RNA干擾及其應(yīng)用

1、RNAi是Napoli C D等1在試圖向紫色矮牽?；ㄞD(zhuǎn)導(dǎo)色素合成基因,用以增加其花色時發(fā)現(xiàn)的。結(jié)果出乎預(yù)料,轉(zhuǎn)基因的植株不僅沒有新基因的表達(dá),反而自身的色素合成也減弱了,一些轉(zhuǎn)基因的花出現(xiàn)了全白色或部分白色。他們把這種導(dǎo)入的基因未表達(dá)和植物本身合成色素基因的失活現(xiàn)象命名為共抑制(cosuppression)。之后,Ramano等在向粗糙孢菌(Neurospora crassa)中導(dǎo)入合成胡蘿卜素的基因時造成失活,他們稱為基因靜止(quelling)。Guo S等2發(fā)現(xiàn)正義RNA與反義RNA有相同水平的抑制效應(yīng)，但未能就此現(xiàn)象給出合理的解釋。Fire A等3在研究反義核苷酸時發(fā)現(xiàn)在線蟲體內(nèi),雙

2、鏈RNA( double stranded RNA,dsRNA)能有效地抑制有互補序列的內(nèi)源性基因,且抑制效果優(yōu)于單鏈反義RNA。至此，正式提出了雙鏈RNA誘導(dǎo)的RNAi的概念，開啟了RNAi研究的序幕。1 RNAi可能的作用機制及特點1.1 RNAi的作用機制雖然RNAi作用的確切機制尚不清楚，但目前普遍認(rèn)可是Bass假說。具體概括為三個階段。（1）起始階段。在細(xì)胞內(nèi),雙鏈RNA(dsRNA)由核酸酶(RNase) Dicer 在ATP的參與下被處理為21個23個堿基的小RNA，即小干擾RNA（small interfering RNA，siRNA）。siRNA是由19個21個堿基配對形成的

3、雙鏈,并在其3末端有兩個游離未配對的核苷酸。研究發(fā)現(xiàn), siRNA 是RNAi 作用發(fā)生的重要中間分子，序列與所作用的靶mRNA 的序列具有高度同源性；雙鏈的兩端各有2個3個突出的非配對的3堿基；兩條單鏈末端為5端磷酸和3端羥基。這些是細(xì)胞賴以區(qū)分真正的siRNA和其他雙鏈RNA的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。 研究表明,平末端的siRNA 或失去了5磷酸基團(tuán)的siRNA 不具有RNAi 的功能4（2）引發(fā)階段。siRNA與Argonaute蛋白家族及其他未知因素結(jié)合，形成siRNA-核蛋白復(fù)合物（siRNA-ribonucleoprotein complex，siRNP）。siRNP在ATP及其他未知因素參與下

4、，使雙鏈siRNA解旋形成RNA誘導(dǎo)的沉默復(fù)合物(RNA inducing silencing Complex ,RISC)。RISC可能以完全單鏈或兩條鏈解旋但不完全分離的形式存在，繼而RISC在dsRNA的介導(dǎo)作用下與互補mRNA結(jié)合，并將其降解。mRNA被降解在轉(zhuǎn)錄后水平,抑制基因表達(dá),因而又稱之為轉(zhuǎn)錄后基因沉默( posttranscriptional gene silencing,PTGS)（3）循環(huán)放大階段。在siRNA誘導(dǎo)的RNAi過程中,可能還存在siRNA 的循環(huán)放大過程,以維持它的RNA誘導(dǎo)功能。此過程推測是以siRNA為引物,互補mRNA 為模板,在RNA依賴性RNA合成

5、酶(RNA-dependent RNA Polymerase,RdRP) 的作用下,合成新的雙鏈RNA，再由Dicer作用,產(chǎn)生新的siRNA,完成siRNA 的放大過程，開始新的RNAi循環(huán)5。關(guān)于對RNAi機制中重要酶的作用研究，Zamore P D等6發(fā)現(xiàn)，21 nt RNA指導(dǎo)mRNA的降解； Scharf W D等7發(fā)現(xiàn)ATP依賴的RNA解旋酶為Mut6;Grishok A等8發(fā)現(xiàn)Let-7和lin-4為內(nèi)源性的RNAi基因（stRNA）；Dalmay T等9提出RNA依賴的RNA多聚酶就是SDE-1； Bernstein E等10證實RNase樣的核酸酶為Dicer; Elbash

6、ir S M等11應(yīng)用外源性21 nt-siRNA能夠抑制同源mRNA的表達(dá);Novina C D等12證實無論是針對病毒感染細(xì)胞所需的CD4受體，還是針對病毒基因組的gag區(qū)域，siRNA都可以有效地使病毒與細(xì)胞的基因沉默，抑制HIV的感染與復(fù)制。1.2 RNAi的作用特點(1)“共抑制”性。RNAi是雙鏈RNA介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄后基因沉默機制,它的啟動子相當(dāng)活躍,外源基因可以轉(zhuǎn)錄,但不能正常積累mRNA；RNAi作用不僅使外源基因在轉(zhuǎn)錄后水平上失活,同時誘導(dǎo)與其同源的內(nèi)源基因沉默。(2)高效性。試驗證明雙鏈RNA干擾mRNA 翻譯的效率比單純反義或正義RNA 的抑制效率提高了幾個數(shù)量級；RNAi可

7、在低于反義核酸幾個數(shù)量級的濃度下,使靶基因表達(dá)降到很低水平甚至完全“剔除”,而產(chǎn)生缺失突變體表型。它比基因敲除技術(shù)更為便捷,科學(xué)家稱RNAi技術(shù)為靶基因或靶蛋白的“剔降”(knockdown)。(3)高特異性。由dsRNA降解成的小干擾RNA,除其正義鏈3端的兩個堿基在序列識別中不起主要作用外,其余堿基在序列識別中都是必需的,單個堿基的改變即可使RNAi失效,RNAi能特異性降解mRNA,針對同源基因共有序列的RNAi則可使同源基因全部失活。(4)高穿透性。RNAi具有很強的穿透能力,能在不同的細(xì)胞間長距離傳遞和維持，如在含有雙鏈RNA的溶液中,喂食表達(dá)雙鏈RNA的細(xì)菌等，能向秀麗隱桿線蟲導(dǎo)入

8、雙鏈RNA。(5)“遺傳性”。已在線蟲中觀察到RNAi效應(yīng)通過生殖系傳遞到后代,說明RNAi具有一定的可遺傳性。高穩(wěn)定性。細(xì)胞中可能存在天然的穩(wěn)定siRNA的機制。此機制可能是siRNA與某種保護(hù)性蛋白結(jié)合,從而使其具有相對的穩(wěn)定性,這些雙鏈RNA 不像反義核酸那樣需要多種化學(xué)修飾來提高其半衰期。(7)雙干擾系統(tǒng)。哺乳動物中存在有非特異性干擾和特異性干擾兩條獨立的途徑。 非特異性干擾反應(yīng)是由大于30個堿基對的雙鏈RNA介導(dǎo),導(dǎo)致整個細(xì)胞中非特異性蛋白合成抑制,RNA降解；特異性反應(yīng)由21 bp25 bp的小干擾RNA介導(dǎo),可逃避非特異性干擾系統(tǒng)的“監(jiān)控”,只降解與其序列相應(yīng)的單個基因的mRNA

9、11。2 研究方法在研究過程中，科研人員逐漸摸索總結(jié)出了成套的研究方法。目前，展開RNAi操作主要有兩種方法。一種為直接將靶向特定基因的大約21個堿基長短siRNA，或45個50個堿基的發(fā)夾結(jié)構(gòu)RNA（small hairpin RNA，shRNA）轉(zhuǎn)染到細(xì)胞，shRNA在細(xì)胞中會自動被加工成siRNA，從而引發(fā)基因沉默或表達(dá)抑制。另一種為構(gòu)建特定的siRNA表達(dá)載體，通過質(zhì)粒在體內(nèi)表達(dá)siRNA而引發(fā)基因沉默。此法的優(yōu)點是排除了RNA酶干擾，延長siRNA半衰期。更重要的是，該法可以進(jìn)行穩(wěn)定表達(dá)細(xì)胞株的篩選，且隨著質(zhì)粒復(fù)制擴散到整個機體，基因抑制效果可傳代。試驗表明，可被化學(xué)合成或體外合成的

10、siRNA抑制的基因同樣可被表達(dá)相同序列的載體表達(dá)出的siRNA所抑制。3 RNAi的應(yīng)用3.1 基因功能研究在神經(jīng)生物學(xué)研究中，科學(xué)家們通過siRNA表達(dá)質(zhì)粒對中腦腹側(cè)神經(jīng)細(xì)胞中的多巴胺能相關(guān)基因進(jìn)行了有效抑制，還通過病毒介導(dǎo)的RNAi建立了此類成年小鼠模型，不僅為建立神經(jīng)系統(tǒng)的功能缺失模型找到了一些有價值的表型標(biāo)記，對神經(jīng)系統(tǒng)的基因治療也有一定借鑒意義；在癌癥研究中，通過shRNA表達(dá)載體成功抑制成年大鼠腦癌基因，同時對RNAi的遠(yuǎn)程（穿過血腦屏障）基因沉默方法進(jìn)行了非常有益的探索；利用細(xì)胞凋亡途徑，通過RNAi抑制凋亡基因Caspase-8能提高患急性肝功能衰竭小鼠的成活率，并發(fā)現(xiàn)Cas

11、pase 8 siRNA處理對特異性Fas激活劑（Jo2和AdFasL）和野生型腺病毒介導(dǎo)的急性肝功能衰竭都有效，表明這個動物模型能反應(yīng)人類急性病毒肝炎多分子參與的機制，增強了siRNA用于急性肝炎病人治療的希望。除了對某些關(guān)鍵基因的RNAi研究外，還在哺乳動物細(xì)胞中探索了siRNA在基因組水平上的篩選方法。他們建立了一個包含8 000多個基因的siRNA表達(dá)框文庫陣列，通過它來高通量篩選NF-kB信號途徑中已知的及Unique基因。由此可見，RNA干擾也正作為篩選成百甚至上千基因的工具，發(fā)揮著越來越大的作用13。RNAi為系統(tǒng)地抑制RNA分子合成蛋白提供了快速而相對簡便的途徑。通過在一段時間

12、內(nèi)對一個基因RNA信號的抑制，研究者可以深入研究基因功能，進(jìn)而描繪支配從細(xì)胞形態(tài)到信號系統(tǒng)的遺傳網(wǎng)絡(luò)。3.2 基因治療及藥物篩選探索由于RNAi是針對轉(zhuǎn)錄后階段的基因沉默，相對于傳統(tǒng)基因治療對基因水平上的敲除，整個流程設(shè)計更簡便，且作用迅速，效果明顯，為基因治療開辟了新的途徑。其總體思路是通過加強關(guān)鍵基因的RNAi機制，控制疾病中出現(xiàn)異常的蛋白合成進(jìn)程或外源致病核酸的復(fù)制及表達(dá)。尤其針對引起一些對人類健康嚴(yán)重危害的病毒，如2003年在全球多個國家和地區(qū)流行的SARS，病原體是單鏈核酸的新型冠狀病毒，尋找藥物靶點，設(shè)計核酸藥物就更為方便。目前已經(jīng)有很多公司在積極開發(fā)這方面的藥物，如在SARS藥物

13、研究中一鳴驚人的美國俄勒岡州的AVI BioPharma生物制藥公司等。國內(nèi)也有很多研究機構(gòu)及生物技術(shù)公司投入了這方面的工作。如上海生科院成立了SARS防治科研攻關(guān)小組，其中生化細(xì)胞所和藥物所的一些課題組在從RNAi的角度努力。此外，北京大學(xué)、中南大學(xué)，北京動物所等大專院校和研究機構(gòu)，以及北京金賽獅反義核酸技術(shù)開發(fā)有限公司等，也開展了RNAi藥物的研究與開發(fā)?；蛑委煼矫孀钜俗⒛康倪M(jìn)展之一是對肝炎病毒的RNAi研究。Mccaffrey A P等通過表達(dá)shRNA的載體在細(xì)胞水平和轉(zhuǎn)染HBV質(zhì)粒后免疫活性缺失的小鼠肝臟中成功抑制了HBV復(fù)制。與對照相比，小鼠血清中測得的HBsAg下降了84.5

14、，免疫組化對HBcAg的分析結(jié)果下降率更超過99%。哈佛大學(xué)Lieberman研究小組通過注射針對Fas的siRNA，過度激活炎癥反應(yīng)，誘導(dǎo)小鼠肝細(xì)胞自身混亂。然后給測試小鼠注入 Fas hyperdrive的抗體，發(fā)現(xiàn)未進(jìn)行siRNA處理的對照組小鼠在幾天中死于急性肝功能衰竭，而82%的siRNA處理小鼠都存活下來，其中80%90的肝細(xì)胞結(jié)合了siRNA。并且，RNAi發(fā)揮功能達(dá)10 d，3周后才完全衰退。由于Fas很少在肝細(xì)胞外的其他細(xì)胞高水平表達(dá)，它對其他器官幾乎沒有副作用。此外，這個小組還和其他研究者積極開展針對HIV的RNAi測試，目前報道他們使用的針對CCR5蛋白的siRNA能阻止

15、HIV進(jìn)入免疫細(xì)胞約3周，在已經(jīng)感染的細(xì)胞中也能阻止感染病毒的復(fù)制。然而，盡管取得了不少研究成果，但要真正用于醫(yī)療還需時日。目前大多數(shù)還停留在小鼠測試階段，siRNA的導(dǎo)入多采用靜脈或腹腔注射，尾部注射，細(xì)胞移植等，如何對人進(jìn)行有效的給藥，既能確保藥效在靶器官靶組織有效釋放，還要具有高度安全性等問題都需進(jìn)一步研究。人們期待著RNAi引領(lǐng)的新醫(yī)學(xué)革命的到來。在藥物篩選領(lǐng)域，除了線蟲這種低等動物的RNAi高通量藥篩模式外，Lavery K S等對RNAi在藥篩領(lǐng)域的應(yīng)用前景進(jìn)行了高度評價，RNAi技術(shù)將逐漸成為藥物靶點篩選和鑒定的強大工具。他對如何在藥篩的各個階段應(yīng)用RNAi做了具體描述及展望，并

16、指出將這項技術(shù)與高通量篩選、體外生物檢測和體內(nèi)疾病模式相結(jié)合，將提供大量基因功能方面的有用信息，在藥物開發(fā)過程的多個階段促進(jìn)靶點的有效篩選。3.3 抗腫瘤治療多種癌基因可以作為靶點設(shè)計相對應(yīng)siRNA14。Brummelkamp T R等15用逆轉(zhuǎn)錄病毒載體將siRNA 導(dǎo)入腫瘤細(xì)胞中,特異性抑制了癌基因K2RAS (V12)的表達(dá)。對急性髓性白血病的研究已經(jīng)取得了較好的結(jié)果。Scherr M等16以引起慢性髓性白血病和bcr2abl陽性急性成淋巴細(xì)胞白血病的bcr2abl癌基因為靶基因,設(shè)計了對應(yīng)的siRNA,并獲得了87% 的有效抑制率。Wilda M等17用siRNA抑制白血病BCR/A

17、BL融合基因表達(dá)也取得了成功。 因此，基于RNAi 技術(shù)的抗腫瘤治療藥物開發(fā)潛力巨大。有報道稱，一種全新生物工程藥品“RNA干擾劑”(非干擾素)業(yè)已浮出水面，并有望在3年內(nèi)上市。經(jīng)過多年的探索，科學(xué)家終于發(fā)現(xiàn)，在癌細(xì)胞和病毒RNA的22對堿基中有1對堿基專門負(fù)責(zé)復(fù)制工作，只要能使這對堿基“休眠”，癌細(xì)胞或病毒就會自動停止復(fù)制。這一重要發(fā)現(xiàn)為一種全新藥物RNA干擾劑奠定了基礎(chǔ)?？茖W(xué)家們相信，艾滋病、乙型肝炎、惡性膠質(zhì)瘤(惡性腦瘤)和胰腺癌等疾病有望成為RNA干擾劑的第一批受益者(2004年經(jīng)FDA批準(zhǔn)已開始RNA干擾劑的臨床試驗)，艾滋病、中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性病變疾病如多發(fā)性硬化癥、阿爾茨海默病、

18、帕金森病等將成為第二批受益者。3.4 抗病毒治療由于RNAi 是機體中古老而天然的抗病毒機制,目前國外科技人員利用此特點，已設(shè)計出針對HIV gag、tat、rev、nef等基因的siRNA，針對丙型肝炎病毒非結(jié)構(gòu)蛋白5B基因的siRNA，針對脊髓灰質(zhì)炎病毒衣殼蛋白和多聚酶基因的siRNA，針對口蹄疫病毒3D片段siRNA等18，均在試驗中取得理想結(jié)果。陸續(xù)有關(guān)通過RNAi抑制其他病毒在細(xì)胞內(nèi)復(fù)制的報道如呼吸道合胞病毒、人乳頭瘤病毒、乙型肝炎病毒、丙型肝炎病毒19等，國內(nèi)也已設(shè)計出針對口蹄疫病毒VP1基因的siRNA，針對丙型肝炎病毒5保守區(qū)的siRNA，針對口蹄疫病毒IRES和L串聯(lián)序列兩側(cè)

19、的保守區(qū)的siRNA20，針對SARS冠狀病毒的6個siRNA，即RL001、R L002、RL003、RL004、RL005和RL006，均已取得理想結(jié)果。針對病原的siRNA已經(jīng)進(jìn)行到動物實驗階段21，向病毒病的有效防治邁出了堅實的一步。由此可見，利用RNAi技術(shù)將使病毒病的有效治療成為可能。3.5 轉(zhuǎn)基因研究在動植物的轉(zhuǎn)基因試驗中, 經(jīng)常發(fā)生基因沉默。因此, 對轉(zhuǎn)基因沉默機制的探索可以為在轉(zhuǎn)基因研究中避免基因沉默提供對策。在轉(zhuǎn)基因植物研究中避免基因沉默可提高試驗成功率，且節(jié)省時間，而在大型動物轉(zhuǎn)基因研究中避免基因沉默可節(jié)約成本，提高產(chǎn)率。3.6 干細(xì)胞研究在干細(xì)胞研究方面，在dsRNA阻

20、斷大鼠骨髓源性神經(jīng)干細(xì)胞 Hes5表達(dá)的試驗中22，觀察外源性短dsRNA在轉(zhuǎn)錄后水平mRNA水平降低基因表達(dá)的效率，并對其影響因素進(jìn)行了初步探討。同時基于干細(xì)胞可能擁有自己的一套基因組，不同類型的干細(xì)胞又擁有各自所特有的基因，這些基因可能是決定干細(xì)胞特性的最關(guān)鍵的實質(zhì)性因素。因此，RNAi技術(shù)在此領(lǐng)域應(yīng)用空間廣闊。3.7 研究信號傳導(dǎo)的新途徑Biotech認(rèn)為，聯(lián)合利用傳統(tǒng)的缺失突變技術(shù)和RNAi技術(shù)可以很容易地確定復(fù)雜的信號傳導(dǎo)途徑中不同基因的上下游關(guān)系，Clemensy等應(yīng)用RNAi研究了果蠅細(xì)胞系中胰島素信息傳導(dǎo)途徑，取得了與已知胰島素信息傳導(dǎo)通路完全一致的結(jié)果。RNAi技術(shù)較傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)

21、染試驗簡單、快速、重復(fù)性好，克服了轉(zhuǎn)染試驗中重組蛋白特異性聚集和轉(zhuǎn)染率不高的缺點，因此認(rèn)為RNAi技術(shù)可能成為研究細(xì)胞信號傳導(dǎo)通路的新途徑。3.8 常見病的治療Nature雜志報道了miRNA（Micro RNA）的應(yīng)用上一個重要發(fā)現(xiàn)，成功采用miRNA調(diào)節(jié)了胰島素的分泌，這為糖尿病的治療帶來新的希望，也將為糖尿病的新藥研究帶來新的曙光和思路。據(jù)Sicence雜志報道，顯示應(yīng)用RNAi技術(shù)可有效降低血管內(nèi)膽固醇含量，對治療心血管疾病有明顯的作用。4 展望綜上所述，RNAi技術(shù)在基因功能研究、抗腫瘤治療、抗病毒治療、基因應(yīng)用研究、常見病的治療等許多方面都是強有力的工具和手段。同時做為新興的生物技術(shù)，還有廣闊的研究和應(yīng)用空間期待著科研人員的探索。例如，siRNA在病毒持續(xù)性感染過程中扮演怎樣的角色？siRNA在冬眠動物體內(nèi)的作用如何？RNAi在雀斑形成中起到怎樣的作用？如上述問題得到解決，將進(jìn)一步依據(jù)其機理及特點，有望應(yīng)用