吗啉反义寡核苷酸在基因功能研究中的应用.docx

1、吗啉反义寡核苷酸在基因功能研究中的应用吗啉反义寡核苷酸在基因功能研究中的应用何萌萌，薛良义【摘 要】摘 要:吗啉反义寡核苷酸属于第三代反义寡核苷酸，主要通过阻断mRNA的剪接过程来抑制目的基因的功能。吗啉反义寡核苷酸技术现已广泛应用于发育过程中基因功能的研究;鉴于吗啉反义寡核苷酸能与病毒特异mRNA结合，形成的双链物可有效阻断病毒RNA的转录，从而抑制病毒的复制，所以该技术已应用于医学研究，如治疗病毒感染、癌症、肌营养不良症和早老综合症等疾病。主要阐述了吗啉反义寡核苷酸的结构特点、作用机制、与其它反义技术的比较，以及该技术的应用与展望。【期刊名称】生物学杂志【年(卷),期】2012(029)0

2、06【总页数】4【关键词】关键词:吗啉反义寡核苷酸;基因功能;应用吗啉反义寡核苷酸(phosphorodiamidate morpholino oligomers，即PMO)因其核苷酸骨架上的吗啉环而得名，吗啉环取代了RNA中的核糖核苷酸环或者DNA中的脱氧核糖核苷酸环1。吗啉反义寡核苷酸是一种新型反义寡核苷酸，能抑制细胞内mRNA的剪接过程，从而抑制基因的表达;同时具有良好的稳定性、溶解度和细胞渗透性2。基于吗啉反义寡核苷酸的诸多特点，它在基因功能研究上的应用日益受到重视。本文综述了吗啉反义寡核苷酸的结构特点，作用机制，及该反义技术在发育生物学和医学领域的应用，并对应用前景进行展望，为吗啉反

3、义寡核苷酸技术在基因功能研究上的应用提供参考。1 吗啉反义寡核苷酸1.1 吗啉反义寡核苷酸的结构特点在结构上，吗啉反义寡核苷酸与DNA相似，都具有标准的适用于沃森-克里克碱基配对的A、T、G、C寡核苷酸碱基，因此它可以以碱基配对的方式同RNA和DNA单链结合。不同的是前者的这些碱基连接在吗啉环上，而DNA的碱基则连接在脱氧核糖环上。此外，吗啉反义寡核苷酸分子结构中不带电的磷酰二胺亚基取代了核酸中的阴离子磷酸二酯。这种独特的结构使得吗啉寡核苷酸具有以下几个特点:1)由于结构的改变，使得整个分子不再带有任何电荷，无法被核酸酶所识别，包括DNA酶和RNA酶，就能更好地抵抗核酸酶的作用，使得这类物质在

4、细胞内有着极强的稳定性;2)吗啉反义寡核苷酸与靶序列结合后通过空间位阻效应发挥作用，不激活 RNaseH，不引起目标基因mRNA的降解;3)针对翻译起始位点区设计的吗啉核苷酸用于抑制蛋白质的翻译，针对前体mRNA剪切位点区设计的吗啉反义寡核苷酸可影响mRN剪切，得到不同的转录本，可以方便地用于目标基因结构域的突变研究;4)与靶序列结合能力强，可以渗入mRNA的二级结构，并且特异性好3-6。1.2 吗啉反义寡核苷酸的作用机制吗啉反义寡核苷酸的作用机制是:当吗啉反义寡核苷酸特异性地结合到它所选择的目标位点时，能阻碍其它细胞成分与目标位点的结合，从而阻断了mRNA的剪切，进而影响蛋白质的翻译7。以含

5、两个内含子的前体mRNA为例，未剪接的前体 mRNA上(图1A)有1、2、3和4四个潜在目标位点(图1B)，当吗啉反义寡核苷酸特异性地结合到1号(图1C)和4号(图1F)目标位点时，能分别导致内含子1和内含子2不能被剪接;当吗啉反义寡核苷酸特异性结合到2号(图1D)和3号(图1E)目标位点时，均导致了外显子2的缺失。1.3 吗啉反义寡核苷酸技术与其他反义技术的比较在当前的学术研究和临床实验中，反义寡核苷酸已经成为研究基因表达的一种重要工具。最先出现的第一代反义寡核苷酸即硫代寡核苷酸是在利用硫原子取代磷酸骨架上的非成键氧原子的基础上形成的一类寡核苷酸类似物，它克服了寡核苷酸在血清中易被核酸酶降解

6、的缺点而被广泛利用。性能更优的第二代反义寡核苷酸则以硫代寡核苷酸为基础，又设计加入了嵌合性的寡核苷酸故称之为混合骨架寡核苷酸。而第三代反义寡核苷酸多肽核酸，由于其独特的理化性质、杂交特性以及对基因转录和翻译的调控作用，在分子生物学研究、肿瘤和传染性疾病基因治疗等方面均显示出较为广阔的应用前景8。目前，运用广泛的反义技术主要有RNA干扰技术、核酶和DNA酶技术9。RNA干扰是将双链RNA导入细胞引起特异mRNA降解的一种细胞反应过程，它通过对靶基因染色质结构的改变，使其基因转录受限，最终导致表达系统的关闭10。核酶和DNA酶技术的作用原理是通过核酶或DNA酶与被选择的mRNA片段特异性结合来阻断

7、mRNA的表达。与以上两种反义技术相比较，吗啉反义寡核苷酸技术具备诸多优点，例如，吗啉反义寡核苷酸不会被核酸酶所降解，水溶性好，在细胞内稳定性极强，对细胞无毒副作用，并且不会和人工合成的RNA一样，会激活细胞干扰素的分泌，激起免疫应答11-12。但是吗啉反义寡核苷酸技术也存在着一些不足之处，它最大的缺陷在于特殊的分子结构导致其不带有任何电荷，使得吗啉反义寡核苷酸无法被细胞表面的任何受体所识别，同时无法通过转染的方式导入到细胞内13。因此要将吗啉反义寡核苷酸分子导入细胞，只有通过物理损伤细胞膜的方式来实现，这个缺陷极大限制了吗啉反义寡核苷酸作为一种具有潜在价值的基因特异性药物或是作为基因功能研究

8、的工具被广泛利用。值得庆幸的是，为配合吗啉反义寡核苷酸的使用，Gene Tools公司开发了一套特定的输送系统，可以安全、高效地将吗啉反义寡核苷酸输送至胞浆内，因此，吗啉反义寡核苷酸也可以用于遗传学研究和新药靶标的发现以及验证14。此外，吗啉反义寡核苷酸可以标上荧光基团、亲和标签以及活性反应基团，以供不同的研究需要15-18。2 吗啉反义寡核苷酸技术的应用目前，吗啉反义寡核苷酸技术已经广泛应用于发育生物学和医学领域中基因功能的研究，并取得了理想的实验效果。2.1 在发育生物学领域中的应用在发育生物学领域，吗啉反义寡核苷酸技术于2000年初被首先使用，随后在多种模式生物中得到应用，包括海胆(Ho

9、ward，2001)，海鞘(Satou，2001)，非洲爪蟾(Audic，2001;Schweickert，2001;Sumanas，2001)，热带 爪 蟾 (Nutt，2001)，斑 马 鱼 (Nasevicius，Ekker，2000;Bauer，2001;Ross，2001;Segawa，2001;Shepherd，2001;Yang，2001)，鸡(Kos，2001)和小鼠(Coonrod，2001)等18。例如，利用显微注射法将能特异性抑制raldh2基因的吗啉反义寡核苷酸(raldh2-MO)注入到小鼠体内阻断视黄酸合成，并通过构建raldh2-EGFP重组质粒来动态观察胚胎心脏

10、发育、心率及心室收缩的变化。结果显示raldh2-MO的注射有效且特异性地抑制了视黄酸的合成，视黄素的缺乏最终导致了小鼠胚胎心脏发育异常，出现心包腔水肿，部分心脏呈线性管状，心房心室发育异常，房室管血流返流，血流缓慢，心脏搏动节律规则但心室率下降20。张宇声等人通过显微注射法将吗啉反义寡核苷酸导入斑马鱼的受精卵，并通过荧光显微镜观察斑马鱼胚胎循环系统的发育情况。结果发现吗啉反义寡核苷酸在斑马鱼胚胎中抑制了与人类FHL2同源的基因zgc:92428基因的mRNA转录，最终导致斑马鱼胚胎发育的异常，伴有斑马鱼胚胎脉管系统的发育阻滞，并增加了胚胎的死亡率。徐进等人在研究smych1基因在斑马鱼胚胎慢

11、肌形成过程中的作用时，发现了一种新的剪接方式，将能特异性抑制smych1基因的吗啉反义寡核苷酸(smych1-MO)注入斑马鱼胚胎，与之相邻的一段内含子序列未被剪接21。2.2 在医学领域中的应用在医学领域中，鉴于吗啉反义寡核苷酸与病毒特异mRNA结合形成的双链物可有效阻断病毒RNA转录，从而抑制病毒的复制，所以该技术也被广泛应用于临床治疗，其中在治疗病毒感染、癌症、肌营养不良症和早老综合症等疾病中的应用最为普遍。研究发现，核纤层蛋白A基因的突变与早老综合症有关，在大多数的早老综合症病例中，外显子处隐蔽剪接位点被激活，导致此外显子3端-150位核苷酸异常，形成150个基因突变的mRNA，最终产

12、生了缺失50个氨基酸的核纤层蛋白A22。为了直接证实基因突变外显子中剪接位点产生缺失50个氨基酸的核纤层蛋白A与老年人细胞核变化的关联，使用了吗啉反义寡核苷酸研究。用反复电致孔将靶向剪接位点(外显子)的吗啉寡核苷酸引入老年人细胞中，以此阻断基因突变中隐蔽剪接位点，发现核缺陷得以逆转，也证实核纤层蛋白A是产生这些异常的原因。体外试验也同样证实了吗啉反义寡核苷酸对水泡病毒、黄热病毒、冠状病毒均有抑制作用。其中，与埃波拉病毒特异蛋白VP24，VP35的mRNA相结合的吗啉反义寡核苷酸与RNA聚合酶L联合应用的疗效在感染埃波拉病毒的小鼠和猕猴身上得到证实。实验证明:经过4 h和24 h的预防注射，对小

13、鼠和猕猴均起到很好的保护作用23。此外，Slobodan Paessler等人利用吗啉反义寡核苷酸技术来抑制甲病毒属病毒对小鼠的感染。PMO分子可通过共价键连接的方式连接上一段富含亮氨酸的肽段，这段肽段可以被细胞表面的受体所识别，自发性的进入细胞，最终抑制了病毒的复制。实验证明:在感染甲病毒属前后用PMO处理的小鼠能完全抵抗该病毒的感染，然而在感染前处理的小鼠却只得到了部分保护。未感染的小鼠对PMO处理无明显的不良影响24。3 展望吗啉反义寡核苷酸技术主要通过阻断mRNA剪接过程来达到抑制目标基因功能的作用，已经被广泛用于发育生物学和医学研究中，并取得了十分理想的效果，它作为新一代的反义核酸技

14、术已显示出其重要的科学意义和良好的应用前景。随着分子生物学技术的飞速发展，吗啉反义寡核苷酸技术将日臻完善，从而提高反义分子被细胞摄取的速率及程度，提高靶向性，稳定性，降低毒性25-26。将此技术应用于更广泛的领域将有助于人类发现控制某些性状的关键基因，筛选最优的反义靶序列，从而提高反义治疗效果。作为一个新兴的技术，相信吗啉反义寡核苷酸会有更加广阔的应用前景。参考文献:1黄世杰.基因研究的工具-吗啉反义寡核苷酸(PMO)J.国外医学药学分册，2006，33(4):82-135.2Du L T，Richard A.Potential therapeutic applications of anti

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