基因沉默研究及应用实例简介

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1、 基因沉默的应用实例基因沉默的应用实例 目录目录 基因沉默的概述基因沉默的概述 RNA干扰干扰 1 2 3 4 RNAiRNAi的生物学意义的生物学意义 定义：基因沉默（定义：基因沉默（gene silencinggene silencing）是指）是指 生物体中特定基因由于种种原因生物体中特定基因由于种种原因不表达或不表达或 者是表达减少者是表达减少的现象。的现象。 基因沉默现象首先在转基因植物中发现，接着基因沉默现象首先在转基因植物中发现，接着 在线虫、真菌、水螅、果蝇以及哺乳动物中陆在线虫、真菌、水螅、果蝇以及哺乳动物中陆 续发现。续发现。 1.1.基因沉默基因沉默 转录水平上的转录水平

2、上的 基因沉默基因沉默 转录后基因沉默转录后基因沉默 基因沉默发生的水平基因沉默发生的水平 由于由于DNA DNA 甲基化、甲基化、 异染色质化以及位异染色质化以及位 置效应等引起的置效应等引起的 即在基因转录后的水平上即在基因转录后的水平上 通过对靶标通过对靶标RNARNA进行特异进行特异 性降解而使基因失活性降解而使基因失活 基因沉默的方法基因沉默的方法 1.1.基因及其启动子甲基化基因及其启动子甲基化 2.2.同源基因间的反式失活同源基因间的反式失活 3.3.后成修饰作用导致的基因沉默后成修饰作用导致的基因沉默 4.4.重复序列重复序列 5.5.位置效应位置效应 （一一）转录水平基因沉默

3、：转录水平基因沉默： （二）转录后水平基因沉默（二）转录后水平基因沉默 RNARNA干干 扰扰 基因基因 压制压制 共共 抑抑 制制 RNARNA干扰（干扰（RNAiRNAi）：）：是指在进化过程中是指在进化过程中高度保高度保 守守的、由的、由双链双链RNARNA（dsRNAdsRNA）诱发的、同源）诱发的、同源mRNAmRNA高高 效特异性效特异性降解的现象。降解的现象。 2.RNA2.RNA干扰干扰 RNAi的特征 （1）RNAi是转录后水平的基因沉默机制； （2）RNAi具有很高的特异性； （3）RNAi是以催化放大的方式进行的，因而 RNAi抑制基因表达具有高效性； （4）RNAi可以

4、穿过细胞界限抑制基因表达而 且可以遗传； （5）dsRNA需要大于等于21个碱基 （6）ATP依赖性 RNAi的分子机制 相关酶及复合体- Dicer：RNase III 特异核酸酶 一种与RNAi有关的RNaseIII家族的酶，是生物进化中非常 保守的序列，可以将dsRNA切割形成21-23nt的siRNA。 RdRP：(RNA-dependent RNA polymerase) 以单链RNA为模板，按碱基配对原则合成其互补链，形成 双链RNA。 RNAiRNAi 的的 原原 理理 RNAi的基本过程 siRNA形成：dsRNAdsRNA被被DicerDicer酶剪切成酶剪切成siRNAsi

5、RNA， 消耗能量；消耗能量； RISC（RNA-induced silencing complex）形 成：与与RNAiRNAi辅助蛋白辅助蛋白argonauteargonaute家族分子、家族分子、 RNARNA依赖性聚合酶结合形成依赖性聚合酶结合形成RISCRISC，消耗，消耗ATPATP能能 量；量； RISC 活化：siRNAsiRNA解螺旋成单链，无活性的解螺旋成单链，无活性的 复合体转变成活性形式；复合体转变成活性形式； 阻止翻译或诱导mRNA降解：在在siRNAsiRNA引导下，引导下， RISCRISC识别并切割互补的靶识别并切割互补的靶RNARNA。 RNAi研究的一般技术

6、路线 siRNA 的设计 siRNA（small interfering RNAs，siRNAs） 即为能够以同源互补序列的mRNA为靶目标并 将其降解而介导RNA干扰途径的短片断双链 RNA分子。 一般设计原则： （1）从mRNA的AUG起始密码开始，寻找“AA”二连序列，并 记下其3端的19个碱基序列，作为潜在的siRNA靶位点。 GC含量在30%50%左右的siRNA要比那些GC含量偏高的更 为有效。 （2）将潜在的序列和相应的基因组数据库进行比较，排除 那些和其他编码序列同源的序列。 （3）选出合适的目标序列进行合成。通常一个基因需要设 计4-5个靶序列的siRNA，以找到最有效的si

7、RNA序列。 负对照 （1）一个完整的siRNA实验应该有负对照。 （2）作为负对照的siRNA应该和选中的siRNA序列有 相同的组成，但是和mRNA没有明显的同源性。 （3）通常的做法是将选中的siRNA序列打乱，同样 要检查结果以保证它和其他基因没有同源性。 制备siRNAs的方法 化学化学 合成合成 体外体外 转录转录 siRNAsiRNA表表 达载体达载体 siRNAsiRNA表表 达框架达框架 用用 RNaseIIIRNaseIII 消化长片断消化长片断 双链双链RNARNA制制 备备siRNAsiRNA 体外转录 以DNA Oligo为模板，通过体外转录合成siRNAs， 成本相

8、对化学合成法而言比较低，而且能够比化 学合成法更快的得到siRNAs。不足之处是实验的 规模受到限制。 值得一提的是体外转录得到的siRNAs毒性小，稳 定性好，效率高，只需要化学合成的siRNA量的 1/10就可以达到化学合成siRNA所能达到的效果， 从而使转染效率更高。 最适用于：筛选siRNAs，特别是需要制备多种 siRNAs，化学合成的价格成为障碍时。 不适用于：实验需要大量的，一个特定的siRNA。 长期研究 转染细胞转染细胞 将制备好的siRNA，siRNA表达载体或表达 框架转导至真核细胞中的方法主要有以下 几种： 1.磷酸钙共沉淀 2.电穿孔法 3. DEAE-葡聚糖和po

9、lybrene 4.机械法 5.阳离子脂质体试剂 为了达到高的转染效率，在转染实验过程 中，需要注意以下几点： 1.纯化siRNA 2.避免RNA酶污染 3.健康的细胞培养物和严格的操作确保转 染的重复性 4.避免使用抗生素 3.基因沉默的应用实例基因沉默的应用实例 抗肿瘤策略抗肿瘤策略 抗病毒抗病毒 RNAiRNAi技术在功能基因技术在功能基因 组中的应用组中的应用 RNAi RNAi 技术在法医学中技术在法医学中 的应用的应用 抗肿瘤策略抗肿瘤策略 RNARNA干扰干扰CYP17CYP17基因抑制基因抑制 前列腺癌细胞生长前列腺癌细胞生长 CYP17CYP17基因基因 CYP17CYP17

10、基因位于染色体基因位于染色体10q24.10q24.编码细胞色素编码细胞色素P P- - 450cl7 a450cl7 a酶酶, ,后者介导着后者介导着1717、2020裂解酶和裂解酶和17a17a羟化羟化 酶的活性酶的活性, ,他们是由胆固醇合成睾酮过程中的两个他们是由胆固醇合成睾酮过程中的两个 关键酶关键酶, ,在人体性激素的合成中起非常重要的作用在人体性激素的合成中起非常重要的作用, , 在前列腺肿瘤的发生、发展及转移中起重要作用。在前列腺肿瘤的发生、发展及转移中起重要作用。 策略策略 利用利用RNAiRNAi降解降解CYP17mRNA,CYP17mRNA,使使CYP17CYP17基因所

11、编码蛋白基因所编码蛋白 的合成明显降低的合成明显降低, ,降低降低CYP17CYP17基因蛋白对其下游基基因蛋白对其下游基 因的调控因的调控, ,在很大程度上阻断了肿瘤细胞的应答在很大程度上阻断了肿瘤细胞的应答, , 建立一种基因修饰前列腺癌治疗策略建立一种基因修饰前列腺癌治疗策略, ,提高前列腺提高前列腺 癌的治疗效果。癌的治疗效果。 新鲜前列新鲜前列 腺癌标本腺癌标本 组织中总组织中总 RNARNA的提取的提取 合成合成cDNAcDNA 第一条链第一条链 PCRPCR 模板模板DNADNA siRNAsiRNA体外转录体外转录 siRNAsiRNA的的 制备制备 反转录反转录 慢性病毒载体

12、法 慢病毒慢病毒(lentivius)(lentivius)属于逆转录病毒，具有属于逆转录病毒，具有 以下的优点：以下的优点： 可以感染非分裂期细胞。可以感染非分裂期细胞。 容纳外源性基因片段大。容纳外源性基因片段大。 可以长期表达。可以长期表达。 不产生任何有效的细胞免疫应答不产生任何有效的细胞免疫应答, ,可作为一种体外可作为一种体外 基因运输的工具。基因运输的工具。 慢病毒载体介导的转基因表达能持续时间长。慢病毒载体介导的转基因表达能持续时间长。 慢病毒载体慢病毒载体(LV)(LV)介导的介导的RNAiRNAi可使可使siRNAsiRNA转录转录 结构完整地整合到肿瘤细胞的结构完整地整合

13、到肿瘤细胞的DNADNA链上链上, ,稳稳 定而持久地产生定而持久地产生siRNA,siRNA,从而发挥从而发挥RNAiRNAi作用作用, , 下调目标基因的表达下调目标基因的表达, ,是建立是建立CYP17RNAiCYP17RNAi前前 列腺癌细胞模型的理想工具。列腺癌细胞模型的理想工具。 研究结果研究结果 干扰组的细胞生长曲线较对照组细胞出现干扰组的细胞生长曲线较对照组细胞出现 明显的压低明显的压低, ,同时细胞活力明显降低同时细胞活力明显降低, ,这一这一 结果提示在结果提示在CYP17CYP17基因被干扰后基因被干扰后, ,前列腺癌前列腺癌 细胞的增殖能力明显减弱细胞的增殖能力明显减弱

14、, ,肿瘤细胞的生长肿瘤细胞的生长 能力被抑制。能力被抑制。 对照组对照组 实验组实验组 研究结论研究结论 建立裸鼠皮下移植瘤模型建立裸鼠皮下移植瘤模型, ,瘤内注射瘤内注射CYP17CYP17 重组慢病毒载体组的生长速度较对照组明重组慢病毒载体组的生长速度较对照组明 显减慢。显减慢。CYP17CYP17重组慢病毒载体组可抑制已重组慢病毒载体组可抑制已 形成的裸鼠前列腺癌移植瘤在裸鼠体内的形成的裸鼠前列腺癌移植瘤在裸鼠体内的 生长和生长和CYP17CYP17高表达。高表达。 4.RNAi的生物学意义 随着后基因组学时代的到来，RNAi作为一 种有效、经济的分析基因功能的技术，不 仅能大大推动人类后基因组计划(蛋白组学) 的发展,还有可能设计出RNAi 芯片,高通量 地筛选药物靶基因,逐条检测人类基因组的 表达抑制情况来明确基因的功能,并且它还 将应用于基因治疗、新药开发、生物医学 研究等领域。