RNA干扰_双链RNA引起的基因沉默机制_2006年诺贝尔生理学或医学奖成果简介

第24卷 2006年第12期 (总第222期) 科技导报 1引言 举世瞩目的 2006年诺贝尔生理学或医学奖,于 2006年 10 月2日由诺贝尔奖评审委员会授予了2位美国科学家 AndrewA. Fire和CraigC.Mello (图1),以表彰他们发现了真核生物中的 RNA干扰 (RNAinterference)现象。 现为美国斯坦福大学教授的AndrewFire出生于1959年。19 岁就获得斯坦福大学学士学位的 Fire于麻省理工大学获得博士 学位后,加入了当时位于英国剑桥大学 SydneyBrenner教授领导 的研究组做博士后。SydneyBrenner于 2002年获得了诺贝尔生 理学或医学奖。Fire于1986年开始转入美国 Carnegie研究所工 作,并在那里开始了关于RNA干扰的研究。从2003年开始,Fire 又回到自己的母校———斯坦福大学,现任遗传系和病理系的教 授。CraigMello出生于1960年。他于1982年获得美国Brown大 学学士学位,1990年获得哈佛大学的博士学位。随后,Mello在 FredHutchinson癌症研究中心JamesPriess教授的研究组从事了 一段博士后研究,并于1994年加入Massachusetts大学医学院,现 为Massachusetts大学医学院分子医学系教授。 Fire和 Mello获奖的主要原因是他们于 1998年发现了 RNA 干扰现象,即双链 RNA可以引起体内具有相应序列的 mRNA降 解,从而导致基因沉默[1]。通过RNA干扰机制引起的基因沉默现 象在动植物中普遍存在,并且大多具有至关重要的功能。同时, RNA干扰技术在基因功能研究、基因和疾病治疗中的作用 也日趋显著。鉴于上述原因,AndrewFire和 CraigMello在发现 RNA干扰现象仅 8年后即获得了诺贝尔奖,这在诺贝尔生理学 或医学奖的历史上还是比较罕见的,连获奖者本人都觉得十分意 外。 RNA干扰:双链RNA引起的基因沉默 机制 ———2006年诺贝尔生理学或医学奖成 果简介 RNAInterference:GeneSilencingbyDouble-StrandedRNA ———AnIntroductiontotheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine2006 王秀杰/WANGXiu-Jie 中国科学院遗传与发育生物学研究所,北京 100101 InstituteofGeneticsandDevelopmentalBiology,ChineseAcademyofSciences,Beijing,100101,China [摘要]RNA干扰现象是指一种由双链RNA分子引起的基因沉默现象,在动植物中普遍存在。RNA干扰不仅在生物的抗病毒反应、抑 制转座子活性以及其他许多重要生理活动的调节方面发挥至关重要的作用,而且在基因功能研究和疾病治疗方面也具有广阔的应用前 景。鉴于上述原因,2名美国科学家———AndrewZ.Fire和CraigC.Mello,因发现RNA干扰现象而获得了2006年的诺贝尔生理学或 医学奖。 [关键词] 诺贝尔生理学或医学奖;RNA干扰;siRNA;基因沉默;基因治疗 [中图分类号]Q527,Q522 [文献标识码]A [文章编号]1000-7857(2006)12-0005-04 Abstract:RNAinterference (RNAi)referstothegenesilencingphenomenoninducedbydouble-strandedRNAs.TheRNAimechanismis wellconservedfromplantstoanimals.Itplaysimportantrolesinmanyimportantbiologicalprocesses,suchasantisenseresponse,transposon repressionanddevelopmentregulation.RNAinterferenceisalsoanimportanttoolforgenefunctionstudyandgenetherapy.Duetothe importanceofRNAinterference,twoAmericanscientists,AndrewZ.FireandCraigC.Mello,wereawardedtheNobelPrizeinPhysiologyor Medicineof2006fortheircontributioninthediscoveryofRNAinterference. KeyWords:Nobelprizeinphysiologyormedicine;RNAinterference;siRNA;genesilencing;genetherapy CLCNumbers:Q527,Q522 DocumentCode:A ArticleID:1000-7857(2006)12-0005-04 收稿日期:2006-11-16 作者简介:王秀杰,女,北京朝阳区大屯路 15号中国科学院遗传与发育生物学研究所,研究员,主要从事非编码 RNA方面的生物信息 学研究;E-mail:xjwang@jenetics.ac.cn 王秀杰:RNA干扰:双链RNA引起的基因沉默机制 5 Vol.24 No.12 2006(SumNo.222) 2RNA干扰现象的发现 许多伟大科学成果的灵感或最初发现都是从意外得到的实 验结果中获得的,RNA干扰现象的发现即是这样一个例子。RNA 干扰现象最早是在 1990年由 Jorgensen研究组意外发现的[3]。矮 牵牛花花瓣的深紫色是由花青素决定的。为了研究植物类黄酮 (flavonoid)合成的关键酶———查尔酮合成酶 (chalconesynthase), 是否决定花青素的合成速度,Jorgensen和其研究组的成员在矮 牵牛花中过量表达查尔酮合成酶,以期望得到颜色更深的矮牵牛 花。但是,他们却意外地得到了具有白色和白紫杂色的矮牵牛花, 并且在过量表达查尔酮合成酶的矮牵牛花中,查尔酮合成酶的浓 度比正常矮牵牛花中的浓度低50多倍。这种现象让Jorgensen等 人推测,外源转入的编码查尔酮合成酶的基因同时也抑制了矮牵 牛花中内源查尔酮合成酶基因的表达 (图2)。 1992年,Romano和 Macino也在粗糙链孢霉(Neurospora crassa)中发现,外源导入的基因可以抑制具有同源序列的内源基 因的表达[4]。动物中的 RNA干扰现象是由 Guo和 Kemphues于 1995年在线虫中最先发现的[5]。因为反义 RNA可以和内源的 mRNA结合形成双链RNA分子而被降解,Guo和 Kemphues试图 用反义 RNA的方法来研究线虫内源基因 par-1的功能,但他们 却意外地发现作为正对照的导入正义 RNA的线虫体内,par-1 mRNA也同样被降解了。这种现象让生物学家们困惑不解,并且 开始思考是否还存在其他调控机理。 1998年,Fire和 Mello通过一系列精巧的实验,证明双 链RNA是引起上述基因沉默现象的根源 (图3)。他们认为,以往 观察到的外源导入的正义 RNA引起内源 RNA降解的现象是因 为制备单链正义RNA的过程中混入了双链 RNA而造成的,并且 证明外源导入的单链正义 RNA只有在反义 RNA存在的条件下 才能引起 RNA降解。Fire和 Mello的这一发现发表在 1998年 2 月 19日的 Nature杂志上[1]。在这篇文章中,Fire和 Mello首次将 这种双链 RNA引起的基因沉默现象称为 RNA干扰。RNA干扰 现象的发现不仅解释了许多在转基因试验中出乎意料甚至自相 矛盾的结果,而且首次揭示了一种由RNA介导的全新的基因表 达调控机制。更为重要的是,RNA干扰技术的发现及其普遍应用 引起了生命科学研究和基因治疗等领域的一系列变革,极大地推 动了上述两个领域的发展。这也是RNA干扰获得2006年诺贝尔 生理学或医学奖的主要原因之一。 3SiRNA及其在RNA干扰中的作用 双链 RNA在线虫中引起的 RNA干扰现象不仅可以从双链 RNA的注射部位传递到线虫的身体各处,而且还可以从线虫的 父代传给子代。这些现象让科学家们猜测,RNA干扰作用可能是 由一类较稳定的中间介质来实现的。著名的植物病毒学家 David Baulcombe的研究组最先在植物中证明,双链 RNA复合体首先 被降解成大约25nt左右的小RNA分子[6-7](图4)。这些小RNA分 子可以通过序列互补与相应的 mRNA结合,从而引起 mRNA的 降解。之后,其他研究组也在果蝇中证明,长度为 21~23nt的小 RNA分子是引起RNA干扰现象的直接原因[8-9]。这些由双链RNA 产生的小RNA分子被称为干扰RNA(siRNA)。 RNA干扰途径中一个非常重要的酶是 Dicer[10]。Dicer属于 RNaseIII核酶家族的成员,它可以特异性地与双链 RNA结合并 将其剪切成 21~23nt作用的小分子 RNA片段。双链的小分子 RNA片段随后与 RNA引起的沉默复合体 (RNA-inducedsilenc- ingcomplex,RISC)结合,解旋成单链,并在 RISC的介导下与具 有互补序列的mRNA结合,从而引起mRNA的降解[11]。 图1 2006年诺贝尔生理学或医学奖获得者 AndrewAFire博士(左)和 CraigCMello博士(右)[2] Fig.1 Dr.AndrewAFire(left)andDr.CraigCMello(right)[2] (fromNobelPrizeinPhysiologyorMedicinepressrelease2006) 图2 在转基因矮牵牛花中观察到的RNA干扰现象 Fig.2 TheRNAinterferencephenomenaobserved intransgenicpetunias 图3 Fire和Mello证明双链RNA是引起 RNA干扰现象的原因[2] Fig.3 FireandMelloprovedthatdouble-strandedRNAis thecausefactorofRNAinterference[2] WANGXiu-Jie:RNAInterference:GeneSilencingbyDouble-StrandedRNA 6 第24卷 2006年第12期 (总第222期) 科技导报 图4 RNA干扰现象的机理[2] Fig.4 ThemechanismofRNA interference[2] 4RNA干扰在抗病毒及基因表达调 控中的作用 RNA干扰是一种被动植物,尤其是低 等生物普遍使用的抗病毒机制。病毒自身 基因组所包含的,或在病毒复制过程中产 生的双链 RNA分子可以被 Dicer识别,进 而激活宿主体内的 RNA干扰机制,从而引 起病毒RNA的降解。为抵抗宿主的RNA干 扰机制,许多病毒可以产生抑制宿主RNA 干扰途径的蛋白,以保护病毒基因在宿主 体内的顺利复制。已经发现的可以抑制宿 主 RNA 干 扰 的 病 毒 蛋 白 包 括 : potyviruses编码的 HC-PRO蛋白 、Potato VirusX编码的 Cmv2b蛋白和 flockhouse virus编码的B2蛋白等[12]。 转座子是在真核生物中普遍存在的、 可以在基因组内移动和复制的 DNA片段。 由于转座子的插入,可能使基因或其调节 区的结构遭到破坏,从而对生物体产生重 要的影响。因此,转座子的活性通常是被抑 制的。RNA干扰就是一种抑制转座子活性 的重要方式。许多转座子以逆转座的方式 在基因组内扩增。在逆转座的过程中,转座 子首先产生双链 RNA分子,然后再通过逆 转录形成双链DNA并插入基因组中。这些 双链 RNA分子可以被 Dicer识别并被降 解。 除干扰 RNA(siRNA)外,真核生物体内 还存在另一类可以引起 RNA干扰现象的 小分子 RNA (microRNA)。microRNA多为 20~22nt长、前体具有类似发夹形的茎环 结构,microRNA就是从茎环结构的双链区 产生的[13]。microRNA与siRNA具有许多共 同的特点,如都是由双链 RNA区域产生 的、均需要 Dicer和 RISC复合体的参与、均 通过序列互补的方式与 mRNA结合从而引 起 mRNA的降解或抑制其等。目前公 认的 microRNA与 siRNA的区别主要在于 它们起源上的不同。siRNA是由双链 RNA 产生的,而 microRNA是由 1条具有发夹形 二级结构的 RNA分子产生的。microRNA 在高等生物中普遍存在,并且具有重要的 调控功能,如控制线虫不同生长时期的转 换、控制动植物某些器官和组织的形成、调 节植物抗逆境反应、影响肿瘤细胞形成等。 随着对 microRNA研究的不断深入,mi- croRNA的功能也将更多地被人们所了解。 5RNA干扰现象的应用 RNA干扰现象的发现为研究基因功能 提供了全新的方法。在RNA干扰现象被发 现以前,基因敲除是在动物中通过缺失而 研究基因功能时比较常用的的方法。但基 因敲除方法耗时长、工作量大,通常需要至 少 1~2年才可以获得一个基因敲除小鼠, 而且成功率不是很高。RNA干扰技术可以 通过导入含有与目标基因互补序列的双链 RNA分子的方法而引起目标基因转录本的 降解,从而使得目标基因不能正常发挥功 能。由于RNA干扰技术具有快速、简便、高 效等特点,目前已经成为一种被广泛应用 的研究基因功能的方法。 RNA干扰技术在疾病治疗方面也有很 多优势,如针对目标基因的特异性、作用的 有效性和应用的灵活性等。 目前,已经有 一些公司和研究组开展了利用 RNA干扰 技术进行疾病治疗的研究[14](表 1)。在抗病 毒治疗方面,针对 HIV和乙肝病毒基因及 宿主受体基因的 RNA干扰研究已经取得 了初步进展。针对帕金森病、Huntington病、 脆性 X综合症等神经系统疾病,RNA干扰 疗法的研究也已初步应用。肿瘤治疗是人 们对 RNA干扰技术的应用抱以很大期望 的领域,关于这方面的研究已经广泛展开, 并且取得了一些令人鼓舞的成果。另外, RNA干扰技术在治疗眼部疾病、炎症和细 胞程序性凋亡引起的疾病等方面,也有一 定的应用。 6展望 以 siRNA、microRNA等为代表的具有 调节功能的小分子 RNA的发现,改变了长 久以来人们对 RNA功能的认识,证明 RNA 分子除作为遗传信息的载体和参与蛋白质 合成外,还在基因表达调控网络中扮演非 常重要的角色。但我们目前对RNA世界的 了解还只是冰山一角。随着科学界对 RNA 研究的日益重视以及相关研究方法和手段 的不断完善,我们对 RNA世界的组成及功 能的认识也将越来越深入。 尽管已经在基因功能研究和疾病治疗 等方面表现出巨大的潜力,RNA干扰技术 中仍存在一些问有待解决,包括如何将 siRNA准确有效地运输到目的组织或细胞 中、如何克服 RNA干扰过程中的非特异 性、如何保证siRNA的稳定性等等。这些问 题的解决将不仅提高 RNA干扰技术在研 究基因功能方面的作用,而且也将对其在 疾病治疗中的普遍应用起到巨大的推动作 用。 参考文献(References) [1]FIRE A,XU S,MONTGOMERY M K, KOSTASSA,etal.Potentandspecificge- neticinterferencebydouble-strandedrna incaenorhabditiselegans[J].Nature,1998, 391:806-811. [2]2006NobelPrizesPressRelease//[http:// nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/lau- reates/2006/] [3]NAPOLIC,LEMIEUXC,JORGENSEN,R. Introductionofachimericchalconesyn- thasegene into petunia resultsin re- versibleCo-Suppressionofhomologous 王秀杰:RNA干扰:双链RNA引起的基因沉默机制 表1 RNA干扰技术在疾病治疗中的应用 Tab.1 TheapplicationofRNAinterferenceingenetherapy 分类 疾病名称 目标基因 神经系统疾病 肌萎缩侧索硬化症 (Amyotrophiclateralsclerosis)SOD1 脊髓小脑性共济失调 (Spinocerebellarataxia) Ataxin1 Huntington病 (Huntington'sdisease) Huntington 神经病变性疼痛 (Neuropathicpain) P2X3cationchannel 眼部疾病 眼部感染 (Inflammationineye) TGFβRII 老年性黄斑部退行性病变 (AMD) VEGF 单纯疱疹性角膜基质炎(Herpeticstromalkeratitis)VEGF/R 炎症 类风湿性关节炎(Rheumatoidarthritis) TNFα 细胞程序性凋亡 急性肝功能丧失(Acuteliverfailure) Fas,Caspase8 肝缺血(Liverischemia/reperfusion) Caspase8/3 肾缺血(Renalischemia/reperfusion) Fas 肺缺血(Lungischemia/reperfusion) Hemeoxygenase1 代谢性疾病 肥胖症(Obesity) AGRP 表 % &’( 干扰技术在疾病治疗中的应用 /4<. % /01 4==>,34tionofRNAinterferenceingenetherapy 7 Vol.24 No.12 2006(SumNo.222) genesintrans[J].PlantCell,1990,(2): 279-289. 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(责任编辑 李慧政 ) 收稿日期:2006-11-19 作者简介:姜 琳,女,北京大屯路15号中国科学院生物物理研究所计算与系统生物学研究中心,研究生,主要研究方向为RNA组学 殷勤伟(通讯作者),男,北京大屯路15号中国科学院生物物理研究所,研究员,主要从事转录组学和小 RNA的研究;E-mail: jqwyin@sun5.ibp.ac.cn 1引言 瑞典皇家科学院 10月 4日宣布,美国 斯坦福大学医学院教授罗杰·科恩伯格 RogerD.Kornberg因在“真核转录的分子基 础”研究领域所作出的杰出贡献,而独自获 得2006年度诺贝尔化学奖[1-3]。 RogerD.Kornberg现年 59岁,1947年 出生于美国密苏里州圣路易市,在斯坦福 大学获得博士学位,目前供职于该大学医 真核转录的分子基础 ———2006年诺贝尔化学奖成果简介 TheMolecularBasisofEukaryoticTranscription:AnIntroductiontotheNobel PrizeinChemistry2006 姜 琳/JIANGLin,殷勤伟/YINQin-wei 中国科学院生物物理研究所计算与系统生物学研究中心,北京 100101 ComputationalandSystemsBiologyResearchCenter,InstituteofBiophysics,CAS,Beijing100101,China [摘要] 美国斯坦福大学医学院教授 RogerD.Kornberg被授予 2006年度诺贝尔化学奖,以表彰他在“真核转录的分子基础”研究领域 所作出的杰出贡献。Kornberg的贡献在于,其花费 10年时间构建了体外酵母细胞转录体系,并将结晶学与生化知识相结合,描述了 RNA聚合酶II及包括通用转录因子、调节器、DNA和RNA在内的复合物结构图。此外,他还首先在分子水平上阐明了真核细胞中转录 机制的全过程。现有的证据表明转录分子机制的研究对于各种疾病的治疗以及干细胞的分化调节均具有重大的实际意义。 [关键词] 诺贝尔化学奖;真核转录;RNA聚合酶II;调节器;酵母细胞转录体系 [中图分类号]O629.72,Q519 [文献标示码]A [文章编号]1000-7857(2006)12-0008-04 Abstract:TheNobelPrizeinChemistry2006wasawardedtoRogerD.Kornbergforhisfundamentalstudyofthemolecularbasisof eukaryotictranscription.RogerD.Kornbergspenttenyearsindevelopinganinvitroyeasttranscriptionsystem,anddepictedpicturesofRNA polymeraseIIandothercomplexescontaininggeneraltranscriptionfactors,Mediator,DNAandRNAbycombiningcrystallographywith biochemicalknowledge.Furthermore,hefirstlyillustratedthewholeprocessofhowtranscriptionworksatamolecularlevelinaeukaryotic cell.Accumulativeevidencedemonstratesthatthestudyofmolecularmechanismsofeukaryotictranscriptionplaysimportantrolesinthe treatmentofdiseasesandtheregulationofstem-celldevelopment. KeyWords:NobelPrizeinChemistry;eukaryotictranscription;RNApolymeraseII;mediator;yeasttranscriptionsystem CLCNumbers:O629.72,Q519 DocumentCode:A ArticleID:1000-7857(2006)12-0008-04 姜 琳,等:真核转录的分子基础 8