对阐明信号转导通路、发现新的药物作用靶点有重要意义。

    基因治疗领域

    RNAi作为一种高效的序列特异性基因剔除技术在传染性疾病和恶性肿瘤基因治疗领域发展极为迅速。在利用RNAi技术对HIV-1、乙型肝炎丙型肝炎等进行基因治疗研究中发现,选择病毒基因组中与人类基因组无同源性的序列作为抑制序列可在抑制病毒复制的同时避免对正常组织的毒副作用。同时将抑制序列选择在特定的位点,可对部分有明确基因突变的恶性肿瘤细胞如含有BCL/ABL或AML1/MTG8融合基因的白血病细胞产生凋亡诱导作用。此外尚可通过使用肿瘤特异性启动子如hTERT启动子、survivin启动子或组织特异性启动子如酪氨酸酶启动子、骨钙素启动子引导针对某些癌基因或抗凋亡分子的siRNA或shRNA表达,从而达到特异性杀伤肿瘤细胞的目的。

    整形外科领域

    已证实N-Ras或BRAF的激活型突变是引发黑素瘤的主要病因,其中66%的病例为BRAF激酶作用域突变。而约80%的BRAF突变病例是因胸腺嘧啶突变为腺嘌呤造成第599位的缬氨酸突变为谷氨酸所致。使用RNAi技术剔除黑素瘤细胞的BRAF表达,不仅抑制了肿瘤细胞生长,而且减弱了其侵袭能力,为黑素瘤基因治疗奠定了基础。

    最近研究表明趋化因子受体CXCR4是乳腺癌转移的重要调节因素,其配体CXCL12可趋化肿瘤细胞并调节其增生和侵袭特性。使用RNAi干扰技术剔除CXCR4证实该分子为原位移植肿瘤生长和转移所必需。此外,剔除BCRP表达可以逆转其介导的肿瘤耐药。

    瘢痕疙瘩是一种较为难治的疾病,尚无有确切疗效的治疗方法。使用特异性siRNA剔除TGF-βII型受体表达可以抑制角膜成纤维细胞表达纤维粘连蛋白并降低其迁移能力。剔除CTGF表达可使皮肤成纤维细胞内I型和III型前胶原蛋白、碱性成纤维细胞生长因子、组织金属蛋白酶抑制因子(tissue inhibitor of metalloproteinase,TIMP)-1,TIMP-2和TIMP-3等基因表达水平降低。这些结果提示TGF-β信号转导通路和CTGF均可能是瘢痕疙瘩治疗的潜在靶点。

    病毒性疾病治疗

    加州大学洛杉矶分校加州理工学院的研究人员开发出使用RNAi技术来阻止艾滋病病毒进入人体细胞。这个研究小组设计合成的lenti病毒载体引入siRNA,激发RNAi使其抑制了HIV-1的coreceptor-CCR5进入人体外周T淋巴细胞,而不影响另一种HIV-1主要的coreceptor-CCR4,从而使以lenti病毒载体为媒介引导siRNA进入细胞内产生了免疫应答,由此治疗HIV-1和其他病毒感染性疾病的可行性大大增加。RNAi还可应用于其它病毒感染如脊髓灰质炎病毒等,siRNA已证实介导人类细胞的细胞间抗病毒免疫,用siRNA对Magi细胞进行预处理可使其对病毒的抵抗能力增强。全世界约30个国家和地区散发或流行的严重急性呼吸综合征(severe acute respiratory syndrome,SARS)的防治研究中,RNAi也受到了重视。siRNA在感染的早期阶段能有效地抑制病毒的复制,病毒感染能被针对病毒基因和相关宿主基因的siRNA所阻断,这些结果提示RNAi能胜任许多病毒的基因治疗,RNAi将成为一种有效的抗病毒治疗手段。这对于许多严重的动物传染病的防治具有十分重大的意义。

    遗传性疾病治疗

    美国西北大学的Carthew R W和日本基因研究所的Ishizuka A等人发现RNAi同脆性X染色体综合征(与FMR-1基因异常有关的导致智力低下的染色体病)之间的关系密切,揭示了与RNAi相关机制的缺陷可能导致人类疾病的病理机制。遗传性疾病的RNAi治疗成为当今研究RNAi的又一大热点。

    肿瘤病的治疗

    肿瘤是多个基因相互作用的基因网络调控的结果,传统技术诱发的单一癌基因的阻断不可能完全抑制或逆转肿瘤的生长,而RNAi可以利用同一基因家族的多个基因具有一段同源性很高的保守序列这一特性,设计针对这一区段序列的dsRNA分子,只注射一种dsRNA即可以产生多个基因同时剔除的表现,也可以同时注射多种dsRNA而将多个序列不相关的基因同时剔除。Maen等应用RNAi技术成功地阻断了MCF7乳腺癌细胞中一种异常表达的与细胞增殖分化相关的核转录因子基因Sp1的功能。

    在植物学中应用

    Napoli等将1个查尔酮合成酶基因(chs)置于1个强启动子后导人矮牵牛(Petunia hybrida),试图加深花朵的紫颜色。结果部分花的颜色并非期待中的深紫色,而是形成了花斑状甚至白色,而且这种性状可以遗传。因为导入的基因和其同源的内源基因同时都被抑制,他们将这种现象命名为共抑制(co-suppression)。类似的结果同样在真菌脉胞菌(Neurospora crassa)中和其它转基因植物中存在。对于部分转基因植物来说,基因沉默可能是因为特异基因的甲基化而导致,这被称为转录水平基因沉默。但确实部分植物中的基因沉默是在转录后发生的,这被称为转录后基因沉默。实验表明在发生PTGS的个体中同源转录确实存在,但是很快在胞浆中被降解,没有积聚。Palauqui等进一步证实,在植物中将出现转基因沉默的植株嫁接到另一没有基因沉默的转基因植株中同样可以导致PTGS,但对非转基因植株却无效。 Cogoni等证实PTGS由一种可扩散的反式作用分子所介导。

    知识/RNA干扰 编辑

    RNAi实验流程RNAi实验流程

    Argonaute (AGO):一类庞大的蛋白质家族,是组成RISCs复合物的主要成员。AGO蛋白质主要包含两个结构域:PAZ和PIWI两个结构域,但具体功能现在尚不清楚。最近的研究表明,PAZ结构域结合到siRNA 的3’的二核苷酸突出端;一些AGO蛋白质的PIWI结构域赋予slicer以内切酶的活性。PAZ和PIWI两个结构域,对于siRNA和目标mRNA相互作用,从而导致目标mRNA的切割或者翻译抑制过程,是必不可少的。同时,不同的AGO蛋白质有着不同的生物学功能。例如,在人当中,AGO2“筹划”了RISCs对于目标mRNA的切割过程;而AGO1 和AGO3则不具备这个功能。Core RISC:是介导目标mRNA切割过程或者翻译抑制的最小的RNA-蛋白质复合物。在人和果蝇身上发现的分子量少于200kDa的RISCs可能就是core RISC的重要代表。AGO蛋白质和Core RISC密切相关。Dicer (DCR):是RNAase Ⅲ家族中的一员,主要切割dsRNA或者茎环结构的RNA前体成为小RNAs分子。对应地,将这种小RNAs分子命名为siRNAs和miRNA。Dicer有着较多的结构域,最先在果蝇中发现,并且在不同的生物体上表现出很高的保守性。Holo RISC:是在果蝇中发现的有着RISC活性的最大的RNA-蛋白质复合物(80S)。Holo RISC的生物学活性牵涉到几乎所有的RISC的成员,RLC成员,和一些其他通路上的蛋白质分子。Holo RISC的存在,表明了RISC组装不是孤立的,同时还是一个有序的过程。以RISC为中心的RNAi和miRNA通路与一些其他的通路密切联系,很可能借此调控生物体的生长发育过程。Microprocessor:一种核内的复合物,主要由Drosha和Pasha两者组成,在miRNA的生物合成中促使原始的miRNA成为miRNA前体。MicroRNA (miRNA):是含有茎环结构的miRNA前体,经过Dicer加工之后的一类非编码的小RNA分子(~21-23个核苷酸)。MiRNA,以及miRISCs(RNA-蛋白质复合物)在动物和植物中广泛表达。因之具有破坏目标特异性基因的转录产物或者诱导翻译抑制的功能,miRNA被认为在调控发育过程中有重要作用。

    RISC loading complex (RLC):是一种促使RISC形成的复合物。RLC有方向性地调节小RNA双螺旋,为以后的RISC组装作好铺垫。最近,siRISC loading complexes (siRLCs)在果蝇中研究最多。有研究者认为在果蝇中的siRLCs包含DCR2-R2D2异型二聚体和siRNA双螺旋;R2D2部分是非对称性的感受器,为RISC组装调整好siRNA的方向。miRISC loading complexes (miRISCs)的研究尚未报导,因为它的过程更为复杂,而且体外研究miRLCs的方法还没有建立。RNA-induced initiation of transcriptional gene silencing (RITS):是一种组织染色质变型的复合物。RITS复合物也包含Dicer加工形成的siRNA和AGO蛋白质,通过结合到异染色质的基因池上来促使异染色质基因沉默。RNA-induced silencing complex (RISC):一种RNA-蛋白质复合物,通过与目标mRNA完全或者部分的互补配对来实施切割或者翻译抑制功能。SiRNA组装siRISC,miRNA组装miRISC。RISCs(无论siRISC还是miRISC)包括两种类型:切割型和不切割型。研究表明,RISC当中的AGO蛋白质决定了RISC是切割型的还是不切割型的。Slicer:在切割型RISC中的内切酶的另外一种表述方法。Small interfering RNA (siRNA):是一种小RNA分子(~21-25核苷酸),由Dicer(RNAase Ⅲ家族中对双链RNA具有特异性的酶)加工而成。SiRNA是siRISC的主要成员,激发与之互补的目标mRNA的沉默。

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