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基因沉默及其生理学意义


第6卷  2期 第 衡水师专学报 Vol. 6 , No. 2                           2004 年 6 月 Journal of Hengshui Normal College Jun. 2004

基因沉默及其生理学意义


封    福 广
( 衡水市第三中学 生物组 ,河北 衡水 053000)

摘   : 基因沉默包括转录水平上的基因沉默和转录后水平上的基因沉默 。发生沉默的基因可以是外源性转移基因 ,也可 要
以是入侵的病毒或宿主内源性基因 。双链 RNA ( dsRNA) 作为启动因素或中间体为不同生物基因沉默所共有 。基因沉默是生 物体在基因调控水平上的一种自我保护机制。通过基因沉默 ,可以限制外来核酸的入侵 ;同时 ,基因沉默还与生物的生长发育有关。

关键词 : 基因沉默 ;双链 RNA ( dsRNA) ;siRNA ;保护机制 中图分类号 :Q756     文献标识码 :A     文章编号 : 1008 - 6900 (2004) 02 - 0033 - 02    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 。这种现象是 Peerbolte 在 1986 年首先在转基因植物中发现的 , 他发现导入并 整合进受体基因组中的外源基因在当代转化体或其 后代中表达受抑制 。后来 ,人们在线虫 、 、 、 真菌 昆虫 原生动物 、 、 果蝇 斑马鱼及老鼠中也陆续发现了基因 沉默现象 。基因沉默一般发生在 2 种水平上 ,即 : 转 录水 平 的 基 因 沉 默 ( transcriptional gene silencing , TGS) 和转录后水平的基因沉默 ( post - transcriptional gene silencing , PTGS) 。发生沉默的基因可以是外源 性转移基因 ,也可以是入侵的病毒或宿主内源性基 因 。研究发现 , 环境因子 、 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均与基因沉默 有关 ,双链 RNA ( dsRNA) 作为启动因素或中间体为 不同生物基因沉默所共有 。 1  转录水平的基因沉默 转录水平的基因沉默是由于 DNA 甲基化 、 异染 色质化及位置效应等造成 DNA 无法被转录成 RNA , 故表达受抑制 。 甲基化作用是转录水平上表达调控的基本方式 [1 ] ( P408) 之一 。正常细胞基因组 DNA 中不同位点的甲 基化程度存在某种平衡 , 并形成一定的空间结构特 点 。生物体细胞核内的 DNA 反向重复序列 ( 多拷贝 转基因 、 转座子或基因突变等 ) 转录产生 dsRNA , 细 胞核内的 dsRNA 被类 RNase Ⅲ 型酶切割成大小约为 21 nt 的小分子干扰 RNA ( small interfering RNA , siR2 NA) ,引起与其同源的 DNA 序列甲基化 ,同时 siRNA 或 dsRNA 也可直接与同源的 DNA 配对 ,产生 RNA DNA 复合物和单链 DNA 环或产生 RNA - DNA 多链 结构 ,从而破坏了细胞核基因组的平衡及空间结构 特征 ,这种破坏后的结构便成为宿主基因组防御系 统识别的信号 ,于是 ,这些不正常的结构被从头甲基 化转移酶 ( de novo DNA methytransferase ,DNMT) 识别 并使之甲基化 ,从而产生了转录水平上的基因沉默 。 2  转录后水平的基因沉默 PTGS 是 生 物 基 因 表 达 调 控 的 第 2 道 关 卡 。 1998 年 2 月由华盛顿卡耐基研究院的 Andren Fire 和 马萨诸塞大学医学院的 Craig Mello 首次在秀丽线虫 中发现的 RNA 干涉 ( RNA interference ,RNAi ) 现象 ,即 双链 RNA 能高效 、 特异阻断相应基因表达的现象及 1990 年由 Jorgensen 在矮牵牛中发现的一种转基因 同时抑制相应内源基因及自身表达的共抑制 ( co suppression) 现象和 1994 年由 Macino 与 Cogoni 在粗 糙链孢霉中发现的转基因抑制自身和相应内源基因 表达的基因压制 ( quelling) 现象以及转基因植物的病 毒抗性 、 转座因子的转座失活等基因沉默现象均具 有相同的分子机制 ,即 PTGS 。



收稿日期 :2004 - 04 - 20 作者简介 : 封福广 (1964 - ) ,男 ,河北深州市人 ,衡水市第三中学一级教师 .

                        衡水师专学报                      6 卷 第 34

PTGS 可能的机制为

[2 ] ( P170)

: 由于 RNA 病毒入

侵、 转座子转录 、 基因组中反向重复序列转录等原 因 ,细胞中出现异常的双链 RNA 分子 , 这种双链 RNA 分子被细胞中一组特定的蛋白复合物识别 , 并 启动相关蛋白质结合到双链 RNA 分子上 ,其中依赖 于 RNA 的 RNA 聚合酶 ( RNA - dependent RNA poly2 merase , RdRP) 对双链 RNA 分子进行复制 ,从而产生 足够数量的双链 RNA 。 ( 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 的 RNA) 。与此同时 ( 或稍后) ,dsRNA 在类 RNase Ⅲ 型酶作用下 , 降解成 21 ~ 25 nt 的双链小 RNA 分子 ( siRNA) 。带有 siRNA 的蛋白复合物结合到 mRNA 分子上去 ,siRNA 识别 mRNA 序列 : 若 mRNA 序列与 之不互补 , 则复合物很快从 mRNA 上脱落下来 ; 若 mRNA 序列与之互补 , 则 siRNA 与单链 mRNA 之间 发生链交换 ,在 RNA 酶 Ⅲ 的作用下 ,将 mRNA 切断 。 如此重复 ,一条完整的 mRNA 就被降解成多个 21~ 25 nt 的小片段 , 使该 mRNA 被完全降解 , 从而完全 抑制了该基因的表达 。SiRNA 作为信号分子 , 在植 物中能与特定的运输蛋白特异结合 , 防止被核酸酶 降解 ,它还可以通过胞间连丝和韧皮部筛管运送到植 [3] (P112) 物体的各个部位 ,因而 PTGS 具系统持久性 。 3  基因沉默的生理学意义 基因沉默是基因表达调控的一种重要方式 , 是 生物体的本能反应 , 是生物体在基因调控水平上的 一种自我保护机制 。因为无论是转基因 、 转座子还 是病毒 ,对生物而言都是诱发突变的外来侵入的核 酸 。通过基因沉默 , 生物体可以限制这些外源核酸 [4 ] ( P464) 的入侵 。因而 , 有人认为 基因沉默的本质是
the growth of the organism. Key words : Gene silencing ;dsRNA ;siRNA ;self - protection system

一种由 RNA 介导的 、 序列特异性的获得性免疫反 应 ,且基因沉默与获得性免疫反应一样 , 具有特异 性、 多样性 、 记忆性 、 可传递性等特征 。除此之外 ,基 [5 ] ( P126) 因沉默还与生物的生长发育有关 , 它可能通 过控制内源基因的表达来调控生长发育 。 通过对基因沉默的深入研究 , 可以帮助人们进 一步揭示生物体遗传表达调控的本质 , 在基因工程 中克服基因沉默 , 使外源基因能更好地依人们的意 愿进行表达 ; 在疾病治疗方面 ,可以利用基因沉默这 一机制使人们有意识地抑制某些有害基因的表达 ; 在功能基因组方面 ,通过有选择地使某些基因沉默 , 可以测知这些基因在生物体基因组中的功能 ; 通过 抑制生物代谢过程中的某个环节 , 可以获得特定的 代谢产物 ; 等等 。正是由于基因沉默具有巨大的潜 在应用价值 ,因而有关基因沉默的研究进展很快 ,有 人预言 : 对于基因沉默的研究将是未来 10 年生物学 研究中最激动人心也最有可能产生丰富成果的领域 之一 。 参考文献 :
[1 ]   彭存智 ,刘志昕 ,郑学勤 . 植物转基因沉默研究进展 、 对

策及应用 [J ] . 生命的化学 ,2001 ,21 (5) :407~409.
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生命的化学 ,2001 ,21 (6) :462~464.
[5 ]   孟祥兵 ,贾寿华 , 王秀芳 . 基因沉默与生长发育 [J ] . 生

命的化学 ,2002 ,22 (2) :124~126.

Gene Silencing and Its Physiology Significance
FENG Fu - guang

( Research Group of Biology ,NO. 3 Middle School ,Henshui ,Hebei ,053000 China)

Abstract : Gene silencing includes the transcriptional and post - transcriptional gene silencing. Silencing gene is a kind of transferred gene or

invaded virus or endogenesis gene. RNA is shared by different biological gene silencing as initiating element or medieval body. Gene silencing is a self - protection system on the regulating level which can prevent the outside nucleic acid from invading. Gene silencing is also concerned with

( 责任编辑 : 时丽冉     中文校对 : 白丽荣     英文校对 : 李玉玲)


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