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RNAi技术历史背景、作用机理与路线图
作者:常平安等 来源:重庆邮电学院生物信息学院 时间:2008-6-28

    一、RNAi的概念与产生的历史背景
    随着分子生物学的飞速发展,一些新分子生物学技术正在不断孕育和产生,RNAi技术成为新的分子生物学研究热点,独占分子生物学新技术的鳌头。
    近年来研究表明,一些小的双链RNA(dsRNA)可以高效、特异的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,即称为RNA干扰(RNA interference, RNAi,也称RNA干预或干涉或沉默)。其实,它是生物体内抵御外在感染的一种重要保护机制。由于可以作为一种简单、有效的代替基因敲除的遗传工具。自1998年被发现以来,在其作用机制研究、应用于生物基因组中特定基因功能的研究、封闭和阻断病原体基因表达等方面,取得了重要进展,显示出良好的应用前景。
    RNAi技术正在功能基因组学领域掀起一场真正的深刻革命,并将彻底改变这个领域的研究步伐。为此,《Science》杂志和美国科学促进会将RNAi技术评为2002年度最重大的十大科学成就之首,成为2002年度最耀眼的明星,是生物医学领域近20年来,可与HGP相提并论的最重大成果之一。认为该项技术将对治疗肿瘤、爱滋病、肝炎等多种威胁人类健康的重大疾病带来希望。
    二、RNAi的作用机理
    RNAi最主要的作用是一小段(大约21-23bp)的双链RNA分子(double-strainded RNA,dsRNA)它介导细胞内序列特异性基因表达阻断或封闭,也就是转录后基因沉默(post-transcriptional gene silencing, PTGS),从而起到控制细胞的各种高级生命活动。
    1. RNAi的作用水平
    RNAi是在多重水平上发挥作用的。最先在华丽新小杆线虫中发现,dsRNA所诱导的基因沉默在转录后水平,因为dsRNA导致了相应RNA(mRNA)的降解,而基因启动子和内含子序列作为基因沉默触发物则无效。后来在植物中也发现,RNAi引起的基因沉默也是在转录后水平。
    除此转录后水平降解mRNA的机制外,RNAi还通过其他机制来影响基因表达。在植物中,dsRNA导致基因组中与沉默触发物同源序列的甲基化;如果与沉默触发物与启动子序列相同,则引起转录水平的基因沉默 。而另外的研究还发现,在华丽新小杆线虫中,RNAi装置中,内源性编码的诱导剂,是在蛋白质合成水平发挥作用的。
    2. RNAi的作用的基本过程
    第一步:起始步  沉默触发物被裂解,产生小干扰性RNA(small interfering RNAs,siRNAs)。研究表明,果蝇胚胎提取物就有将长链dsRNA底物裂解为长度在约22bp小片段的活性。这些siRNAs是双链的,有磷酸化的5ˊ端。这一过程,可能与Rnase Ⅲ家族的功能有关。该家族中有一类已被命名为Dicer酶,含2个催化结构域、1个螺旋酶结构域和1个PAZ基序。遗传学研究表明,Dicer酶结构在多种生物体之间比较保守。
    第二步:效应步  siRNAs与多种亚单位形成复合物—RNA诱导的沉默复合物(RISC),然后以RISC的方式降解单链的靶mRNA。在RISC中,这种大小约22bp的siRNAs所起的作用,是以碱基配对的原则,识别与dsRNA相同序列的靶mRNA,引导复合物中的RNA降解酶RNase,确保对特定的序列的靶mRNA进行降解。
    第三步:沉默效应的放大和扩散  在华丽新小杆线虫中,RNAi能够扩散到整个虫体,即使只有少量的触发物dsRNA;在植物中也发现了相似的情况,沉默效应扩散到整株植物,并可转移到嫁接的幼芽。研究发现,西红柿中RNA指导的RNA聚合酶(RdRP)与RNAi的扩散有关;而华丽新小杆线虫和植物中dsRNA诱导的基因沉默所需要参与的蛋白质,在序列上与西红柿的这种RdRP很相似;在其他生物体中,起RdRP作用的分别可能是:拟南芥属—SDE1/SGS2,脉孢菌属—QDE-1,胚系华丽新小杆线虫—EGO-1,华丽新小杆线虫成虫—RRF-1/RDE-9;而病毒诱导的基因沉默(VIGS),则是螺旋酶。有学者认为,沉默效应的放大和扩散,是RdRP激发了另外的dsRNA合成。

    RNAi原理示意图

    三、 RNAi抑制病毒研究技术路线图

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