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认识小干扰RNA


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生物学教学

2009 年 (第 34 卷 ) 第 8 期

认识小干扰 RNA、 微 RNA 和 RNA 干扰
雷宇华   廖峥嵘   赵  娟  王忠海  (河北医科大学生物教研室  石家庄  050017)
摘  要  近年来随着 RNA 干扰 ( RNA i) 技术在生命领域的应用和小分子 RNA 研究的深入 , RNA 逐渐成为生命科学领域的一个研 究热点 。本文就 RNA 干扰技术及小干扰 RNA ( siRNA ) 和微 RNA (m iRNA ) 间的关系进行了介绍 。 关键词   siRNA m iRNA RNA i
3

  DNA 分子携带着控制细胞生命活动的全部遗传 信息 ,能决定生物体的遗传性状及生物学行为 , 在整个 生命活动中的作用无以伦比 。将遗传信息从 DNA 传 递给 RNA 的过程称为转录 , 这是细胞合成有功能的蛋 白质所必需的重要环节 ,因此 RNA 分子扮演着同等重 要的作用 。近年来随着研究的深入 , 特别是 RNA 干扰
( RNA i) 技术在生命领域的应用和小分子 RNA 的研

的真核生物中 。
RNA i 是指一些小的与靶基因序列同源的双链 RNA ( dsRNA ) 可以高效 、 特异性地阻断体内特定基因

表达 , 促使 mRNA 降解 ,诱使细胞表现出特定基因缺失 的表型 , 它也是体内抵御外在感染的一种重要保护机 制 。 RNA i能高效特异性地阻断基因的表达 , 在线虫 、 果蝇体内 , RNA i能达到基因敲除的效果 。其可能的作 用机理是 , 较长 ds RNA 在 ATP 参与下被 RNase Ⅲ 样的 特异核酸酶切割加工成 21 ~23nt 的由正义和反义链 组成 的 小 干 扰 RNA ( small interfering RNA, siRNA ) 。
siRNA 在 ATP 参与下被 RNA 解旋酶解旋成单链 , 并由

究 , RNA 逐渐成为生命科学领域的一个研究热点 , 甚 至从“ 配角 ” 变成“ 主角 ” 。 人们对细胞质中的 mRNA (信使 RNA ) 、 tRNA (转 运 RNA ) 和 rRNA (核糖体 RNA ) 三类 RNA 已很熟悉 。 什么是 小 干 扰 RNA ( siRNA ) 、 微 RNA ( m iRNA ) 和
RNA i? 它们之间有着什么样的关系呢 ? 下面我们就

其 中 反 义 链 指 导 形 成 RNA 诱 导 的 沉 默 复 合 体
( R ISC ) ,沉默同源靶基因 。转基因真核生物中的 dsR 2 NA 尚可引起相应基因的甲基化和染色质重构 、 凝集 、

来认识它们 。
1  RNA 干扰 RNA i现象早在 1993 年就有报道 : 将产生紫色素

异染色质化 , 最终导致基因沉默 。
RNA i能够调节和关闭基因的表达 , 进而调控细胞

的基因转入开紫花的矮牵牛中 , 希望得到紫色更深的 花 ,可是事与愿违 , 非但没有加深紫色 , 反而成了白色 。 当时认为这是矮牵牛本来有的紫色素基因和转入的外 来紫色素 基 因都 失 去了 功能 , 称 这 种 现 象 是“ 共抑 制” 。直到 1998 年 , Fire 等的研究证明 , 在正义 RNA 阻断了 基 因 表 达 的 试 验 中 , 真 正 起 作 用 的 是 双 链
RNA, 使基因“ 沉默 ” 了
[1 ]

的各种高级生命活动 。 RNA i 的发现不仅提升了人们 对 RNA 分子的认识 , 还大大推进基因功能的研究 , 可 以简化替代基因敲除而成为研究基因功能的有力工 具
[ 2, 3 ]

,更为各种类型的传染病和癌症提供了一种新的

研究和治疗手段 。但由于 RNA i 机制尚未完全阐明 , 仍有许多问题尚未得到彻底解答 。
2  小干扰 RNA 和微 RNA

。研究人员将这一现象称为

RNA 干扰 ( RNA interference, RNA i ) 。研究者因此获

小 RNA 分子是非编码的 RNA 分子 ( noncodin2
gRNA, ncRNA ) , 其控制着真核细胞的许多功能 , 影响

得了 2006 年诺贝尔生理学或医学奖 。随后陆续发现
RNA i也存在于水稻 、 烟草 、 果蝇 、 小鼠及人等几乎所有

基因表达 、 细胞周期和 个 体发 育等 多 种行 为

[4 ]

。小

  现代生物技术和分子生物学的发展 , 为解决上述 问题提供了可能性 。主要的新技术有酶的化学修饰 、 酶的固定化 、 交联酶技术 、 生物印迹和酶的定向进化 。 此外 ,在新酶源的研发方面目前已经有学者将计 算机技术 、 生物技术及化学技术三者结合起来进行探 索 。而相对于酶催化 , 抗体的特性决定了其更大的发 展空间及无限的灵活性 ,这既是其优点 , 也是难点所在 。可以相信 ,随着生物学和化学的发展和两者日益紧 密的结合 ,随着更多的学科交叉进入生物催化领域 , 生 物催化技术必将成为未来的核心技术之一 。
主要参考文献

[ 1 ]承   勇 . 2001. 生物催化反应在工业生产中的应用 . 安徽教育学

院学报 , 19 ( 3) : 57 ~63
[ 2 ]杜晨宇 ,李   春 , 曹竹安等 . 2002. 工业生物技术的核心生物催

化 . 生物工程进展 , 2002. 22 ( 1) : 9 ~15
[ 3 ]罗贵民 . 2000. 催化抗体研究新进展 . 生物化学与生物物理进展 , 27 ( 4) : 354 ~360 [ 4 ]欧阳藩 . 2003. 冲击生物技术第三次浪潮 . 生物加工过程 , 1 ( 1 ) : 7

~12
[ 5 ]孙志浩 . 2006. 生物催化制备手性化合物技术进展 . 精细与专用

化学品 , 14 ( 24) : 5 ~11
[ 6 ]王   智 ,董   桓 ,曹   淑 . 2003. 桂脂肪酶在手性药物中间体制备

中的应用 . 药物生物技术 , 10 ( 2) : 112 ~115

生物学教学

2009 年 (第 34 卷 ) 第 8 期

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RNA 主 要 包 括 小 干 扰 RNA ( small interfering RNA, siRNA ) 和微 RNA ( m icroRNA, m iRNA ) 两类
[5 ]

NA

[8 ]

。④ 作用机制不同 : siRNA 与 R ISC ( RNA 诱导的



沉默复合物 ,使用的 AGO 蛋白家族的成分为 AGO2 ) 结 合 ,以 RNA i途径行使功能 , 即通过与序列互补的靶标
mRNA 完全结合 (与编码区结合 ) , 从而降解 mRNA 以

siRNA 是一种短片断双链 RNA 分子 , 能够以同源

互补序列的 mRNA 为靶目标降解特定的 mRNA , 这个 过程也就是前面提到的 RNA 干扰 。 2001 年 5 月 , El2
bashir 等
[6 ]

达到抑制蛋白质翻译的目的 。m iRNA 和 R ISC 形成复 合体 (利用的 AGO 蛋白家族成员为 AGO1 ) 后与靶标
mRNA 通常 发 生不 完 全的 结合 , 并 且 结合 的 位点 是 mRNA 的非编码区的 3 ’ 端 ; 它不会降解靶标 mRNA , 而

首先报道了以体外合成的 21nt siRNA 转染

哺乳动物细胞造成特异性基因抑制的结果 。而后的多 项研究进一步证实 , 体外合成的 siRNA 不论在低等生 物如线虫 , 还是在高等生物如人 、 鼠的细胞中均能发 挥其强大 、 特异的基因抑制功能 , 对于体外转导的基 因和细胞的内生基因同样有效 。 siRNA 是 RNA i 作用 中不可 缺 少 的 重 要 环 节 , 这 一 发 现 进 一 步 揭 示 了
RNA i的作用机制 。体外合成 siRNA 应用则是 RNA i

只是阻止 mRNA 的翻译 。 ⑤功能不同 : siRNA 通常用 于沉默外源病毒 、 转座子活性 。m iRNA 能够调节生物 体内在的与机体生长 、 发育 、 疾病发生过程有关的基因 的表达 。
3  小结

技术的最新进展 ,开创了基因治疗的新道路 , 有着广阔 的应用前景 。
m iRNA 成为继 siRNA 之后新的研究热点 。m iRNA

目前围绕着 siRNA、m iRNA 和 RNA i 的研究正在 深入展开 , 不断有新的进展和发现 。比如 , 研究人员最 初认为 m iRNA 通过 3 ’ 端非翻译区 ( 3 ’ UTR ) 与 mRNA 相互作用 , 但最新的一些研究发现
[9]

是一类广泛存在于真核生物中 ,大小约 21 ~23 个碱基 的单链小分子 RNA,是由具有发夹结构的约 70 ~90 个 碱基大小的单链 RNA 前 体 , 经 过 D icer 酶 加工 后生 成,
[7 ]

, m iRNA 的作用

靶位不仅是 mRNA 的非编码区 , m iRNA 还能与 mRNA 的编码区作用 。这也表明 , mRNA 编码区受 m iRNA 调 控 ,蛋白翻译过程也受 m iRNA 调控 。相信 RNA i 作为 新兴的技术 , 必然有其广阔的前景 , 随着小 RNA 的进 一步深入研究 , 一定会使 RNA i技术应用于更广的领 域 , 最终为人类疾病的防治开辟新的道路 。
( 3 通讯作者 )
主要参考文献
[ 1 ] Fire A , Xu SQ , MontgomeryMK et al . 1998. Potent and specific ge2 netic interference by double - stranded RNA in Camorhabditis ele2 gans . Nature, 391 ( 6669) : 806 ~11 [ 2 ] Elbashir S M , Harborth J, W eber K et al . 2002. Analysis of gene function in somatic mammalian cells using s mall interfering RNA s . Methods, 26 ( 2) : 199 ~213 [ 3 ] Harborth J, Elbashir S M , W eber K etal . 2001. Identification of es2 sential genes in cultured mammalian cells using small interfering RNA s . Journal of Cell Science, 114 ( Pt 24) : 4557 ~65 [ 4 ] He L, Thom son JM, HemannMT et al . 2005. A m icroRNA polycistron as a potential human oncogene. Nature, 435 (7043) : 823 ~833 [ 5 ] Zamore PD , Haley B. 2005 . R ibo2 gnome: the big world of small RNA s . Science, 309 ( 5740) : 1519 ~1524 [ 6 ] Elbashir S M , Harborth J, Lendeckel W et al . 2001. Dup lexes of 21 - nucleotide RNA s mediate RNA interference in cultured mammalian cells . Nature, 411 ( 6836) : 494 ~8 [ 7 ] O ’Donnell KA , W entzel EA , ture, 435 ( 7043) : 839 ~ 843 [ 8 ]Meltzer PS . 2005. Cancer genem ics: Small RNA s with big impacts . Nature, 435 ( 7043) : 745 ~ 746 [ 9 ] Tay Y, Zhang J, Andrew M et al . 2008 . M icroRNA s to Nanog, Oct4 and Sox2 coding regions modulate embryonic stem cell differen2 tiation. Nature, 455 ( 7216) : 1124 ~8 Zeller KI et al . 2005. c2Myc2 regulated m i2 croRNA s modulate E2F1 exp ression. Na2

,能够通过与靶 mRNA 特异性的碱基配对 , 引起

靶 mRNA 的降解或者抑制其翻译 , 从而对基因进行转 录后表达的调控 。研究发现 m iRNA 在发育 、 凋亡 、 代 谢以及人类疾病方面都起着不容忽视的作用 , 从而备 受关注 。据推测人类 m iRNA 具有调控人类 10% ~
30%基因的潜能 ,并且人工 m iRNA 已广泛用于基因功

能和人类疾病模型的研究 ,显示了良好的应用前景 。
m iRNA 和 siRNA 并不相同 , 但又密切相关 , 它们

之间很容易混淆 ,它们有许多共同点也有不少不同点 。 它们的共同点包括 : ①m iRNA 和 siRNA 都是由 22 个左右的核苷组成 ; ②都是 D icer 酶的产物 ; ③在起干 扰、 调节作用时都会和 R ISC 复合体结合 ; ④都可以在 转录后和翻译水平干扰抑制靶基因的翻译 。 它们之间的区别点有 : ①形式不同 。 siRNA 为双 连 RNA , 而 m iRNA 为单链 RNA 分子 。 ②来源不同 :
siRNA 通常是外源的 , 如病毒感染和人工插入的 dsR 2 NA 被剪切后产生外源基因进入细胞 。而 m iRNA 是内

源性的 ,是一种非编码的 RNA , 由 m iRNA 基因表达出 最初的 p ri - m iRNA 分子加工后形成的 。 ③形成过程 不同 : siRNA 是外源的长链 dsRNA 经过 D icer酶切割形 成双链 siRNA, 而且每个前体 dsRNA 能够被切割成不 定数量的 siRNA 片段 。而 m iRNA 是在细胞核中转录 的较大的 p ri - m iRNA 经由 D rosha (一种 RNA se Ⅲ 酶) 和 Pasha (含有双链 RNA 结合区域 ) 加工成为单链 p re
- m iRNA; 接着 ,发夹状 、 部分互补的 p re - m iRNA 在细

胞质中被 D icer (一种 RNA se Ⅲ酶 ) 酶切割形成 m iR 2


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