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RNAi产生的基因沉默与生物学功能

2020.9.07

RNAi所产生的基因沉默具有如下特点:
1)高效性。 Elbashir等在研究中发现分别为25 nmol/L与100 nmol/L的起始双链RNA产生的结果是一样的,只是高浓度起始的更有效些。将双链RNA浓度降低到1.5 nmol/L时产生的基因沉默效果变化不大,只有当浓度降低到0.05 nmol/L时,沉默的效果才消失。Holen等也证实1~100 nmol/L的双链RNA浓度对基因沉默的效果是一致的。这说明双链RNA介导的基因沉默效率是相当高的。
2)需要ATP。 Zamore等认为RNAi过程中至少有2个步骤需要能量的供给:一是长的双链RNA被 Dicer所酶切产生双链RNA;二是在双链RNA与RISC结合解链后形成有活性的RISC。
3)特异性。Elbashir等和 Brummel kamp等发现在21~23个碱基对中有1~2个碱基错配会大大降低对靶mRNA的降解效果。

4)位置效应。Holen等根据人 TF(tissue factor)不同的位置各合成了4组双链RNA来检测不同位置的双链RNA对基因沉默效率的影响。在不同浓度和不同类型的细胞中,hTF167i和 hTF372i能够抑制85%~90%的基因活性,hTF562i只能抑制部分基因活性,而hTF478i则几乎没有抑制基因的活性。他们还以 hTF167为中心依次相差3个碱基对在其左右各合成了几组双链RNA,有趣的是它们所能抑制该基因活性的能力以hTF167为中心依次递减。特别是 hTF158i和 hTF161i只与hTF167i相距9个和6个碱基,但它们几乎没有抑制该基因活性的能力。结果还表明双链RNA对mRNA的结合部位有碱基偏好性,相对而言,GC含量较低的mRNA被沉默效果较好。
5)竞争效应。Hoten等将10 nmol/L和30 nmol/L的hTF167i相比,两者的沉默基因效果无差异,但将20 nmol/L基因抑制效果很差的PSK314i和10 nmol/L的hTF167i相混和后,hTF167i产生的抑制效果明显降低。

6)可传播性。在线虫中,双链RNA可以从起始位置传播到远的地方,甚至于全身。Feinberg 和Hunter在线虫细胞膜上发现一种跨膜蛋白SID1,它可以将双链RNA转运出细胞,因此系统性的RNAi包括了SID1介导的双链 RNA在细胞间的运输。但在果蝇上并未发现有此基因的同源物,因此在果蝇上通过注射产生的RNAi不能扩散。
RNAi的生物学功能
从低等的真菌到高等的哺乳动物都有RNAi,在不同的物种间既有差异,又有很高的保守性,这说明RNAi应该出现在生命出现的早期,它的存在是生物进化与发育的重要组成部分。目前来看,RNAi的生物学功能主要表现在如下3个方面:
1)一种抗病毒的应答反应。真核生物也编码类似RdRPs的酶,它们与病毒的RdRPs没有同源性,但两者在功能上却有很多相似的地方。rde-2,rde-3和mut-7对于线虫PTGS是必须的,它们同时在RNAi中起着关键作用,因此对RNAi和PTGS来说,这是两者在功能上的相似之处。烟草的RdRPs基因NtRdRP1能被病毒侵染和水杨酸所诱导,在它被反义 RNA沉默后,突变株系中病毒RNA的积累很快,并且产生了很严重的感病反应。
2)基因组的免疫系统。在复杂的基因组中存在着许多重复因子,包括数目众多的转座子。研究中发现,RNAi经常由重复转座因子引起,并能抑制转座子活性。在线虫的研究中,缺失RNAi的虫体表现出了高频的转座子活性。在植物细胞中发现双链RNA能够诱导同源的基因序列甲基化,Pelissier等在用番茄的类病毒载体侵染烟草时发现,在侵染过程中,与类病毒互补的大约 30个碱基对的基因组序列发生甲基化。在PTGS中常常伴随有基因组的甲基化,当双链RNA与启动子而非表达序列区域有同源性时,常常表现为基因的甲基化,基因在转录水平被抑制。Schramke等和 Zilberman等分别在酵母和拟南芥中鉴定了几个参与RNAi 的基因,并证实这些基因主要是甲基化酶,它们的主要功能是由长的双链RNA诱导相应的基因组甲基化,使其在转录水平沉默。Kovalchuk等也证实病菌的侵染能诱使植物的DNA发生重排,这个过程中有与RNAi相关基因的参与。
3) 调节基因的时空表达。许多在RNAi的过程中起着关键作用的基因在生物的发育过程中同样起着重要作用,它们的突变往往造成发育的变异,如拟南芥中的 ago1突变体表现为共抑制缺陷的同时也表现为叶发育缺陷,因此人们认为与RNAi相关的一些酶或者过程可能也参与了发育调控过程。Volpe等发现酵母参与RNAi的Dicer和RdRPs的基因同源序列的去除会导致一系列的生理异常,主要表现为着丝粒的异染色质重复序列的转录本异常积累,同时插入着丝粒区的外源基因开始不受抑制地表达,并且伴随着组蛋白H3赖氨酸-9的去甲基化和着丝粒不能进行配对。因此RNAi在保持着丝粒区重复序列的异染色质状态,保证细胞的正常分裂中起着重要作用。此外Glazov在拟南芥中鉴别到1个与PTGS和RNAi相关的基因(Werner Syndrome-like exonuclease(WEX) gene),这个基因与人的Werner Syndrome protein(WRN)相似,具有 RNase D的结构域,但缺乏双链RNA解链的结构域,它可以与RNA解旋酶互作来参与PTGS和RNAi,它的缺失可以造成拟南芥提前开花


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