RNAi的研究進展（一）

RNA干擾(RNA interference ,RNAi) 現象是一種進化上保守的抵御轉基因或外來病毒侵犯的防御機制。將與靶基因的轉錄產物mRNA 存在同源互補序列的雙鏈RNA(double strand RNA ,dsRNA) 導入細胞后,能特異性地降解該mRNA ,從而產生相應的功能表型缺失,這一過程屬于轉錄后基因沉默機制( posttranscriptional gene siliencing , PTGS) 范疇。RNAi 廣泛存在于生物界,從低等原核生物,到植物,真菌,無脊椎動物,甚至近來在哺乳動物中也發現了此種現象,只是機制也更為復雜。 

一．RNAi的發現

早在1990 年進行轉基因植物有關研究時偶然發現,將全長或部分基因導入植物細胞后某些內源性基因不能表達,但這些基因的轉錄并無任何影響,并將這種現象稱為基因轉錄后沉默(posttranscriptional gene silencing ,PTGS) . 1996 年在脈孢菌屬(Neurospora) 中發現了相似現象,只不過將這種現象命名為基因表達的阻抑作用(quelling) . 首次發現dsRNA 能夠導致基因沉默的線索來源于線蟲Caenorhabditis elegans 的研究。1995年康乃爾大學的研究人員Guo 和Kemphues 嘗試用反義RNA 去阻斷par－1 基因的表達以探討該基因的功能,結果反義RNA 的確能夠阻斷par21基因的表達,但是奇怪的是,注入正義鏈RNA 作為對照,也同樣阻斷了基因的表達。這個奇怪的現象直到3年后才被解開——華盛頓卡耐基研究院的Andrew Fire 和馬薩諸塞大學癌癥中心的Craig Mello 首次將雙鏈dsRNA ——正義鏈和反義鏈的混合物注入線蟲,結果誘發了比單獨注射正義鏈或者反義鏈都要強得多的基因沉默。實際上每個細胞只要很少幾個分子的雙鏈RNA 已經足夠完全阻斷同源基因的表達。后來的實驗表明在線蟲中注入雙鏈RNA 不單可以阻斷整個線蟲的同源基因表達,還會導致其第一代子代的同源基因沉默。他們將這種現象稱為RNA 干擾。

過去認為, 哺乳動物細胞中不存在RNAi 現象,因為較長的dsRNA 在哺乳動物細胞中能誘導IFN(干擾素) 生成,并激活STAT 途徑參與的PKR(dsRNA 依賴性激酶) 的轉錄,同時dsRNA 本身與PKR 結合也能令其激活,繼而磷酸化翻譯起始因子eIF2a 使之失活,導致非特異性的蛋白質合成障礙;另一方面,dsRNA 又能誘導細胞產生多種抗病毒蛋白的2′,5′腺苷合成酶,生成   2′,5′腺苷酸,激活非特異性的RNA 酶L ,發生非特異性的RNA 降解效應。現在發現, 只要dsRNA 短于30bp ,就不會促發干擾素效應,同時又能特異性地降解mRNA ,引起基因沉默,說明dsRNA 在哺乳動物細胞中也能發揮一定作用,為以后的基因治療等RNAi 應用領域提供了新的研究方向。 

二．RNAi的作用機制

近年來研究發現,干擾性小RNA( small interfering RNA ,或short interfering RNAs , siRNA) 是RNA 干擾作用(RNAi) 賴以發生的重要中間效應分子. siRNA 是一類長約21～25 個核苷酸( nt ) 的特殊雙鏈RNA(dsRNA) 分子,具有特征性結構,即siRNA 的序列與所作用的靶mRNA 序列具有同源性; siRNA 兩條單鏈末端為5′端磷酸和3′端羥基. 此外,每條單鏈的3′端均有2～3 個突出的非配對的堿基RNAi 的主要過程是,dsRNA 被核酸酶切割成21～25 nt 的干擾性小RNA ( siRNA) ,由siRNA 介導識別并靶向切割同源性靶mRNA 分子. 細胞中dsRNA的形成是RNAi 的第一步. 細胞中dsRNA 可通過多種途徑形成,如基因組中DNA 反向重復序列的轉錄產物;同時轉錄反義和正義RNA ;病毒RNA 復制中間體;以及以細胞中單鏈RNA 為模板由細胞或病毒的RNA 依賴RNA 聚合酶(RdRp) 催化合成dsRNA等. 在線蟲( C. elegans) 可以直接注射dsRNA 或把線蟲浸泡在含dsRNA 溶液中等方式引入外源dsRNA ,還可以通過喂養表達正義和反義RNA 的細菌獲得dsRNA。

現已初步闡明RNAi 的作用機制. RNAi 的第一步是,dsRNA 在內切核酸酶(一種具有RNase Ⅲ樣活性的核酸酶) 作用下加工裂解形成21～25 nt 的由正義和反義序列組成的干擾性小dsRNA ,即siRNA.果蠅中RNase III 樣核酸酶稱為Dicer. Dicer 含有解旋酶(helicase) 活性以及dsRNA 結合域和PAZ 結構域. 已發現在Arabidopsis , C. elegans , Schizosaccharomyces pombe 以及哺乳動物中也存在Dicer 同類物. RNAi 的第二步是,由siRNA 中的反義鏈指導形成一種核蛋白體,該核蛋白體稱為RNA 誘導的沉默復合體( RNA induced silencing complex , RISC) , 由RISC 介導切割靶mRNA 分子中與siRNA 反義鏈互補的區域,從而達到干擾基因表達作用. RISC 由多種蛋白成分組成,包括內切核酸酶、外切核酸酶、解旋酶和同源RNA 鏈搜索活性等. 線蟲C. elegans中的MUT7(一種RNase D樣蛋白) 可能是一種3′5′外切核酸酶. 此外, PAZPPiwi 蛋白家族成員可能是RISC中的構成組分,如Arabidposis 中的AGO1 ; N.Crassa 中的QDE; C. elegans 中的RDE1 等,以上這些蛋白與翻譯因子eIF2C 同源。 

最新的研究進一步揭示,ATP 在siRNA 介導的RNAi 中具有重要作用. 較長dsRNA 向siRNA 的轉變要有ATP 參與. siRNA 與蛋白因子形成一個無活性的約360 kD 的蛋白PRNA 復合體;隨之, siRNA雙鏈結構解旋并形成有活性的蛋白PRNA 復合體(RISC) ,此步具有ATP 依賴性. RISC 活性復合體對靶mRNA 的識別和切割作用,這一步可能不需ATP參與。

此外,ATP 使siRNA 5′端帶上磷酸分子,且對siRNA 的功能具有重要作用. 上述過程中siRNA 雙鏈結構解旋很可能是一種穩定的結構改變,因為siRNA 雙鏈體與細胞裂解物、ATP 等孵育后再除去ATP 及其它輔助因子,含有siRNA 的活性復合體仍能識別和切割靶mRNA 分子。

siRNA 可作為一種特殊引物,在RNA 依賴RNA聚合酶(RdRp) 作用下以靶mRNA 為模板合成dsRNA ,后者可被降解形成新的siRNA ;新生成的siRNA又可進入上述循環. 這種過程稱為隨機降解性多聚酶鏈反應(random degradative PCR) . 新生的dsRNA 反復合成和降解,不斷產生新的siRNA ,從而使靶mRNA 漸進性減少,呈現基因沉默現象. RdRp 一般只對所表達的靶mRNA 發揮作用,這種在RNAi 過程中對靶mRNA 的特異性擴增作用有助于增強RNAi的特異性基因監視功能. 每個細胞只需要少量dsRNA 即能完全關閉相應基因表達,可見RNAi 過程具有生物催化反應的基本動力學特征。

miRNA 與siRNA 的區別：

1. miRNA是單鏈的，而siRNA則是雙鏈的；

2. miRNA參與正常情況下生長發育基因調控，而siRNA不參與動物體的正常生長，只有在病毒或其它dsRNA誘導情況下才產生siRNA,作為miRNA的完善和補充；

3. miRNA在轉錄后水平調節基因表達，推測在翻譯水平也起作用，而siRNA為轉錄后水平調節基因表達調控；

4. Dicer酶對兩類RNA的加工過程，miRNA為不對稱性，僅來自含莖－環結構RNA前體的一側臂，剩余部分很快降解，而這種不對稱性不存在于而siRNA加工過程中。