RNA干擾及其應用

RNAi是Napoli C D等[1]在試圖向紫色矮牽牛花轉導色素合成基因,用以增加其花色時發現的。結果出乎預料,轉基因的植株不僅沒有新基因的表達,反而自身的色素合成也減弱了,一些轉基因的花出現了全白色或部分白色。他們把這種導入的基因未表達和植物本身合成色素基因的失活現象命名為共抑制（cosuppression）。之后,Ramano等在向粗糙孢菌（Neurospora crassa）中導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]發現正義RNA與反義RNA有相同水平的抑制效應，但未能就此現象給出合理的解釋。Fire A等[3]在研究反義核苷酸時發現在線蟲體內,雙鏈RNA（ double stranded RNA,dsRNA）能有效地抑制有互補序列的內源性基因,且抑制效果優于單鏈反義RNA。至此，正式提出了雙鏈RNA誘導的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，但目前普遍認可是Bass假說。具體概括為三個階段。
（1）起始階段。在細胞內,雙鏈RNA（dsRNA）由核酸酶Ⅲ（RNaseⅢ） 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個堿基配對形成的雙鏈,并在其3′末端有兩個游離未配對的核苷酸。研究發現, siRNA 是RNAi 作用發生的重要中間分子，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。這些是細胞賴以區分真正的siRNA和其他雙鏈RNA的結構基礎。 研究表明,平末端的siRNA 或失去了5′磷酸基團的siRNA 不具有RNAi 的功能[4]
（2）引發階段。siRNA與Argonaute蛋白家族及其他未知因素結合，形成siRNA-核蛋白復合物（siRNA-ribonucleoprotein complex，siRNP）。siRNP在ATP及其他未知因素參與下，使雙鏈siRNA解旋形成RNA誘導的沉默復合物（RNA inducing silencing Complex ,RISC）。RISC可能以*單鏈或兩條鏈解旋但不*分離的形式存在，繼而RISC在dsRNA的介導作用下與互補mRNA結合，并將其降解。mRNA被降解在轉錄后水平,抑制基因表達,因而又稱之為轉錄后基因沉默（ posttranscriptional gene silencing,PTGS）
（3）循環放大階段。在siRNA誘導的RNAi過程中,可能還存在siRNA 的循環放大過程,以維持它的RNA誘導功能。此過程推測是以siRNA為引物,互補mRNA 為模板,在RNA依賴性RNA合成酶（RNA-dependent RNA Polymerase,RdRP） 的作用下,合成新的雙鏈RNA，再由Dicer作用,產生新的siRNA,完成siRNA 的放大過程，開始新的RNAi循環[5]。
關于對RNAi機制中重要酶的作用研究，Zamore P D等[6]發現，21 nt RNA指導mRNA的降解； Scharf W D等[7]發現ATP依賴的RNA解旋酶為Mut6Grishok A等[8]發現Let-7和lin-4為內源性的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RNaseш樣的核酸酶為Dicer Elbashir S M等[11]應用外源性21 nt-siRNA能夠抑制同源mRNA的表達Novina C D等[12]證實無論是針對病毒感染細胞所需的CD4受體，還是針對病毒基因組的gag區域，siRNA都可以有效地使病毒與細胞的基因沉默，抑制HIV的感染與復制。
1.2 RNAi的作用特點
（1）“共抑制”性。RNAi是雙鏈RNA介導的轉錄后基因沉默機制,它的啟動子相當活躍,外源基因可以轉錄,但不能正常積累mRNA；RNAi作用不僅使外源基因在轉錄后水平上失活,同時誘導與其同源的內源基因沉默。
（2）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量級；RNAi可在低于反義核酸幾個數量級的濃度下,使靶基因表達降到很低水平甚至*“剔除”,而產生缺失突變體表型。它比基因敲除技術更為便捷,科學家稱RNAi技術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,喂食表達雙鏈RNA的細菌等，能向秀麗隱桿線蟲導入雙鏈RNA。
（5）“遺傳性”。已在線蟲中觀察到RNAi效應通過生殖系傳遞到后代,說明RNAi具有一定的可遺傳性。
高穩定性。細胞中可能存在天然的穩定siRNA的機制。此機制可能是siRNA與某種保護性蛋白結合,從而使其具有相對的穩定性,這些雙鏈RNA 不像反義核酸那樣需要多種化學修飾來提高其半衰期。
（7）雙干擾系統。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。 非特異性干擾反應是由大于30個堿基對的雙鏈RNA介導,導致整個細胞中非特異性蛋白合成抑制,RNA降解；特異性反應由21 bp～25 bp的小干擾RNA介導,可逃避非特異性干擾系統的“監控”,只降解與其序列相應的單個基因的mRNA[11]。
2 研究方法
在研究過程中，科研人員逐漸摸索總結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個堿基的發夾結構RNA（small hairpin RNA，shRNA）轉染到細胞，shRNA在細胞中會自動被加工成siRNA，從而引發基因沉默或表達抑制。另一種為構建特定的siRNA表達載體，通過質粒在體內表達siRNA而引發基因沉默。此法的優點是排除了RNA酶干擾，延長siRNA半衰期。更重要的是，該法可以進行穩定表達細胞株的篩選，且隨著質粒復制擴散到整個機體，基因抑制效果可傳代。試驗表明，可被化學合成或體外合成的siRNA抑制的基因同樣可被表達相同序列的載體表達出的siRNA所抑制。
3 RNAi的應用
3.1 基因功能研究
在神經生物學研究中，科學家們通過siRNA表達質粒對中腦腹側神經細胞中的多巴胺能相關基因進行了有效抑制，還通過病毒介導的RNAi建立了此類成年小鼠模型，不僅為建立神經系統的功能缺失模型找到了一些有價值的表型標記，對神經系統的基因治療也有一定借鑒意義；在癌癥研究中，通過shRNA表達載體成功抑制成年大鼠腦癌基因，同時對RNAi的遠程（穿過血腦屏障）基因沉默方法進行了非常有益的探索；利用細胞凋亡途徑，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，并發現Caspase 8 siRNA處理對特異性Fas激活劑（Jo2和AdFasL）和野生型腺病毒介導的急性肝功能衰竭都有效，表明這個動物模型能反應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。除了對某些關鍵基因的RNAi研究外，還在哺乳動物細胞中探索了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，發揮著越來越大的作用[13]。RNAi為系統地抑制RNA分子合成蛋白提供了快速而相對簡便的途徑。通過在一段時間內對一個基因RNA信號的抑制，研究者可以深入研究基因功能，進而描繪支配從細胞形態到信號系統的遺傳網絡。
3.2 基因治療及藥物篩選探索
由于RNAi是針對轉錄后階段的基因沉默，相對于傳統基因治療對基因水平上的敲除，整個流程設計更簡便，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鍵基因的RNAi機制，控制疾病中出現異常的蛋白合成進程或外源致病核酸的復制及表達。尤其針對引起一些對人類健康嚴重危害的病毒，如2003年在多個國家和地區流行的SARS，病原體是單鏈核酸的*，尋找藥物靶點，設計核酸藥物就更為方便。目前已經有很多公司在積極開發這方面的藥物，如在SARS藥物研究中一鳴驚人的美國俄勒岡州的AVI BioPharma生物制藥公司等。國內也有很多研究機構及生物技術公司投入了這方面的工作。如上海生科院成立了SARS防治科研攻關小組，其中生化細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、中南大學，北京動物所等大專院校和研究機構，以及北京金賽獅反義核酸技術開發有限公司等，也開展了RNAi藥物的研究與開發。
基因治療方面zui引人注目的進展之一是對肝炎病毒的RNAi研究。Mccaffrey A P等通過表達shRNA的載體在細胞水平和轉染HBV質粒后免疫活性缺失的小鼠肝臟中成功抑制了HBV復制。與對照相比，小鼠血清中測得的HBsAg下降了84.5％，免疫組化對HBcAg的分析結果下降率更超過99%。哈佛大學Lieberman研究小組通過注射針對Fas的siRNA，過度激活炎癥反應，誘導小鼠肝細胞自身混亂。然后給測試小鼠注入 Fas hyperdrive的抗體，發現未進行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％的肝細胞結合了siRNA。并且，RNAi發揮功能達10 d，3周后才*衰退。由于Fas很少在肝細胞外的其他細胞高水平表達，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HIV進入免疫細胞約3周，在已經感染的細胞中也能阻止感染病毒的復制。
然而，盡管取得了不少研究成果，但要真正用于醫療還需時日。目前大多數還停留在小鼠測試階段，siRNA的導入多采用靜脈或腹腔注射，尾部注射，細胞移植等，如何對人進行有效的給藥，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一步研究。人們期待著RNAi的新醫學革命的到來。
在藥物篩選領域，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在藥篩領域的應用前景進行了高度評價，RNAi技術將逐漸成為藥物靶點篩選和鑒定的*工具。他對如何在藥篩的各個階段應用RNAi做了具體描述及展望，并指出將這項技術與高通量篩選、體外生物檢測和體內疾病模式相結合，將提供大量基因功能方面的有用信息，在藥物開發過程的多個階段促進靶點的有效篩選。
3.3 抗*
多種癌基因可以作為靶點設計相對應siRNA[14]。Brummelkamp T R等[15]用逆轉錄病毒載體將siRNA 導入腫瘤細胞中,特異性抑制了癌基因K2RAS （V12）的表達。對急性髓性白血病的研究已經取得了較好的結果。Scherr M等[16]以引起慢性髓性白血病和bcr2abl陽性急性成淋巴細胞白血病的bcr2abl癌基因為靶基因,設計了對應的siRNA,并獲得了87% 的有效抑制率。Wilda M等[17]用siRNA抑制白血病BCR/ABL融合基因表達也取得了成功。 因此，基于RNAi 技術的抗*藥物開發潛力巨大。有報道稱，一種全新生物工程藥品“RNA干擾劑”（非干擾素）業已浮出水面，并有望在3年內上市。經過多年的探索，科學家終于發現，在癌細胞和病毒RNA的22對堿基中有1對堿基專門負責復制工作，只要能使這對堿基“休眠”，癌細胞或病毒就會自動停止復制。這一重要發現為一種全新藥物——RNA干擾劑奠定了基礎。科學家們相信，艾滋病、乙型肝炎、惡性膠質瘤（惡性腦瘤）和胰腺癌等疾病有望成為RNA干擾劑的*批受益者（2004年經FDA批準已開始RNA干擾劑的臨床試驗），艾滋病、中樞神經系統退行性病變疾病如多發性硬化癥、阿爾茨海默病、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，已設計出針對HIV gag、tat、rev、nef等基因的siRNA，針對丙型肝炎病毒非結構蛋白5B基因的siRNA，針對脊髓灰質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果。陸續有關通過RNAi抑制其他病毒在細胞內復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，國內也已設計出針對口蹄疫病毒VP1基因的siRNA，針對丙型肝炎病毒5′保守區的siRNA，針對口蹄疫病毒IRES和L串聯序列兩側的保守區的siRNA[20]，針對SARS冠狀病毒的6個siRNA，即RL001、R L002、RL003、RL004、RL005和RL006，均已取得理想結果。針對病原的siRNA已經進行到動物實驗階段[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技術將使病毒病的有效治療成為可能。
3.5 轉基因研究
在動植物的轉基因試驗中, 經常發生基因沉默。因此, 對轉基因沉默機制的探索可以為在轉基因研究中避免基因沉默提供對策。在轉基因植物研究中避免基因沉默可提高試驗成功率，且節省時間，而在大型動物轉基因研究中避免基因沉默可節約成本，提高產率。
3.6 干細胞研究
在干細胞研究方面，在dsRNA阻斷大鼠骨髓源性神經干細胞 Hes5表達的試驗中[22]，觀察外源性短dsRNA在轉錄后水平mRNA水平降低基因表達的效率，并對其影響因素進行了初步探討。同時基于干細胞可能擁有自己的一套基因組，不同類型的干細胞又擁有各自所*的基因，這些基因可能是決定干細胞特性的zui關鍵的實質性因素。因此，RNAi技術在此領域應用空間廣闊。
3.7 研究信號傳導的新途徑
Biotech認為，聯合利用傳統的缺失突變技術和RNAi技術可以很容易地確定復雜的信號傳導途徑中不同基因的上下游關系，Clemensy等應用RNAi研究了果蠅細胞系中胰島素信息傳導途徑，取得了與已知胰島素信息傳導通路*一致的結果。RNAi技術較傳統的轉染試驗簡單、快速、重復性好，克服了轉染試驗中重組蛋白特異性聚集和轉染率不高的缺點，因此認為RNAi技術可能成為研究細胞信號傳導通路的新途徑。
3.8 常見病的治療
Nature雜志報道了miRNA（Micro RNA）的應用上一個重要發現，成功采用miRNA調節了胰島素的分泌，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Sicence雜志報道，顯示應用RNAi技術可有效降低血管內*含量，對治療心血管疾病有明顯的作用。
4 展望
綜上所述，RNAi技術在基因功能研究、抗*、抗病毒治療、基因應用研究、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，還有廣闊的研究和應用空間期待著科研人員的探索。例如，siRNA在病毒持續性感染過程中扮演怎樣的角色？siRNA在冬眠動物體內的作用如何？RNAi在雀斑形成中起到怎樣的作用？如上述問題得到解決，將進一步依據其機理及特點，有望應用于病毒持續性感染的鑒別診斷及治療，利用siRNA在冬眠動物體內的作用進行星際航行，以解決能量供應及時間躍遷問題，RNAi應用于祛除雀斑等。
盡管在RNAi方面的研究已取得許多突破性進展，尤其是哺乳動物細胞中的研究的報道逐漸增多，但由于RNAi機制尚未*闡明,仍有許多問題尚未得到*解答。例如，siRNA 在哺乳動物細胞中抑制mRNA表達是有效的, 但達不到果蠅細胞那樣的高抑制率, 可能是因為生物進化水平越高，調控基因表達系統的復雜程度相應的越高，多種抑制機制間相互作用的頻率也越高，抑制作用受到的影響因素也就越多。另外, 在哺乳動物中,RNAi能否成功地抑制基因表達以及抑制的程度還取決于細胞類型。對線蟲來說,可以采用注射、浸泡或喂食的方法轉入dsRNA,而對哺乳動物來說,尋找的方式來轉入siRNA以及快速的方式來篩選siRNA仍在進一步探索中。RNAi在抗病毒感染中的應用令人鼓舞, 但要取得zui終的成功還有很漫長的路要走。其中一個關鍵的原因是siRNA并不能對所有病毒RNA發生作用，有些病毒靶序列可能隱藏在二級結構下, 或者位于高度折疊的區域中, 而有些病毒序列可能與蛋白質形成緊密的復合物, 阻礙了與siRNA 的識別。因此，不僅要選合適的靶序列,而且需要反復試驗。另一個重要的原因是病毒子代的突變率較高, 這使病毒可逃避siRNA 的識別。為了克服這個障礙,所選病毒RNA的靶序列必須是高度保守的, 或者設計數對siRNA同時作用[23]。
總之，RNAi作為一種新發展起來的分子生物學技術，不可避免地會存在潛在的問題，這就要求研究者在利用該技術時要考慮到生物安全性等諸多問題，以使RNAi技術更好地為人類服務。