RNAi產生的基因沉默與生物學功能
RNAi所產生的基因沉默具有如下特點:
1)高效性。 Elbashir等在研究中發現分別為25 nmol/L與100
nmol/L的起始雙鏈RNA產生的結果是一樣的,只是高濃度起始的更有效些。將雙鏈RNA濃度降低到1.5
nmol/L時產生的基因沉默效果變化不大,只有當濃度降低到0.05 nmol/L時,沉默的效果才消失。Holen等也證實1~100
nmol/L的雙鏈RNA濃度對基因沉默的效果是一致的。這說明雙鏈RNA介導的基因沉默效率是相當高的。
2)需要ATP。 Zamore等認為RNAi過程中至少有2個步驟需要能量的供給:一是長的雙鏈RNA被 Dicer所酶切產生雙鏈RNA;二是在雙鏈RNA與RISC結合解鏈后形成有活性的RISC。
3)特異性。Elbashir等和 Brummel kamp等發現在21~23個堿基對中有1~2個堿基錯配會大大降低對靶mRNA的降解效果。
4)位置效應。Holen等根據人 TF(tissue
factor)不同的位置各合成了4組雙鏈RNA來檢測不同位置的雙鏈RNA對基因沉默效率的影響。在不同濃度和不同類型的細胞中,hTF167i和
hTF372i能夠抑制85%~90%的基因活性,hTF562i只能抑制部分基因活性,而hTF478i則幾乎沒有抑制基因的活性。他們還以
hTF167為中心依次相差3個堿基對在其左右各合成了幾組雙鏈RNA,有趣的是它們所能抑制該基因活性的能力以hTF167為中心依次遞減。特別是
hTF158i和
hTF161i只與hTF167i相距9個和6個堿基,但它們幾乎沒有抑制該基因活性的能力。結果還表明雙鏈RNA對mRNA的結合部位有堿基偏好性,相對而言,GC含量較低的mRNA被沉默效果較好。
5)競爭效應。Hoten等將10 nmol/L和30 nmol/L的hTF167i相比,兩者的沉默基因效果無差異,但將20 nmol/L基因抑制效果很差的PSK314i和10 nmol/L的hTF167i相混和后,hTF167i產生的抑制效果明顯降低。
6)可傳播性。在線蟲中,雙鏈RNA可以從起始位置傳播到遠的地方,甚至于全身。Feinberg
和Hunter在線蟲細胞膜上發現一種跨膜蛋白SID1,它可以將雙鏈RNA轉運出細胞,因此系統性的RNAi包括了SID1介導的雙鏈
RNA在細胞間的運輸。但在果蠅上并未發現有此基因的同源物,因此在果蠅上通過注射產生的RNAi不能擴散。
RNAi的生物學功能
從低等的真菌到高等的哺乳動物都有RNAi,在不同的物種間既有差異,又有很高的保守性,這說明RNAi應該出現在生命出現的早期,它的存在是生物進化與發育的重要組成部分。目前來看,RNAi的生物學功能主要表現在如下3個方面:
1)一種抗病毒的應答反應。真核生物也編碼類似RdRPs的酶,它們與病毒的RdRPs沒有同源性,但兩者在功能上卻有很多相似的地方。rde-2,rde-3和mut-7對于線蟲PTGS是必須的,它們同時在RNAi中起著關鍵作用,因此對RNAi和PTGS來說,這是兩者在功能上的相似之處。煙草的RdRPs基因NtRdRP1能被病毒侵染和水楊酸所誘導,在它被反義
RNA沉默后,突變株系中病毒RNA的積累很快,并且產生了很嚴重的感病反應。
2)基因組的免疫系統。在復雜的基因組中存在著許多重復因子,包括數目眾多的轉座子。研究中發現,RNAi經常由重復轉座因子引起,并能抑制轉座子活性。在線蟲的研究中,缺失RNAi的蟲體表現出了高頻的轉座子活性。在植物細胞中發現雙鏈RNA能夠誘導同源的基因序列甲基化,Pelissier等在用番茄的類病毒載體侵染煙草時發現,在侵染過程中,與類病毒互補的大約
30個堿基對的基因組序列發生甲基化。在PTGS中常常伴隨有基因組的甲基化,當雙鏈RNA與啟動子而非表達序列區域有同源性時,常常表現為基因的甲基化,基因在轉錄水平被抑制。Schramke等和
Zilberman等分別在酵母和擬南芥中鑒定了幾個參與RNAi
的基因,并證實這些基因主要是甲基化酶,它們的主要功能是由長的雙鏈RNA誘導相應的基因組甲基化,使其在轉錄水平沉默。Kovalchuk等也證實病菌的侵染能誘使植物的DNA發生重排,這個過程中有與RNAi相關基因的參與。
3) 調節基因的時空表達。許多在RNAi的過程中起著關鍵作用的基因在生物的發育過程中同樣起著重要作用,它們的突變往往造成發育的變異,如擬南芥中的
ago1突變體表現為共抑制缺陷的同時也表現為葉發育缺陷,因此人們認為與RNAi相關的一些酶或者過程可能也參與了發育調控過程。Volpe等發現酵母參與RNAi的Dicer和RdRPs的基因同源序列的去除會導致一系列的生理異常,主要表現為著絲粒的異染色質重復序列的轉錄本異常積累,同時插入著絲粒區的外源基因開始不受抑制地表達,并且伴隨著組蛋白H3賴氨酸-9的去甲基化和著絲粒不能進行配對。因此RNAi在保持著絲粒區重復序列的異染色質狀態,保證細胞的正常分裂中起著重要作用。此外Glazov在擬南芥中鑒別到1個與PTGS和RNAi相關的基因(Werner
Syndrome-like exonuclease(WEX) gene),這個基因與人的Werner Syndrome
protein(WRN)相似,具有 RNase
D的結構域,但缺乏雙鏈RNA解鏈的結構域,它可以與RNA解旋酶互作來參與PTGS和RNAi,它的缺失可以造成擬南芥提前開花
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