RNA干扰.docx

1、RNA干扰概述RNA干扰（RNA interference, RNAi）是指在进化过程中高度保守的、由双链RNA（double-stranded RNA，dsRNA）诱发的、同源mRNA高效特异性降解的现象。近几年来RNAi研究取得了突破性进展，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和传染性疾病及恶性肿瘤的基因治疗领域。简单的说是指一种分子生物学上由双链RNA诱发的基因沉默现象。当细胞中导入与内源性mRNA编码区同源的双链RNA时，该mRNA发生降解而导致

2、基因表达沉默。与其它基因沉默现象不同的是，在植物和线虫中，RNAi具有传递性，可在细胞之间传播，此现象被称作系统性RNA干扰(systemic RNAi)RNAi与转录后基因沉默(post-transcriptional gene silencing and transgene silencing)在分子层次上被证实是同一种现象。RNA干扰是基因转录后沉默的一种方式，是生物界古老而且进化的高度保守的现象之一。RNAi是通过siRNA介导的特异性高效抑制基因表达途径，由siRNA介导识别并靶向切割同源性靶mRNA。RNAi具有生物催化反应特征，反应中需要多种蛋白因子以及ATP参与。RNAi在基因

3、功能研究和基因药物应用具有广泛的前景。 1 RNAi的发现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

4、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。200

5、0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pSUPE

6、R，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。 2 RNAi的应用2.1 RNAi在探索基因功能中的应用：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。

7、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。2.2 RNAi在基因治疗领域中的应用： 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

8、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。 3 RNAi在整形外科领域的应用前景已证实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

9、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，目前尚无有确切疗效的治疗方法。使用特异性siRNA剔除TGF-II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

10、表达水平降低。这些结果提示TGF-信号转导通路和CTGF均可能是瘢痕疙瘩治疗的潜在靶点。综上所述，RNAi技术不仅在黑素瘤、乳腺癌等恶性肿瘤基因治疗中有较好的应用前景，而且在肿瘤和瘢痕疙瘩治疗靶点的高通量筛选过程中有较高的应用价值 机理siRNARNA干扰作用是通过一类较稳定的中间介质实现的。对植物的研究证明，双链RNA复合体先降解成为35nt左右的小RNA分子，然后他们通过序列互补与mRNA结合，从而导致mRNA降解。对果蝇的研究证明，长度为2123nt的小RNA分子是引起RNA干扰现象的直接原因。这种小RNA分子被称之为小干扰RNA（small interfering RNA，siRNA）

11、。在RNA干扰中一个非常重要的酶是RNaseIII核酶家族的Dicer。它可与双链RNA结合，并将其剪切成2123nt及3端突出的小分子RNA片断，即siRNA。随后siRNA与若干个蛋白组成的，RNA引起的称之为RNA诱导沉默复合体（RNA-induced silencing complex，RISC）结合，解旋成单链，并由该复合体主导RNAi效应11。RISC被活化后，活化型RISC受已成单链的siRNA引导（guide strand），序列特异性地结合在标靶mRNA上并切断标靶mRNA，引发靶mRNA的特异性分解。迄今为止已鉴定出包括Dicer在内的若干个与RNAi有关的蛋白因子。在果蝇

12、（Drosophila melanogaster）RISC中，已知存在着称为Argonaute2(AGO2)的因子，AGO2蛋白的表达受到抑制时，RNAi效应缺失，也就是说AGO2是果蝇RNAi机制的必须因子。研究表明Argonaute家族蛋白具有RNA切割酶活性（slicer activity），RNAi机制正是由Argonaute家族蛋白的RNA切割酶活性主导。另外，几个RNA解旋酶(RNA helicase)也被鉴定为参与RNAi机制的因子。在秀丽隐杆线虫（C. elegans）的RNAi中必须的因子有EGO1。这是一种RdRP(RNA-dependent RNA Polymerase)

13、，植物中也存在该蛋白同系物。RNAi中RdRP是将标靶mRNA作为模板，以导入的dsRNA(或siRNA)作为引物合成RNA，在细胞内针对于标靶mRNA合成新siRNA的酶。这一反应在一些生物的RNAi中为必须，但RdRP活性在人和果蝇的RNAi中是非必须的，这说明在不同物种之间RNAi机制的基本框架虽然相同，但存在着微妙差异。 microRNA在真核生物当中，还存在另外一种小分子RNA（microRNA）也能引起RNA干扰现象。microRNA大多20-22nt长，前体具有类似发夹性的茎环结构。microRNA产生于该茎环结构的双链区。其特点与siRNA基本上相同。 RNA干扰的作用2001

14、年，Tuschl等将siRNA导入到哺乳动物细胞中并由此解决了在哺乳细胞内导入长的双链RNA时引发的干扰素效应，由此拓展了RNAi在基因治疗上应用前景。RNAi机制普遍存在于动植物，尤其是低等生物中。因此被认为是进化上相对保守的基因表达调控机制。一种假说为，RNAi机制是作为在RNA水平上抵御病毒入侵的防御机制而存在的。在病毒自身基因组所包含的，或在病毒复制过程中产生的双链RNA可以被Dicer识别，从而引起病毒RNA降解。但是许多病毒为抵抗宿主的RNA干扰机制，会产生抑制宿主RNA干扰的蛋白，以保护病毒基因在宿主体内的顺利复制。已经发现的可以抑制宿主RNA干扰的病毒蛋白有potyviruse

15、s编码的HC-PRO蛋白、马铃薯X病毒编码的Cmv2b蛋白、兽棚病毒编码的B2蛋白等。RNA干扰也是抑制破坏基因结构的一种DNA片段转座子活性的重要方式。转座子通常以逆转座的方式在基因组中扩增。在逆转座过程中产生的双链RNA分子可以被Dicer识别，从而被降解。在目前，发现RNAi机制中的相关一些因子如内源性双链RNA及蛋白因子可以在多种层次上对基因表达进行调控，其范围已经超越了PTGS（post transcriptional gene silencing），如RNAi机制同样参与了转录水平上的基因表达调控过程中。 成功RNAi的关键点1.设计合成有效的siRNARNAi的核心需要siRNA

16、对相应mRNA进行有效的结合和作用。siRNA的设计合成首先很重要。siRNA的设计可以通过检索,优先选用经过验证的siRNA或设计多对siRNA，同时设置阴性对照（排除非特异沉默现象）和阳性对照（确认整个实验体系的有效性）。siRNA的合成需要注意的是一定要选用高纯度的siRNA，siRNA的纯度直接关系到转染效率和沉默效率。2.选择合适的siRNA转染试剂将足量合适的siRNA转染入细胞是RNAi实验成败的关键。针对靶细胞类型，选择好的转染试剂和优化的操作对siRNA实验的成功至关重要。根据siRNA转染与DNA转染的差异，建议选择专门针对siRNA的高效、低毒转染试剂。RNA干扰(RNA

17、interference，RNAi)是由双链RNA(double-strandedRNA，dsRNA)引发的转录后基因静默机制. RNAi是真核生物中普遍存在的抵抗病毒入侵、抑制转座子活动、调控基因表达的监控机制. 目前已成功用于基因功能和信号转导系统上下游分子相互关系的研究。随着研究的不断深入，RNAi的机制正在被逐步阐明，而同时作为功能基因组研究领域中的有力工具，RNAi也越来越为人们所重视。RNA干扰技术法尔和梅洛于1998年正式发表论文,公布了有关RNA干扰机制的发现。以他们的发现为基础,RNA干扰技术近年来迅速兴起,其前景被普遍看好。RNA能够充当“信使”,传递DNA(脱氧核糖核酸)

18、上的遗传信息,将其用于蛋白质的生产合成。研究显示,向生物体内注入微小RNA片段,会干扰生物体本身的RNA“信使”功能,导致相应蛋白质无法合成,从而“关闭”特定基因。科学家认为,采用RNA干扰技术直接从源头上让致病基因“沉默”,也许可以更有效地治疗某些疾病。这种技术最初曾被用来研究植物和蠕虫等,科学家后来发现它对哺乳动物细胞也有效。例如,美国哈佛医学院的科学家已经成功地利用RNA干扰技术治愈了实验鼠的肝炎。目前,RNA干扰治疗技术正在快速进入人体试验阶段。一些公司正在资助用这项技术治疗黄斑变性、乙肝等疾病的试验。不过，尚有几个难题。首先，科学家还没有找到一种方便快捷的方法，使干扰能在患者体内的有

19、效部位进行。其次，科学家还无法确定这种疗法是否会影响目标基因以外的其他基因，引发副作用。基因沉默-定义基因沉默（gene silencing）是指生物体中特定基因由于种种原因不表达。一方面，基因沉默是遗传修饰生物（genetically modified organisms）实用化和商品化的巨大障碍，另一方面，基因沉默是植物抗病毒的一个本能反应，为用抗病毒基因植物工程育种提供了具有较大潜在实用价值的策略RNA介导的病毒抗性（RNA-mediated virus resistance,RMVR）。 转基因植物和转基因动物中往往会遇到这样的情况，外源基因存在于生物体内，并未丢失或损伤，但该基因不表

20、达或表达量极低，这种现象称为基因沉默。 转基因沉默分为转录水平的沉默（TGS）和转录后水平的沉默（PTGS）。TGS是指转基因在细胞核内RNA合成受到了阻止导致基因沉默，PTGS是指转基因在细胞核中能够稳定的转录，但在细胞质中无对应的mRNA存在。基因沉默-简介基因沉寂（Gene Silencing) 也可以被称为“基因沉默”。基因沉寂是真核生物细胞基因表达调节的一种重要手段。在染色体水平，基因沉寂实际上是形成以染色质（Heterochromatin)的过程，被沉寂的基因区段呈高浓缩状态。基因沉寂需要经历不同的反应过程才能实现，包括组蛋白N端结构域的赖氨酸残基的去乙酰基化加工、甲基化修饰（由甲

21、基转移酶催化，修饰可以是一价、二价和三价甲基化修饰，后者又被称为过度甲基化修饰（Hypermethylation) ) 、以及和甲基化修饰的组蛋白结合的蛋白质（MBP）形成“异染色质”，在上述过程中，除了部分组蛋白的N端尾部结构域需要去乙酰化、甲基化修饰之外，有时也许要在其他的组蛋白N端尾部结构域的赖氨酸或精氨酸残基上相应地进行乙酰化修饰，尽管各种修饰的最终结果会导致相应区段的基因“沉寂”失去转录活性。这个“原则”就是目前尚没有真正完全清楚的“组蛋白密码”（Histone Code)。能够与甲基化组蛋白结合的蛋白质有sir1/2/3/4，这是一组被称为Silencing Informative

22、 Repressor的蛋白，其中，Sir2就是上文中的“去乙酰化”酶，而Sir1/3/4则负责与甲基化修饰的组蛋白结合沉寂”相应的染色质为异染色质。此外，基因沉寂也和DNA的甲基化修饰有关，比如在真核生物基因组中的许多基因的5端分布有长约1KB( 千碱基对）的“CpG岛序列（CpG island),其中的“C芳香环5位可被甲基化修饰，之后，与甲基化修饰的DNA结合蛋白形成“沉寂区段，使其下游基因不能表达；另外，非编码的RNA分子（non-coding RNA)也参与“基因沉默”过程。这一类型常见于含有重复DNA序列的染色质区，如着丝粒部位的基因沉寂就需要非编码RNA分子的参与。简言之，基因沉寂

23、或者基因沉默是涉及组蛋白甲基化、去乙酰化、乙酰化，DNA的甲基化修饰，甲基化修饰组蛋白结合蛋白Sir2/3/4，甲基化DNA结合蛋白，非编码RNA等等在内的一系列复杂组分的生理反应过程。基因沉寂导致相应区段内的遗传信息不能被转录。 基因沉默-分类发生在染色体DNA水平上的转基因沉默叫做位置沉默； 发生在RNA转录水平上的转基因沉默叫做转录沉默； 发生在转录后水平的转基因沉默叫做共抑沉默。 基因沉默-因素基因沉默因素：位置效应、DNA甲基化、重复序列诱发基因沉默、共抑制。基因沉默-发现基因沉默现象首先在转基因植物中发现，接着和线虫、真菌、昆虫、原生动物以及才鼠中陆续发现。大量的研究表明，环境因子

24、、发育因子、DNA修饰、组蛋白乙酰化程度、基因拷贝数、位置效应、生物的保护性限制修饰以及基因的过度转录等都与基因沉默有关。基因沉默-发生 基因沉默发生在两种水平上，一种是由于DNA甲基化、异染色质化以及位置效应等引起的转录水平上的基因沉默（tran-scriptional gene silencing,TGS），另一种是转录后基因沉默(post-transcriptional gene silen-cing,PTGS)，即在基因转录后的水平上通过对靶标RNA进行特异性降解而使基因失活。在这两种水平上引起的基因沉默都与基因的同源性有关，称为同源依赖性的基因沉默(homology-dependen

25、t gene silencing,HDGS)。 PTGS在多种生物中有共性，对PTGS的激活和与其相关的RNA降解调控过程有了初步的认识。也发现植物病毒在转基因植物和非转基因植物中都能和转基因一样诱发转录后基因沉默。令人吃惊的是，转基因植物的共抑制现象（转基因与同源的内源基因一起失活）、转基因植物的病毒抗性和非转基因植物对病毒正常自然侵染的抗性、真菌的quelling现象（真菌中的共抑制）、各种动物的RNA干扰(RNA interference,RNAi)以及转座因子的转座失活等这些表面看来完全不相关的现象中竟然存在着非常相似的基因沉默机制，即PTGS。这种基因沉默可能是生物体的本能的反应，因

26、为无论是转基因、转座因子还是病毒，对植物而言都是诱发突变的外来侵入的核酸，植物为保护自己，在长期的生物进化中，形成了基因沉默这种限制外源核酸入侵的防卫保护机制。 在线虫Caenorhabditis elegans中，RNAi敏感性缺失突变体中转座子的转座活性增强，表明转座子的转座失活是被一种类似PTGS的过程调控的，这一过程与RNAi作用有关，是通过细胞内双链RNA互作引起同源特异性的RNA降解。 PTGS中的RNA在细胞质中的特异性降解并不需要RNA结合到核糖体上，这与通常的RNA降解代谢调控需要与翻译相关连不同。Bass对RNAi激发的RNA特异性降解机制进了体外研究，发现通过添加外源的双

27、链RNA或靶标mRNA可以激活PTGS，这与早期在植物中发现的双链RNA介导PTGS一致。通过对发生PTGS的转基因植物进行嫁接实验和分析植物病毒病的恢复现象观察到，PTGS是一种系统性的过程，称为系统获得性沉默（systemic acquired silencing,SAS）。PTGS的系统传播性在真菌和线虫中也得到了证明。进一步研究发现，转基因或病毒侵染介导的PTGS植物中普遍存在着大量的序列特异性正义和反义的大约25个核苷酸的小分子RNA，而正常的非转基因植物和没有发生PTGS的植物中则没有。这些小分子RNA作为信号分子，在植物中与特定的运输蛋白特异结合，防止被核酸酶的降解，通过胞间连丝

28、和韧皮部筛管运送到植物体的各个部位，使PTGS具有系统持久性。这一运转过程与植物病毒在植物体内的运输有着十分相近的机制。这些-25nt RNA的积累需要转基因的转录或病毒的复制，与其它双链RNA等多种异常RNA相比，-25nt RNA对于PTGS的激发、靶标RNA的特异性降解以及PTGS的系统性维持更为重要。 早在20世纪70年代初人们就发现，病毒或类病毒侵入植物后，RNA依赖性的RNA聚合酶（RNA-dependent RNA polymerase,RdRP）的活性明显提高。RdRP是生物体内普遍存在的一种RNA聚合酶，在体外能以单链RNA或单链DNA甚至以双链RNA为模板，合成与模板互补R

29、NA，合成的cRNA可长达100个核苷酸。1993年，Lindbo等认为在PTGS植物中的RdRP与PTGS同源依赖性的RNA特异性降解有关。最近Mour-rain等8从缺失转基因介导的PTGS拟南芥突变体中分离的sgs2(suppressor of gene silencing)和sde1(silencing defective)两个基因与番茄中的RdRP基因十分相似，支持了Lindbo的观点。粗糙脉孢菌Neurospora crassa的qde-2(quilling-defective gene)和线虫C.elegans的rde-1(RNA interference-deficient g

30、ene)与蕃茄的RdRP基因也具有很高的同源性。RdRP基因剔除实验证明，RdRP对RNAi和PTGS尤为重要。这些研究结果表明，从比较低等的生物藻类、真菌到高等的植物再到动物线虫、锥虫、果蝇等中可能存在着一个由共同祖先进化来的相似的抵抗外来DNA侵入自身基因组的本能防卫机制。 RNAi引发的PTGS作为生物体中一种不完全的原始的生物免疫系统，在植物抗病毒中研究得比较详细。研究发现，植物病毒的RNA可以直接作为PTGS的激发子，并且可能通过病毒来源的基因引发转基因植物对病毒的终生系统抗性，这和PTGS的从病毒侵染点传播到整个植株以及线虫中PTGS的系统性一起证明了PTGS具有系统传播性。缺少高

31、效PTGS的植物突变体虽然在表型上几乎没有变化。拟南芥PTGS突变体sgs2和sgs3对黄瓜花叶病毒（cucumber mosaic virus,CMV）的敏感性提高了，而突变体sde1对烟草花叶病毒（tobacco mosaic virus,TMV）和烟草脆裂病毒（tobacco rattle virus,TRV）的敏感性无变化。Baulcombe研究组认为RdRP（SDE1或SGS2）对于引发产生PTGS的双链RNA是必需的，有些RNA病毒在复制中用自身的RdRP合成双链RNA直接进入PTGS网络，而不需要寄主的RdRP去激活PTGS，这些病毒如TMV、TRV能在PTGS突变体中和野生型中

32、一样致病，而另一些病毒如CMV需要寄主的RdRP来激活PTGS，所以PTGS突变体对这些病毒的敏感性要比野生型的高。另一方面，还可能与有些病毒产生的抑制PTGS的蛋白质有关，如CMV和番茄不孕病毒（tomato aspermy virus,TAV）的2b蛋白以及马铃薯Y病毒（potato Y virus,PVY）的蚜传辅助因（helpercomponent/protease,HC-Pro）等。由此可见，不同的RNA病毒是通过不同的位点进入并引发PTGS网络的。由于拟芥南PTGS突变体是通过转基因介导的PTGS筛选的，突变体对不同病毒敏感性的变化，也可能表明转基因和病毒侵染引发植物PTGS的机制是有差别的。在突变体sde1中，与PTGS有关的-25nt转基因特异性的RNA的积累明显减少，而病毒特异性的-25nt RNA的量不变，这也表明转基因和侵染病毒是通过不同途径引发PTGS的。 从大量的研究结果中我们可以推测，生物体内有一套RNA监视系统，可以通过多种异常RNA来激发。如果外来核酸是DNA（包括转基因、重组基因、DNA病毒、扩增子等），靶标