RNAi 在基因组学中的运用

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在国外越来越多的研究单位和公司都采用RNAi技术平台来筛选药物的靶点或疾病的靶点。目前在模式生物中取得了很大进展，如果蝇，斑马鱼，线虫等，今后的工作重点则是在高等的哺乳动物，尤其是小鼠等，这种高通量的筛选方法是今后发展的重要趋势和手段。



Christophe Echeverri thinks big with siRNAs.

RNA interference (RNAi) is a powerful method of gene silencing using double-stranded RNA, which is converted to small inhibitory RNA (siRNA) as the active agent. siRNAs are now hot property as reagents for knocking down gene expression in target identification and validation assays, and as possible therapeutics for silencing genes associated with disease.

According to Christophe Echeverri, chief executive and scientific officer of Cenix BioScience in Dresden, Germany, high-throughput RNAi is the most exciting recent development in target discovery and validation. "The key advance here is the development of genome-wide libraries of siRNAs to enable genome-wide screens in human cells," he says. "It offers the most direct, cost-efficient way to get from gene sequence to gene function at a genomic scale." As part of its drug-discovery and target-validation programmes, Cenix has designed siRNAs against more than 98% of the human, mouse and rat genes identified by the genome-sequencing projects; the siRNAs themselves, for all these genes listed in the RefSeq database, are available to order through Ambion of Austin, Texas, which also offers an off-the-shelf library of nearly 600 kinase siRNAs made to the Cenix designs.

The siRNA drug-development company Atugen in Berlin, Germany, also develops siRNAs as both reagents for target identification and validation and as potential therapeutics. Atugen’s technology platform for target identification uses various messenger RNA knockdown techniques, including proprietary siRNAs chemically modified for increased stability, and a proprietary antisense method called Geneblocs. "These are used in combination with proprietary liposomal formulations to elucidate gene function in specialized cellular assays and animal models," says Klaus Giese, chief scientific officer at Atugen. "Matching results found with siRNA and Geneblocs will substantially increase the probability that an observed phenotype is clinically relevant."

RNAi allows more questions to be asked of mammalian cells than ever before. "The ability of RNAi to allow the ’yeastification’ of mammalian cells in terms of genetics is very exciting," says Kevin Fitzgerald, group leader of applied genomics at Bristol-Myers Squibb in New York. "With RNAi we can now begin to approach the genetics of tumour-suppressor genes in a whole new way. We have known that the loss of these genes is very important in the development of cancer for years, but we have been unable to develop specific drugs directed at them. With RNAi we can now ask whether there are any druggable targets in the genome that will lead to the death of cells missing tumour suppressors but leave normal cells alone. This is a question that in mammalian cells we simply could not have asked a few years ago."



Nature 428, 225 (11 March 2004); doi:10.1038/428225b



附：RNA干扰研究前沿和应用领域

        小RNA（MicroRNA，miRNA）的作用与应用研究继2001，2002连续两年被美国《Science》杂志评选为年度10大突破技术以来，2003年继续热度高涨，名列前矛。其核心技术RNA干扰（RNAi），即用20多个核苷酸组成的短的双链ＲＮＡ（siRNA）代替传统反义核酸进行转录后基因沉默，已经迅速而广泛地应用到基因功能，基因表达调控机制研究等热门领域，并为基因治疗开辟了新的途径。近两年来，这方面的科学论文及报道爆炸性增长，几乎每天都有新的结果涌现。此外，RNAi沉默机制的探索方面也取得了相当的进展。在大致勾画出生物体内源性小RNA的重要作用框架后，2003年生物学家致力于阐述更进一步的细节，探索小RNA如何调控细胞的行为，如何利用RNAi机制进行疾病防治等等。以下就分几个方面为大家介绍一些近几年RNA干扰的主要研究领域及前沿进展。



一． 外源RNA诱导RNAi的应用

1. 基因功能研究

　　从2001年《Nature》杂志上首家报道在哺乳动物培养细胞中通过siRNA成功诱导了特异性靶基因表达沉默后，RNA干扰技术就作为一项特异性基因沉默的有效工具从低等生物成功进军哺乳动物领域。2003年Rubinson DA等又在Nature Genetics上报道用病毒系统在原代哺乳动物细胞，干细胞和转基因小鼠上都取得了RNA干扰成功，更大大扩展了这项技术的应用范围。研究者们可以利用这项技术对目标基因进行特异性地表达沉默，通过观察其表达被抑制后细胞以至生物体从形态到各项生理生化的变化，对该基因的功能及参与的信号网络进行研究。这比传统的基因敲除方法要简单而且方便得多，因此短短几年，就有了很多突破性的成果。其中研究得最多的是跟疾病相关的一些基因，不仅对疾病机制及相关代谢网络有了进一步认识，也为基因治疗及药物筛选提供了一些借鉴。

　　在具体诱导方式方面，目前报道的成功的siRNA形式多样，其中短发夹结构RNA（shRNA，short hairpin RNA）表达载体的应用大大加快了研究者从最初的培养细胞水平扩展到成体水平的步伐。例如，在神经生物学研究中，美国NIH的Backman C等通过siRNA表达质粒对中脑腹侧神经细胞中的多巴胺能相关基因进行了有效抑制， Hommel JD等还通过病毒介导的RNAi建立了此类成年小鼠模型，不仅为建立神经系统的功能缺失模型找到了一些有价值的表型标记，对神经系统的基因治疗也有一定借鉴意义；在癌症研究中，Zhang Y等也通过shRNA表达载体成功抑制成年大鼠脑癌基因，并对RNAi的远程（穿过血脑屏障）基因沉默方法进行了非常有益的探索；利用细胞凋亡途径，Zender L等通过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，并发现Caspase 8 siRNA处理对特异性Fas 激活剂（Jo2和AdFasL）和野生型腺病毒介导的急性肝功能衰竭都有效，表明这个动物模型能反应人类急性病毒肝炎多分子参与的机制，增强了siRNA用于急性肝炎病人治疗的希望……除了对某些关键基因的RNAi研究外，Zheng L等还在哺乳动物细胞中探索了siRNA在基因组水平上的筛选方法。他们建立了一个包含8000多个基因的siRNA表达框文库阵列，通过它来高通量筛选NF-kB信号途径中已知的及Unique基因。由此可见，RNA干扰也正作为筛选成百甚至上千基因的工具，发挥着越来越大的作用。

　　总的来说，RNA干扰为系统地抑制RNA分子合成蛋白提供了快速而相对简便的途径。通过在一段时间内对一个基因RNA信号的抑制，研究者可以深入研究基因功能，进而开始描绘支配从细胞形态到信号系统的遗传网络。

2. 基因治疗及药物筛选探索

　　由于RNA干扰是针对转录后阶段的基因沉默，相对于传统基因治疗对基因水平上的敲除，整个流程设计更简便，且作用迅速，效果明显，为基因治疗开辟了新的途径。其总体思路是通过加强关键基因的RNAi机制，控制疾病中出现异常的蛋白合成进程或外源致病核酸的复制及表达。尤其针对引起一些对人类健康严重危害的核酸病毒，如去年在全球多个国家和地区流行的SARS这种主体是单链核酸的新型冠状病毒，寻找药物靶点，设计核酸药物就更加方便。目前已经有很多公司在积极开发这方面的药物，如在去年SARS药物研究中一鸣惊人的美国俄勒冈州的AVI BioPharma生物制药公司等。国内也有很多研究机构及生物技术公司投入了这方面的工作。如上海生科院成立了SARS防治科研攻关领导小组，其中生化细胞所和药物所的一些课题组在从RNA干扰的角度努力。此外，北大，中南大学，北京动物所等大专院校研究机构以及北京金赛狮反义核酸技术开发有限公司等也开展了RNA干扰药物的研究与开发。

　　基因治疗方面去年最引人注目的进展之一是对肝炎的RNA干扰研究。McCaffrey AP等通过表达shRNA的载体在培养细胞水平和转染HBV质粒后免疫活性缺失的小鼠肝脏中成功抑制了HBV复制。与对照相比，小鼠血清中测得的HBsAg下降84.5％，免疫组化对HBcAg的分析结果下降率更超过99%。另，哈佛大学Lieberman的研究小组通过注射针对Fas的siRNA，过度激活炎症反应，诱导小鼠肝细胞自身混乱。然后给测试小鼠注入使Fas hyperdrive的抗体，发现未进行siRNA处理的对照组小鼠在几天中死于急性肝功能衰竭，而82%的siRNA处理小鼠都存活下来，没有患病，它们当中80-90％的肝细胞经证实结合了siRNA。并且，RNAi发挥功能达10天，三周后才完全衰退。由于Fas很少在肝细胞外的其它细胞高表达水平，对它的抑制对其它器官几乎没有副作用。此外，这个小组还和其它研究者积极开展针对HIV的RNAi测试，目前报道他们使用的针对CCR5蛋白的siRNA能阻止HIV进入免疫细胞约三周，在已经感染的细胞中也能阻止感染病毒的复制。

　　然而，尽管取得了不少成果，要真正用于医疗还需时日。目前大多数还停留在小鼠测试阶段，siRNA的导入多采用静脉或腹腔注射，尾部注射，细胞移植等，如何对人进行有效的给药，既能确保药效在靶器官靶组织有效释放，还要具有高度安全性等等问题都尚需进一步研究。我们期待着RNAi引领的新医学革命的到来在药物筛选领域，除了线虫这种低等动物的RNAi高通量药筛模式外，2003年Lavery KS等的综述中也对RNAi在药筛领域的应用前景进行了高度评价：RNAi技术将逐渐成为药物靶点筛选和鉴定的强大工具。他对如何在药筛的各个阶段应用RNAi做了具体描述及展望，并指出将这项技术与高通量筛选，体外生物检测和体内疾病模式相结合，将提供大量基因功能方面的有用信息，在药物开发过程的多个阶段促进靶点的筛选。



二． 内源RNAi机制及功能研究

　　是什么原因使我们有可能通过外源siRNA诱导内源性的靶基因转录后沉默？为解开这个迷题，更有效地进行RNAi应用，随着RNAi应用研究的广泛开展，生物体内部RNAi机制研究也愈加深入，并迅速成为RNAi研究中的重要领域，吸引着越来越多的研究者投身其中，涌现出一系列令人耳目一新的成果。

　　多年来，生物学家认为RNA在生命过程中的作用仅仅是将遗传信息从DNA传递到蛋白，就象蜂群中的雄蜂般没有创意。但近几年的一系列发现使研究者对RNA，尤其是mRNA以外的哪些小RNA的功能有了全新的认识。生物体中有一群小RNA（目前看来人体中编码约255种小RNA，竟占整个基因组近1%，很多可能编码自以前被认为“垃圾DNA”的区域），它们也可通过自身的RNAi机制，在生命过程的各个阶段关闭或调控基因表达水平，从而控制细胞的多种生命活动。尤其在发育过程中2003年有一些激动人心的最新发现：仅约22个核苷酸长度的小RNA，发现竟能引导早期发育――从使植物叶片成形到介导果蝇胚胎在植物组织中的细胞增殖；缺少RNAi蛋白Dicer（一种RNA酶III家族的酶，参与RNAi过程中对RNA的剪切）的小鼠会缺少干细胞的某些分化系（swaths of stem cells），在出生前就夭折；小鼠中特定的小RNA能帮助引导干细胞生成胚胎的血细胞系统。

　　此外，有些RNAi现象能在DNA编码不变的情况下传代，甚至在一些物种中对基因组进行调整，有人形象地比喻它为“引导基因组的手”，生动体现了小RNA源于基因组但对基因组所具有的强大反馈作用。《Science》上一篇题为“RNAi Extends Its Reach”的综述详细阐述了RNAi途径已经不仅仅限于沉默mRNA，还作用于基因组。这方面的具体机制还不是非常明确，但在植物中发现伴随有DNA甲基化现象，科学家们预测要描绘一张完整的RNA引导基因组改变的图谱可能需要对RNA信号，DNA甲基化和组蛋白修饰之间的相互作用进行更进一步的研究。综合来看，我们可将目前报道的内部RNAi机制可能的功能，大致分为以下几类：

1. 抗病毒功能

　　Voinnet和Li等分别在植物和果蝇中发现了通过RNAi实现的抗外源核酸机制：被大多数RNA病毒启动的RNAi可导致病毒基因组降解。例如在果蝇细胞中，Flock house virus (FHV)就能引发果蝇内部的RNAi反应，产生FHV特异性的siRNA来降解感染的FHV。

2. 基因调控

　　目前在人、蠕虫，果蝇和植物等生物体中都发现了小RNA，有的通过结合3'非翻译区（UTR）和靶mRNA抑制mRNA翻译，有的作为siRNA通过RNAi机制破坏靶基因转录本，对基因表达水平进行调控。

3. 染色质浓缩

　　内源的siRNA，一些小RNA可能通过使染色质浓缩调节基因表达。一些研究小组发现dsRNA结合到植物启动子区域能通过一种使DNA甲基化的作用导致基因沉默；在蠕虫体内检测到许多Polycomb蛋白（能结合染色质）是RNAi过程所必须的；裂殖酵母中内源siRNA可介导中心粒区染色质浓缩，导致这个位点的基因转录沉默。如Vera Schramke等在裂殖酵母中通过合成shRNA反式抑制同源位点，导致在mate区沉默的Swi6染色质浓缩。这些结果都提示一些内源性的siRNA通过导致染色质浓缩来调节基因水平。

4. 转座子沉默

　　目前，两方面的证据提示转座子沉默涉及siRNA。其一，发现蠕虫mut-7基因参与RNAi和转位抑制。其二，从裂殖酵母的中心粒区也分离出siRNA，并检测到这些siRNA介导此区内组蛋白甲基化。由于中心粒区包含重复序列――含转座子片段，在一些减数分裂基因中也发现了通过其附近的逆转录转座子LTR（长末端重复序列）介导的RNAi，推测在siRNA介导的中心粒区域的组蛋白甲基化可能源于古老的转座子沉默作用。

5. 基因组重组

　　siRNA可能参与纤毛虫，四膜虫虫体间结合时的基因重组。结合到重组序列的siRNA，在虫体之间的结合过程中介导DNA缺失和染色体断裂。有趣的是，在这些siRNA介导的程序性DNA删除事件中，也发现需要重组区域组蛋白的甲基化。



　　结语：RNAi的确有太多的值得研究的领域和值得期待的发现，我们真诚地希望中国科学界能在探索小RNA世界的潮流中占据令人瞩目的一席。