当前位置:首页 >> 计算机硬件及网络 >>

RNA干扰(RNAi)


RNA 干扰(RNA interference,缩写为 RNAi)是指一种分子生物学上由双链 RNA 诱发 的基因沉默现象, 其机制是通过阻碍特定基因的翻译或转录来抑制基因表达。 当细胞中导入 与内源性 mRNA 编码区同源的双链 RNA 时,该 mRNA 发生降解而导致基因表达沉默[1] 。 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)。在秀丽隐杆线虫上实验时还可使子一代产 生基因突变,甚到于可用喂食细菌给线虫的方式让线虫得以产生 RNA 干扰现象。RNAi 现 象在生物中普遍存在。 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 发现:RNA 干扰现象是 1990 年由约根森(Jorgensen)研究小组在研究查尔酮合成酶对 花青素合成速度的影响时, 为得到颜色更深的矮牵牛花而过量表达查尔酮合成酶, 结果意外 得到了白色和白紫杂色的矮牵牛花, 并且过量表达查尔酮合成酶的矮牵牛花中查尔酮合成酶 的浓度比正常矮牵牛花中的浓度低 50 倍。约根森推测外源转入的编码查尔酮合成酶的基因 同时抑制了花中内源查尔酮合成酶基因的表达。 1992 年,罗马诺(Romano)和 Macino 也在粗糙链孢霉中发现了外源导入基因可以抑制具 有同源序列的内源基因的表达。1995 年,Guo 和 Kemphues 在线虫中也发现了 RNA 干扰现 象。 1998 年,安德鲁·法厄(Andrew Z. Fire)等在秀丽隐杆线虫(C.elegans)中进行反义 RNA 抑制实验时发现,作为对照加入的双链 RNA 相比正义或反义 RNA 显示出了更强的抑制效 果[1]。 从与靶 mRNA 的分子量比考虑, 加入的双链 RNA 的抑制效果要强于理论上 1:1 配对 时的抑制效果,因此推测在双链 RNA 引导的抑制过程中存在某种扩增效应并且有某种酶活 性参与其中。并且将这种现象命名为 RNA 干扰。 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。 siRNA

RNA 干扰现象的机理
RNA 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 21~23nt 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) 。 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 21~23nt 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。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 (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), 植物中也存在该蛋白同系物。 RNAi

1

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

RNAi 的作用机理:
目前 RNAi 的作用机理主要是在线虫,果蝇,斑马鱼等生物体内阐明的。生物体内的双 链 RNA 可来自于 RNA 病毒感染,转座子的转录产物,外源导入的基因。这些来源的双链 RNA 诱发了细胞内的 RNAi 机制,结果是病毒被清除,转座子的表达被阻断,外源导入基 因表达被阻断同时,与其同源的细胞基因组中的基因表达也被阻断。 双链 RNA 进入细胞后, 一方面在 Dicer 酶的作用下被裂解成 siRNA, 另一方面在 RdRP (以 RNA 为模板指导 RNA 合成的聚合酶,RNA-directed RNA polymerase)的作用下自身 扩增后,再被 Dicer 酶裂解成 siRNA。SiRNA 的双链解开变成单链,并和某些蛋白形成复合 物,Argonaute2 是目前唯一已知的参与复合物形成的蛋白。此复合物同与 siRNA 互补的 mRNA 结合,使 mRNA 被 RNA 酶裂解 另一方面结合的产物以 SiRNA 作为引物,以 mRNA 为模板,在 RdRP 作用下合成出 mRNA 的互补链。 结果 mRNA 也变成了双链 RNA, 它在 Dicer 酶的作用下也被裂解成 siRNA。 这些新生成的 siRNA 也具有诱发 RNAi 的作用, 通过这个聚合酶链式反应, 细胞内的 siRNA 大大增加,显著增加了对基因表达的抑制。从 21 到 23 个核苷酸的 siRNA 到几百个核苷酸 的双链 RNA 都能诱发 RNAi, 但长的双链 RNA 阻断基因表达的效果明显强于短的双链 RNA。 siRNA 还能够通过某种不太明了的机制永久地关闭或者删除 DNA 片断,以在非常大的程度 上控制染色质的形成,而不是仅仅暂时地抑制它们的活动。 动植物和人体的病原体中有一些是 RNA 病毒, 如导致艾滋病的 HIV 和 SARS 的冠状病 毒都是 RNA 病毒。有些 RNA 病毒在复制过程的一定阶段中会产生双链 RNA。如果宿主体 内有分解这种双链 RNA 的酶,就可将双链 RNA 切割成许多小的片段,这种小片段会与病 毒 RNA 基因组的同源部分结合, 使病毒基因失去复制功能, 也就不能危害宿主。 所以 RNAi 是自然界生物长期进化形成的一种防御机制。

RNAi 的现状与未来
疾病治疗 用 RNAi 来制备药物。其思路是根据病原体如病毒、细菌等的致病基因序列,以及生物 体内与疾病发生相关的基因序列,设计和制备与这些基因序列有同源序列的双链 RNA,转 入动植物内使有关的疾病基因“沉默”(不能表达功能),从而达到治疗的效果。 以治疗 HIV 为例,理论过程如上图所示。原理是利用 siRNA 抑制病毒再生或传染所需的蛋 白质的生成。 它的优势在于能够不损伤细胞而只抑制病毒蛋白质, 其专一性是其他药物所难 以具备的。 但问题在于目标基因的选择, 即如何筛选出针对致病蛋白质而不影响细胞正常的 新陈代谢的 siRNA。而且艾滋病毒变化迅速,目标 RNA 序列有可能在短时间内失效,这 都给筛选提出了巨大的挑战。 对其他病毒的治疗也存在类似的问题,如 SARS 等。目前研究大都处于初期阶段,只在 离体细胞或简单的真核细胞上做过试验,况且哺乳动物与人体的 RNAi 机制尚未清晰,所以 利用 siRNA 制备药物潜力巨大但前路漫漫。 生物进化

2

在许多真核生物中都发现了 RNAi 现象,而在原核生物中却未发现,提示了 RNAi 的进 化地位,但是其在进化中是如何出现的,如何保存下来的,在生物体中的意义有多大,目前 均没有分析清楚,还需要更多的研究来阐明。 siRNA 的出现重新唤起了科学家们对“RNA 世界”的重视及对“生命起源于 RNA 分子”这一命 题的兴趣。有的科学家认为成千上万非编码蛋白质的 RNA 分子组成了巨大的分子网络调节 着细胞中的生命活动,它们与蛋白质-蛋白质相互作用网络相对应,将为基因组和生命科学 研究提供无比美好的前景。 干细胞与细胞分化 很容易联想, siRNA 与细胞分化必然有着极其重要的联系, 即有可能参与了细胞周期调 控机制。 研究者发现,RNAi 在 Epigenetics 中发挥重要作用。Epigenetics 是指:至少一代的基因 表达改变,而基因的编码不变。epigenetics 调控的一种类型是染色体的改变。通过改变染色 体的形状(更紧或是更松) ,来决定哪一个基因表达。siRNA 在染色体形状的改变中起着非 常重要的作用。 RNAi 已被证实能引导植物干细胞的分化,因而研究者认为 RNAi 也可能参与指导人的 干细胞的分化。由于 RNAi 在基因表达调控中发挥重要的作用,对 RNAi 微小的干扰就可能 导致肿瘤的发生。干细胞和肿瘤细胞都有共同的特性,例如可塑性和自身更新的特性。这说 明它们可能有类似的细胞内分子机器。 一些研究者把针对 P53 抑癌基因的双链 RNA 引入胚胎干细胞, 使得干细胞中的 P53 基 因受抑,最终使干细胞发育成肿瘤细胞。一个有趣的现象是,P53 受抑制的程度与干细胞发 育成肿瘤细胞的进程、恶性程度成正相关,若 P53 受抑程度小,变成肿瘤的速度就慢,且 恶性低。

RNAi 的问题与猜想
问题: 在 siRNA 与 RNAi 的研究中, 仍有许多的问题: 蛋白是如何与 siRNA 组合在一起的, 如何成为活性形式?对靶 RNA 的剪切作用,其相关的分子机制如何,是需要特异的蛋白来 剪切靶 RNA,还是引导的 siRNA 本身即有剪切作用等。 哺乳动物与人的 RNAi 机制是否与简单的真核生物类似,RNAi 的进化地位如何等。 猜想 1、 疾病治疗:主要的问题还是转运系统的选择,如何找到一种高效而低毒的用于人体的转 运载体是摆在所有 RNAi 应用面前的最大敌人。 依靠免疫系统寻找转运载体可能成为途径之 一,而免疫系统中本身可能也有 RNAi 参与。细胞中是否普遍存在 RNAi 或进行 RNAi 的潜 力呢?细胞的凋亡机制可能也与 RNAi 有关。 病毒的蛋白质复制途径可能有多种,RNAi 是否能像人们期待的那么有效? 2、 如果 siRNA 可以永久地关闭或者删除 DNA 片断,而不仅仅是短期的抑制它。那么动物 细胞全能性受抑制的程度可能远远高于过去人们所想象的。 干细胞的可塑性可能是由于可以 产生特异的 siRNA 或其前体。干细胞通过细胞内的 RNAi 机制在发育过程中关闭或开放基 因的表达,从而指导着细胞的定向分化。其中的 siRNA 有可能来自 DNA 的内含子。 3、 在研究基因时,可通过短期的抑制干细胞某个基因的表达来得知其功能。 siRNA 与 RNAi 技术真正能应用于日常生活为时尚早, 还需要科学家们进一步广泛深入细致 持久的研究。尽管如此,我们依然可以预测,与其它基因技术一样, siRNA 与 RNAi 技术 将在不久的将来会在基因治疗和基因应用中发挥极大的作用, 并将给整个生物理论带来巨大

3

而深远的影响。

4


赞助商链接
相关文章:
RNA干扰技术
RNA 干扰技术 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...
RNA干扰(RNA interference ,RNAi)的研究进展
RNA干扰(RNA interference ,RNAi)的研究进展_医药卫生_专业资料。RNA干扰(RNA interference ,RNAi)的研究进展RNA 干扰(RNA interference ,RNAi) 现象是一种进化上...
RNA干扰(RNA interference, RNAi)技术初探
RNA 干扰(RNA interference, RNAi)是近年来发现的研究生物体基因表达、调控与功能的 一项崭新技术,它利用了由小干扰 RNA(small interfering RNA, siRNA)引起的生物...
RNA干扰iRNA技术及其应用
3.RNA 干扰的应用: RNA 干扰现象的发现及其在生物中存在的普遍性 ,以及 RNAi 作用机制和生物学功能的初步阐明 ,为 RNAi 的应用提供了理论基础。 RNAi 目前已经...
RNA干扰设计
RNA干扰设计_医学_高等教育_教育专区。RNA干扰设计什么是 siRNA 和 RNAi 双链 RNA 经酶切后会形成很多小片段,称为 siRNA,这些小片段一旦与信使 RNA(mRNA)中的...
RNA干扰实验
RNA干扰实验_生物学_自然科学_专业资料。RNA 干扰实验一、磷酸钙转染法 【实验原理】 磷酸钙沉淀法是基于磷酸钙-DNA 复合物的一种将 DNA 导入真核细胞的转染...
RNA干扰的作用机制及小干扰RNA的合成方法
RNA 干扰的作用机制及小干扰 RNA 的合成方法 RNA 干扰(RNA interference,缩写为 RNAi)是指一种分子生物学上由双链 RNA 诱发的基因沉默现象,其机制是通过阻碍特定...
RNA干扰的重点
RNA干扰的重点_生物学_自然科学_专业资料。1. RNA 干扰的发现及其作用机制,...efficiency gene delivery vehicles to create bona fide RNAi-based therapeutics....
RNA干扰研究现状和主要过程
RNA干扰研究现状和主要过程_理学_高等教育_教育专区。RNA干扰研究现状和主要过程原理...RNAi/index.html">RNA Interference Resource A Potential Link between Co-...
RNA干扰技术的原理与应用
RNA 干扰技术的原理与应用 RNA 干扰( RNAinterference , RNAi )是通过小干扰 RNA ( small interference RNA, siRNA ) 造成目的 mRNA 特异性降解, 从而使...
更多相关标签: