siRNA与真核生物

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发布日期：2011-01-14 11:09 文章来源：美国GeneCopoeia（复能基因）
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关键词： GeneCopoeia RNAi 　 点击次数：

真核生物细胞会利用小非编码RNA（small non-coding RNA）调控基因表达，控制细胞代谢、生长及分化进程，从而维持细胞基因组的完整性，并帮助细胞对抗病毒以及其它各种“漂移的”遗传物质的侵袭和干扰。细胞主要依靠两种特殊的核糖核酸酶——Dicer酶和Argonaute蛋白来行使上述功能，它们可以调控细胞小调控RNA（small regulatory RNA）的生成及其功能。Dicer酶可以剪切dsRNA前体物质，在胞质中生成小干扰RNA和miRNA。这些小RNA分子生成之后就被“转交”给Argonaute蛋白，在Argonaute蛋白的帮助下以序列特异性互补的方式沉默某些mRNA分子的表达，其作用机制既可以是直接将该mRNA分子酶切降解，也可以是抑制其翻译。因此，更多地了解Dicer酶和Argonaute蛋白的分子结构信息以及它们与小RNA分子之间的结合及解离情况都能够告诉我们更多有用的信息，帮助我们更好地了解RNA沉默的分子机制。

在真核细胞中发现了RNAi机制及其相关小RNA介导的调控通路在基因表达沉默方面所具有的重要地位之后，我们对于基因表达调控机制的理解产生了深刻的变化。据估计，至少有30%的人类基因表达受到了小RNA分子当中的miRNA分子的调控。在牵牛花（petunia）、线虫（nematode）、果蝇（fruitfly）、斑马鱼（zebrafish）以及小鼠等多个物种当中，如果在编码蛋白或RNAi途径中所需的各种小RNA分子的遗传区域里发生了突变，将会对细胞的生长和发育产生严重，有时甚至是致命性的后果。这些发现也让我们产生了很多疑问，比如细胞为何会进化出这种在各物种间广泛分布的，依靠RNA分子来介导的基因表达调控机制？这种机制又是如何进化发展的？这种基因表达调控机制又是如何帮助细胞在各种内部和外部刺激因子的作用下面对细胞的基因表达进行精细调控的呢？

RNA干扰以及相关的基因表达沉默途径都是由只有20~30 nt的小RNA分子启动的，这些小RNA分子中含有与受其调控的靶标序列互补的序列。这些小RNA分子主要分为三大类，分别是小干扰RNA（siRNA）、微小RNA（miRNA）以及PIWI相结合RNA（piRNA）。在背景知识框1中我们将详细的介绍上述三种小RNA分子的来源情况以及它们的作用机制。

各种生化研究以及结构生理学研究都已经非常详细地向我们揭示了RNAi途径的分子机制以及该途径可能的进化历程。有文献从结构学的角度向我们介绍了病毒通过抑制宿主细胞的RNAi途径来帮助自身复制传播的机制。本文主要关注两种核糖核酸酶——Dicer和Argonaute。其中，Dicer在siRNA和miRNA合成途径当中主要起到分子尺的作用，而Argonaute则是一种广泛存在的，在RNA分子指引作用下对RNA靶分子发挥剪切或抑制作用的蛋白。最近，有科学家运用上述两种核糖核酸酶的分子结构信息来深入解析RNA沉默的分子机制。
  

小调控RNA分子是一种非编码RNA分子，它们能够以序列特异性的方式沉默目的RNA。从图a中可以发现，siRNA可以通过核酸内切酶的切割作用来下调目的RNA的丰度，从而达到RNA干扰的目的，而且图中每一条RNA分子的大小并不一致。siRNA这种小RNA分子来源于长dsRNA分子，这些前体分子可能是RNA病毒的复制产物，也有可能是聚合的细胞基因转录产物或者是其它外源性转入的遗传物质、自我退火配对的转录产物或实验中转染的实验材料等。

核酸内切酶Dicer能够起到分子尺的作用，按照21~25 nt的距离来切割dsRNA。经Dicer酶剪切之后，siRNA双链产物当中的一条链，即向导链会与RISC中处于核心位置的Argonaute蛋白相结合。在图中为了简化起见，我们就以Argonaute蛋白来替代RISC复合体了。siRNA与Argonaute蛋白的结合发生在RISC复合体当中，RISC复合体由Argonaute蛋白、Dicer蛋白、dsRNA结合蛋白（该蛋白在人体细胞中名为TRBP蛋白）等三种组分构成。在siRNA与Argonaute蛋白的结合过程中，随从链会被Argonaute蛋白切割、释放出来。然后，Argonaute蛋白会在向导链的“指引”下找到目的RNA（即能够与向导链互补配对的RNA），并将之切割、降解，然后释放出来。这样RISC复合体又能进入下一轮RNA沉默途径，继续发挥作用。

miRNA分子是由细胞基因组自身编码产生的。植物细胞中的miRNA分子和siRNA分子一样，可以介导剪切方式来沉默目的mRNA分子，但是动物细胞中的miRNA则不是通过剪切途径来达到RNA沉默目的的，详见图b。miRNA分子由细胞内源性的、名为初级转录产物，即pri-miRNA的miRNA基因转录而来。pri-miRNA含有一个长约65~70 nt的茎环结构。核内pri-miRNA的发夹结构会被Drosha–DGCR8复合体切除，从而生成miRNA前体分子，即pre-miRNA。然后pre-miRNA转移到胞质中，在Dicer酶的切割作用下生成miRNA–miRNA*双链产物。其中miRNA相当于向导链，miRNA*相当于随从链。然后向导链与Argonaute蛋白相结合。通常情况下，动物细胞的miRNA都只能够与目的mRNA分子3’端非翻译区的序列部分互补，所以这种不完全互补产物就无法通过Argonaute蛋白进行切割、降解。

另外，还有一些参与miRNA作用途径的Argonaute蛋白缺乏切割活性位点。我们目前还没有完全弄清楚miRNA分子介导的RNA干扰机制，但是我们认为该途径是通过抑制目的mRNA分子的翻译以及去除目的mRNA分子的多聚A尾（即脱腺苷化作用），并促使其降解的方式来完成RNA干扰作用的。

piRNA是一种长约24~31 nt的小RNA分子，它们见于哺乳动物生殖细胞，能够沉默转座子等“漂移”性遗传物质。我们对piRNA分子的来源和作用机制知之甚少。图c给出了黑腹果蝇细胞里piRNA的来源及作用机制模式图。piRNA的前体是一单链RNA分子，因为piRNA的合成不需要Dicer酶的参与。piRNA能够交替促使正义转座子转录产物和反义转座子转录产物被切割、降解。该过程由Argonaute家族成员PIWI蛋白负责完成。PIWI蛋白家族包括PIWI蛋白、Aubergine （AUB）蛋白和黑腹果蝇细胞中的Argonaute 3（AGO3）蛋白。在PIWI蛋白或者AUB蛋白介导的正义转录产物降解过程中会生成正义piRNA，这种正义piRNA产物能够与AGO3蛋白一起降解反义转座子转录产物，在这个过程中又会得到反义piRNA产物，然后它又能够与PIWI蛋白和AUB蛋白相结合降解正义转座子转录产物并生成正义piRNA。如此循环往复。

编辑: helen

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