《小分子干扰rna.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《小分子干扰rna.docx（9页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 siRNA和miRNA仅仅是DNA和蛋白质之间的“过渡”？但越来越多的证据清楚的表明，RNA在生命的进程中扮演的角色远比我们早前设想的更为重要。RNA干扰（RNA interference）的发现使得人们对RNA调控基因表达的功能有了全新的认识，更因为可以简化/替代基因敲除而成为研究基因功能的有力工具，因此格外引人注意，在2002年度Science评选的10大科学成就中RNAi名列榜首。随着对小分子RNA研究的不断深入，研究人员开始认识到：小分子RNA的世界一点都不小。有人推测：小分子RNA可能代表一个新层次上的基因表达调控方式。小的干涉RNA（small interfering RNA;
2、siRNA） 和微小RNA（microRNA；miRNA）是两种序列特异性地转录后基因表达的调节因子，是小RNA的最主要组成部分，它们的相关性密切，既具有相似性，又具有差异性。对小RNA的深入研究将使我们更深一步了解生命的奥秘。本文主要介绍这两种小RNA分子及其作用机理。siRNA介绍 RNA干涉（RNAi）在实验室中是一种强大的实验工具，通过这种方式，利用具有同源性的双链RNA（dsRNA）诱导序列特异的目标基因的沉默，迅速阻断基因活性。小的干涉RNA（siRNA）是在RNA干涉过程中人工体外合成的小片段RNA，由约20个碱基对组成，包括5个磷酸盐，2个核苷和3个悬臂。SiRNA在RNA沉默
3、通道中起中心作用，是对特定信使RNA（mRNA）进行降解的指导要素。1999年，Hamilton等在植物基因沉默的研究中首次发现2125nt的dsRNA的出现对转基因导致基因沉默十分重要，而在转基因正确表达的植株中则未出现。随后，Hammond等进行的细胞提取物核酸酶活性实验证明了小分子RNA在RNAi中的作用，这些小分子RNA就是由dsRNA形成的siRNA。siRNA的3-末端2-nt的突出对靶点识别的特异性起一定的作用，可将其限定在第一个碱基对相邻的不成对碱基的位置。两个研究小组以数以千计的人类和老鼠基因为目标创建RNAi库的进展，科学进展已清晰地表明：在哺乳动物中利用小的干涉RNA和短
4、发夹RNA（short hairpin RNAs，shRNA）来进行RNA干涉以使基因沉默已经成为强大而有力的生物工具。例如，在基因操作较困难的神经元中，也有成功进行RNAi的报道。Krichevsky等将化学合成的21nt siRNA通过阳离子脂类转染试剂导入原代培养的大鼠神经元，显著抑制内源靶基因和转染基因的表达。抑制神经元NO合成酶表达能有效降低疼痛，在Korneev的实验中设计的双链RNA成功地抑制了中枢神经系统NO合成酶表达，获得RNA干扰的成功。RNAi能在极低浓度（nmol范围）siRNA存在下显示出特殊有效性。图1 dsRNA可以沉默目标基因。在植物中，通过注入人工合成的RNA
5、病毒或者是插入反向重复序列可以诱导目标基因沉默。在线虫中，沉默也可以用注射dsRNA的方式来诱导。这两种生物体中，沉默是系统的并且传遍全身。a)沉默信号从脉杆传到叶片组织。绿色是绿色荧光蛋白；红色是叶绿素荧光，可以在绿色荧光蛋白被沉默后看出。b,c）通过实验，使得线虫的核中表达绿色荧光蛋白。实验者在左边加上对照dsRNA，右边加上绿色荧光蛋白的dsRNA。一些神经元核仍然可以检测到荧光，对应于少量的蛋白质表达。c）Hela细胞加上ORC6 siRNA之后，针对微管蛋白（绿色）和DNA（红色）进行染色。ORC6的去除导致多核细胞的积累。稳定的沉默也可以通过表达发夹结构或者折回的双链RNA的表达来
6、实现。d）当和野生型的果蝇相比（右边），成体果蝇中表达控制白色基因的发夹同源物（左边）导致眼睛丧失色素。miRNA介绍 miRNA的研究起始于时序调控小RNA（stRNAs）。1993年，Lee等在秀丽新小杆线虫（Caenorhabditis elegan）中发现了第一个可时序调控胚胎后期发育的基因lin-4，2002年，Reinhart等又在线虫C.elegan中发现第二个异时性开关基因let-7，2001年10月science报道了三个实验室从线虫、果蝇和人体克隆的几十个类似C.elegan的lin-4的小RNA基因，称为microRNA。随后多个研究小组在包括人类、果蝇、植物等多种生物物
7、种中鉴别出数百个miRNAs。对一部分miRNAs的研究分析提示：miRNAs参与生命过程中一系列的重要进程，包括发育进程，造血过程，器官形成，凋亡，细胞增殖，甚至是肿瘤发生(Kim, 2005)。 miRNAs是一种2125nt长的单链小分子RNA，其结构特征如下：广泛存在于真核生物中，是一组不编码蛋白质的短序列RNA，它本身不具有开放阅读框（ORF）；成熟的miRNA，5端有一个磷酸基团，3端为羟基，是由具有发夹结构的约70-90个碱基大小的单链RNA前体经过Dicer酶加工后生成，不同于siRNA（双链）但是和siRNA密切相关。成熟的miRNA5端的磷酸基团和3端羟基则是它与相同长度的
8、功能RNA降解片段的区分标志。miRNA独有的特征是其5端第一个碱基对U有强烈的倾向性，而对G却有抗性，但第二到第四个碱基缺乏U，一般来讲，除第四个碱基外，其他位置碱基通常都缺乏C。MiRNAs具有高度的保守性、时序性和组织特异性。miRNAs的表达方式各不相同。线虫和果蝇当中的部分miRNA在各个发育阶段都有表达而且不分组织和细胞特性，而其他的miRNA则表现出更加严谨的时空表达模式（a more restricted spatial and temporal expression pattern）只有在特定的时间、组织才会表达。细胞特异性或组织特异性是miRNA的表达的主要特点，又如拟南芥
9、中的miR-171仅在其花序中高水平表达，在某些组织低水平表达，在茎、叶等组织中却无任何表达的迹象；20-24h的果蝇胚胎提取物中可发现miR-12，却找不到miR3-miR6，在成年果蝇中表达的miR-1和let-7也无法在果蝇胚胎中表达，这同时体现了miRNA的又一特点基因表达时序性。MiRNA表达的时序性和组织特异性提示人们miRNA的分布可能决定组织和细胞的功能特异性，也可能参与了复杂的基因调控，对组织的发育起重要作用。在科研上，一个小RNA分子要成为miRNA，需要符合以下条件：a）表达需要用Northern-blot来证实；b）小RNA分子必须是处在具发夹结构的前体RNA分子中远离
10、环或膨胀部分的一端才行；c）小RNA分子必须在系统发育上具备相当的保守性。d）前体RNA分子会在Dicer功能下降时积累起来（该项标准由于实践较难，只做参考）。这些标准单独一条不足以证明一个未知小RNA分子是否就是是miRNA，具体地，如果小RNA分子符合上面的a（表达）和b（结构）两条标准；或者a（表达）和c（保守性）；如果表达量很低难以检测，那么如果可以用cDNA克隆的方法得到目标分子，并符合c（保守性）；小RNA分子如果不是通过cDNA克隆的方法得到的，那么就必须符合a（表达）和前体RNA分子结构和保守性的标准才行；如果小RNA分子被推测为miRNA，那么符合c（系统发育保守性）和d（累
11、积性）标准也行；这样我们就可以认为该小RNA分子就是miRNA分子。寻找miRNA的方法：这里我们简单看一下分子信息学的方法：应用计算机的方法如MirScan来寻找miRNA分子已经在线虫及脊椎动物体内取得了巨大的成功。2004年6月，吳政道在前述的计算机方法的基础上提出一种可以进行高通量筛选miRNA靶位点的方法。用这种方法筛选miRNA的原理：该方法的出发点为前体的发夹状结构及miRNA在物种间的保守性。miRNA基因可能定位于编码蛋白基因的内含子区域（有意义链或反意义链）及远离任何已知基因的基因间区域。一些时候，几个发夹状结构以多顺反子的形式丛集在一起.Uwe Ohler, Chris
12、Burge等人给出了一些可以提高寻找miRNA基因的准确性的一些附加条件：1）上游和下游保守序列的数量；2）候选发夹状结构的上游高度保守的模序的存在。MIT的Bartel and Chris Burge报道了一种可以用来探测miRNA与其作用的靶基因之间的关系的新的计算机的方法TatgetScan。他们针对已知的每一个miRNA，扫描mRNA的数据库DNA转译为蛋白的生化信息，搜索与miRNA匹配的片段，然后对miRNA与mRNA的匹配程度评分，推测在三个或以上物种中获得高分的mRNA为该miRNA的靶基因。相同点/联系点siRNAmiRNA长度及特征都约在22nt左右，5端是磷酸基，3端是羟
13、基合成的底物miRNA和siRNA合成都是由双链的RNA或RNA前体形成的Dicer酶依赖Dicer酶的加工，是Dicer的产物，所以具有Dicer产物的特点Argonaute家族蛋白都需要Argonaute家族蛋白参与RISC组分二者都是RISC组分，所以其功能界限变得不清晰，如二者在介导沉默机制上有重叠；产生了on target和off target的问题作用方式都可以阻遏靶标基因的翻译，也可以导致mRNA降解，即在转录水平后和翻译水平起作用进化关系可能的两种推论：siRNA是miRNA的补充，miRNA在进化过程中替代了siRNA不同点/分歧点siRNAmiRNA机制性质往往是外源引起的
14、，如病毒感染和人工插入dsRNA之后诱导而产生，属于异常情况是生物体自身的一套正常的调控机制直接来源长链dsRNA发夹状pre-miRNA分子结构siRNA是双链RNA，3端有2个非配对碱基，通常为UUmiRNA是单链RNA对靶RNA特异性较高，一个突变容易引起RNAi沉默效应的改变相对较低，一个突变不影响miRNA的效应作用方式RNAi途径miRNA途径生物合成，成熟过程由dsDNA在Dicer酶切割下产生;发生在细胞质中pri-miRNA在核内由一种称为Drosha酶处理后成为60nt的带有茎环结构的Precursor miRNAs (pre-miRNAs)；这些pre-miRNAs在转运
15、到细胞核外之后再由Dicer酶进行处理，酶切后成为成熟的miRNAs；发生在细胞核和细胞质中Argonaute (AGO)蛋白质各有不同的AGO蛋白质各有不同的AGO蛋白质互补性（complementarity）一般要求完全互补不完全互补，存在错配现象RISCs的分子量不同(Martinez and Tuschl, 2004; Martinez et al., 2002; Nykanen et al., 2001; Pham et al., 2004)siRISCsmiRISCs/miRNP各自的生物学功能不同抵抗病毒的防御机制(Pfeffer et al., 2004; Ding et al., 2004)；沉默那些过分表达的mRNA；保护基因组免受转座子的破坏(Mello and Conte, Jr., 2004; Hannon, 2002; Tabara et al., 1999)-9；对有机体的生长发育有重要作用(Rhoades et al., 2002)重要特性高度特异性高度的保守性、时序性和组织特异性作用机制单链的siRNA结合到RISC复合物中，引导复合物与mRNA完全互补，通过其自身的解旋酶活性，解开siRNAs，通过反义siRNA链识别目的mRNA片段，通过内切酶活性切割目的片段，接着再通过细胞外切酶进一
