認識小干擾RNA_微RNA和RNA干擾

1、認識小干擾RNA、微RNA和RNA干擾雷宇華廖崢嶸趙娟王忠海3(河北醫(yī)科大學生物教研室石家莊050017摘要近年來隨著RNA干擾(RNA i技術在生命領域的應用和小分子RNA研究的深入,RNA逐漸成為生命科學領域的一個研究熱點。本文就RNA干擾技術及小干擾RNA(si RNA和微RNA(m i RNA間的關系進行了介紹。關鍵詞si RNA m i RNA RNA iDNA分子攜帶著控制細胞生命活動的全部遺傳信息,能決定生物體的遺傳性狀及生物學行為,在整個生命活動中的作用無以倫比。將遺傳信息從DNA傳遞給RNA的過程稱為轉錄,這是細胞合成有功能的蛋白質所必需的重要環(huán)節(jié),因此RNA分子扮演著同等重

2、要的作用。近年來隨著研究的深入,特別是RNA干擾(RNA i技術在生命領域的應用和小分子RNA的研究,RNA逐漸成為生命科學領域的一個研究熱點,甚至從“配角”變成“主角”。人們對細胞質中的mRNA(信使RNA、tRNA(轉運RNA和rRNA(核糖體RNA三類RNA已很熟悉。什么是小干擾RNA(siRNA、微RNA(m iRNA和RNA i?它們之間有著什么樣的關系呢?下面我們就來認識它們。1RNA干擾RNA i現(xiàn)象早在1993年就有報道:將產(chǎn)生紫色素的基因轉入開紫花的矮牽牛中,希望得到紫色更深的花,可是事與愿違,非但沒有加深紫色,反而成了白色。當時認為這是矮牽牛本來有的紫色素基因和轉入的外來紫

3、色素基因都失去了功能,稱這種現(xiàn)象是“共抑制”。直到1998年,Fire等的研究證明,在正義RNA 阻斷了基因表達的試驗中,真正起作用的是雙鏈RNA,使基因“沉默”了1。研究人員將這一現(xiàn)象稱為RNA干擾(RNA interference,RNA i。研究者因此獲得了2006年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。隨后陸續(xù)發(fā)現(xiàn)RNA i也存在于水稻、煙草、果蠅、小鼠及人等幾乎所有的真核生物中。RNA i是指一些小的與靶基因序列同源的雙鏈RNA(ds RNA可以高效、特異性地阻斷體內特定基因表達,促使mRNA降解,誘使細胞表現(xiàn)出特定基因缺失的表型,它也是體內抵御外在感染的一種重要保護機制。RNA i能高效特異性地阻

4、斷基因的表達,在線蟲、果蠅體內,RNA i能達到基因敲除的效果。其可能的作用機理是,較長ds RNA在ATP參與下被RNase樣的特異核酸酶切割加工成2123nt的由正義和反義鏈組成的小干擾RNA(s mall interfering RNA,siRNA。siRNA在ATP參與下被RNA解旋酶解旋成單鏈,并由其中反義鏈指導形成RNA誘導的沉默復合體(R ISC,沉默同源靶基因。轉基因真核生物中的ds R2 NA尚可引起相應基因的甲基化和染色質重構、凝集、異染色質化,最終導致基因沉默。RNA i能夠調節(jié)和關閉基因的表達,進而調控細胞的各種高級生命活動。RNA i的發(fā)現(xiàn)不僅提升了人們對RNA分子的

5、認識,還大大推進基因功能的研究,可以簡化替代基因敲除而成為研究基因功能的有力工具2,3,更為各種類型的傳染病和癌癥提供了一種新的研究和治療手段。但由于RNA i機制尚未完全闡明,仍有許多問題尚未得到徹底解答。2小干擾RNA和微RNA小RNA分子是非編碼的RNA分子(noncodin2 g RNA,ncRNA,其控制著真核細胞的許多功能,影響基因表達、細胞周期和個體發(fā)育等多種行為4。小現(xiàn)代生物技術和分子生物學的發(fā)展,為解決上述問題提供了可能性。主要的新技術有酶的化學修飾、酶的固定化、交聯(lián)酶技術、生物印跡和酶的定向進化。此外,在新酶源的研發(fā)方面目前已經(jīng)有學者將計算機技術、生物技術及化學技術三者結合

6、起來進行探索。而相對于酶催化,抗體的特性決定了其更大的發(fā)展空間及無限的靈活性,這既是其優(yōu)點,也是難點所在?？梢韵嘈?隨著生物學和化學的發(fā)展和兩者日益緊密的結合,隨著更多的學科交叉進入生物催化領域,生物催化技術必將成為未來的核心技術之一。院學報,19(3:5763化.生物工程進展,2002.22(1:9153羅貴民.2000.催化抗體研究新進展.生物化學與生物物理進展,27(4:3543604歐陽藩.2003.沖擊生物技術第三次浪潮.生物加工過程,1(1:712化學品,14(24:511中的應用.藥物生物技術,10(2:112115RNA主要包括小干擾RNA(s mall interfering

7、 RNA, siRNA和微RNA(m icr oRNA,m i RNA兩類5。si RNA是一種短片斷雙鏈RNA分子,能夠以同源互補序列的mRNA為靶目標降解特定的mRNA,這個過程也就是前面提到的RNA干擾。2001年5月,El2 bashir等6首先報道了以體外合成的21nt si RNA轉染哺乳動物細胞造成特異性基因抑制的結果。而后的多項研究進一步證實,體外合成的siRNA不論在低等生物如線蟲,還是在高等生物如人、鼠的細胞中均能發(fā)揮其強大、特異的基因抑制功能,對于體外轉導的基因和細胞的內生基因同樣有效。siRNA是RNA i作用中不可缺少的重要環(huán)節(jié),這一發(fā)現(xiàn)進一步揭示了RNA i的作用機

8、制。體外合成siRNA應用則是RNA i 技術的最新進展,開創(chuàng)了基因治療的新道路,有著廣闊的應用前景。m i RNA成為繼siRNA之后新的研究熱點。m iRNA 是一類廣泛存在于真核生物中,大小約2123個堿基的單鏈小分子RNA,是由具有發(fā)夾結構的約7090個堿基大小的單鏈RNA前體,經(jīng)過D icer酶加工后生成,7,能夠通過與靶mRNA特異性的堿基配對,引起靶mRNA的降解或者抑制其翻譯,從而對基因進行轉錄后表達的調控。研究發(fā)現(xiàn)m i RNA在發(fā)育、凋亡、代謝以及人類疾病方面都起著不容忽視的作用,從而備受關注。據(jù)推測人類m iRNA具有調控人類10% 30%基因的潛能,并且人工m iRNA

9、已廣泛用于基因功能和人類疾病模型的研究,顯示了良好的應用前景。m i RNA和siRNA并不相同,但又密切相關,它們之間很容易混淆,它們有許多共同點也有不少不同點。它們的共同點包括:m i RNA和siRNA都是由22個左右的核苷組成;都是D icer酶的產(chǎn)物;在起干擾、調節(jié)作用時都會和R I SC復合體結合;都可以在轉錄后和翻譯水平干擾抑制靶基因的翻譯。它們之間的區(qū)別點有:形式不同。si RNA為雙連RNA,而m iRNA為單鏈RNA分子。來源不同: siRNA通常是外源的,如病毒感染和人工插入的ds R2 NA被剪切后產(chǎn)生外源基因進入細胞。而m iRNA是內源性的,是一種非編碼的RNA,由

10、m iRNA基因表達出最初的p ri-m i RNA分子加工后形成的。形成過程不同:siRNA是外源的長鏈dsRNA經(jīng)過D icer酶切割形成雙鏈si RNA,而且每個前體dsRNA能夠被切割成不定數(shù)量的si RNA片段。而m i RNA是在細胞核中轉錄的較大的p ri-m i RNA經(jīng)由D rosha(一種RNA se酶和Pasha(含有雙鏈RNA結合區(qū)域加工成為單鏈p re -m i RNA;接著,發(fā)夾狀、部分互補的p re-m iRNA在細胞質中被D icer(一種RNA se酶酶切割形成m iR2NA8。作用機制不同:siRNA與R ISC(RNA誘導的沉默復合物,使用的AG O蛋白家

11、族的成分為AG O2結合,以RNA i途徑行使功能,即通過與序列互補的靶標mRNA完全結合(與編碼區(qū)結合,從而降解mRNA以達到抑制蛋白質翻譯的目的。m i RNA和R ISC形成復合體(利用的AG O蛋白家族成員為AG O1后與靶標mRNA通常發(fā)生不完全的結合,并且結合的位點是mRNA的非編碼區(qū)的3端;它不會降解靶標mRNA,而只是阻止mRNA的翻譯。功能不同:siRNA通常用于沉默外源病毒、轉座子活性。m iRNA能夠調節(jié)生物體內在的與機體生長、發(fā)育、疾病發(fā)生過程有關的基因的表達。3小結目前圍繞著si RNA、m iRNA和RNA i的研究正在深入展開,不斷有新的進展和發(fā)現(xiàn)。比如,研究人員

12、最初認為m iRNA通過3端非翻譯區(qū)(3UTR與mRNA 相互作用,但最新的一些研究發(fā)現(xiàn)9,m iRNA的作用靶位不僅是mRNA的非編碼區(qū),m i RNA還能與mRNA 的編碼區(qū)作用。這也表明,mRNA編碼區(qū)受m i RNA調控,蛋白翻譯過程也受m i RNA調控。相信RNA i作為新興的技術,必然有其廣闊的前景,隨著小RNA的進一步深入研究,一定會使RNA i技術應用于更廣的領域,最終為人類疾病的防治開辟新的道路。(3通訊作者主要參考文獻1Fire A,Xu S Q,MontgomeryMK et al.1998.Potent and s pecific ge2netic interfere

13、nce by double-stranded RNA in Ca morhabditis ele2 gans.Nature,391(6669:806112Elbashir S M,Harborth J,W eber K et al.2002.Analysis of genefuncti on in s omatic mammalian cells using s mall interfering RNA s.Methods,26(2:1992133Harborth J,Elbashir S M,W eber K etal.2001.I dentificati on of es2sential

14、genes in cultured ma mmalian cells using s mall interfering RNA s.Journal of Cell Science,114(Pt24:4557654He L,Tho m s on J M,He mann MT et al.2005.A m icr oRNA polycistr onas a potential hu man oncogene.Nature,435(7043:823833 5Zamore P D,Haley B.2005.R ibo2gnome:the big world of s mallRNA s.Science

15、,309(5740:151915246Elbashir S M,Harborth J,Lendeckel W et al.2001.Dup lexes of21-nucleotide RNA s mediate RNA interference in cultured ma mmalian cells.Nature,411(6836:49487ODonnell K A,W entzel E A,Zeller KI et al.2005.c2Myc2regulated m i2cr oRNA s modulate E2F1exp ressi on.Na2 ture,435(7043:8398438Meltzer