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                RNAi起源

首次发现dsRNA能够导致基因沉默的线索来源于线虫Caenorhabditis elegans的研究。 lang=EN-US>1995年,康乃尔大学的Su Guo博士和 lang=EN-US>Kemphues在试图阻断秀丽新小杆线虫(C. elegans)中的par-1基因时,发现了一个意想不到的现象。她们本是利用反义RNA技术特异性地阻断上述基因的表达,而同时在对照实验中给线虫注射正义RNA(sense RNA)以期观察到基因表达的增强。但得到的结果是二者都同样地切断了par-1基因的表达途径。这是与传统上对反义RNA技术的解释正好相反的。该研究小组一直没能给这个意外以合理解释。

这个奇怪的现象直到3年后才被解开。1998年2月,华盛顿卡耐基研究院的Andrew Fire和马萨诸塞大学癌症中心的Craig Mello才首次揭开这个悬疑之谜。通过大量艰苦的工作,他们证实,Su Guo博士遇到的正义RNA抑制基因表达的现象,以及过去的反义RNA技术对基因表达的阻断,都是由于体外转录所得RNA中污染了微量双链RNA而引起。当他们将体外转录得到的单链RNA纯化后注射线虫时发现,基因抑制效应变得十分微弱,而经过纯化的双链RNA却正好相反,能够高效特异性阻断相应基因的表达。实际上每个细胞只要很少几个分子的双链RNA已经足够完全阻断同源基因的表达。后来的实验表明在线虫中注入双链RNA不单可以阻断整个线虫的同源基因表达,还会导致其第一代子代的同源基因沉默,该小组将这一现象称为RNA干扰(RNA interference ,简称RNAi)。

RNAi潜在的作用促使Fire和Timmons 继续实验。他们将一种能够表达与+ C. elegans unc-22基因同源的双链RNA的基因工程细菌喂食线虫,结果线虫表现出类似unc-22缺陷的表型。后继的实验表明将线虫浸入双链RNA中同样可以诱导基因沉默——这种技术使得大规模筛选线虫R NA i 诱导的功能缺失突变体成为可能,并引发后继的大量针对这种模式生物基因敲除的研究。

在随后的短短一年内,RNAi现象又陆续在果蝇,锥体虫,真菌,涡虫,植物及斑马鱼等真核生物的研究中被发现,这种情况揭示了RNAi现象很可能出现于生命进化的早期阶段。在RNAi的机制被真正认识之前,自然存在的RNAi现象曾在这些生物体中被分别描述为:

1)真菌种属中脉孢菌的“镇压”(qelling)作用。

2)植物中的转录后基因沉默(posttranscriptional gene silencing, PTCS)和基因共同抑制(co-suppression),以及RNA介导的抗病毒作用。这是一种针对频繁出现的病毒感染的保护机制。

3)动物中包括水螅、涡虫、果蝇和线虫中的RNAi现象,具有抑制转座子扩散的功能。

4)脊椎动物中斑马鱼和小鼠的RNAi现象。

由于这些现象中存在共同的作用媒介siRNA,以及不同种属生物中参与基因的同源性,研究者认为以上种种沉默现象都基于相同的核心机制,而保护性对抗病毒和转座子可能是RNAi途径的核心功能[9]。

20多年前,在对矮牵牛(petunias)进行的研究中有个奇怪的发现:Rich Jorgens en和同事将一个能产生色素的基因置于一个强启动子后,导入矮脚牵牛中,试图加深花朵的紫颜色,结果没看到期待中的深紫色花朵,多数花成了花斑的甚至白的。Jorgensen 将这种现象命名为协同抑制(cosuppression ),因为导入的基因和其相似的内源基因同时都被抑制。开始这被认为是矮牵牛特有的怪现象,后来发现在其他许多植物中,甚至在真菌中也有类似的现象,特别是在脉孢霉Neurospora+ 中进行了详细的研究(在这里被称为quelling 现象)。

然而是什么原因导致这种基因沉默的现象呢?尽管对于部分植物来说,转基因引发的基因沉默可能是因为基因特异的甲基化而导致,这被称为转录阶段基因沉默(transcriptional ge ne silencing, or TGS ),但确实有部分的植物中的基因沉默是在转录后发生的,称为post transcriptional gene silencing, or PTGS。核转移实验表明同源转录本确实有出现,但是很快在胞浆中被降解,没有积聚。基因沉默可以在异核体的细胞核之间传递。后来进一步证实,在植物中,将出现转基因导致基因沉默的植物嫁接到另一没有基因沉默的植物中,同样可以诱发PTGS。在后来线虫和果蝇的实验中我们知道导致植物中的PTGS的反式作用因子是双链RNA。

转基因会引发PTGS,然而基因沉默也可能被一些病毒诱发。一旦被引发,PTGS由一种可扩散的反式作用分子介导。这首先在脉孢霉Neurospora中得到证实:Cogoni和他的同事发现基因沉默可以在异核体的细胞核之间传递。后来Palauqui和同事进一步证实,在植物中,将出现转基因导致基因沉默的植物嫁接到另一没有基因沉默的植物中,同样可以诱发PTGS。在后来线虫和果蝇的实验中我们知道导致植物中的PTGS的反式作用因子是双链RNA。

在果蝇的研究中同样发现了RNAi。尽管采用能生产dsRNA的酵母喂食果蝇实验以失败告终,但是通过显微注射或者通过基因枪将dsRNA注入果蝇胚胎中、或者将带有反向重复序列的DNA导入果蝇中能够引发基因沉默。在过去的几年中RNAi技术在果蝇的研究中成为一种反向遗传工具,用于鉴定功能缺失表型。

注射的RNAi如何引发基因沉默?在过去的数年中多个研究小组进行了不懈的努力。Baul combe和Hamilton首先在发生协同抑制的植物中鉴定出一些在没有发生基因沉默的植物中并不存在的大约25个碱基大小的RNA,这些RNA分别与沉默基因的正义和反义链互补。这成为揭示RNAi秘密的第一条关键线索。

后来在果蝇细胞中的实验进一步揭示这个秘密。在一系列著名的实验中,Zamore 和同事发现注入果蝇细胞的dsRNA被切割为21~23碱基长短的RNA片段,他们同时发现:与dsRNA同源的内源基因的mRNA,只在和dsRNA对应的部位被切割成为21—23核苷酸长的片断。很快,RNAi的机制越来越清楚了

 

 
   
 
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