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诺 贝 尔 奖 与 RNA 干 扰
安徽省庐江县泥河中学（231561） 李成云
摘 要 2006年度诺贝尔生理学或医学奖业已揭晓，美国科学家法尔和梅洛因发现了RNA干扰（RNAi）机理而获此殊荣。RNAi现象的存在使生物在自然状况下能够很好的抵御外源基因的干扰，促进机体正常生长发育；作为技术，RNAi在生命科学研究中也将具有极其广阔的应用前景。
关键词 RNA干扰 ds RNA siRNA RISC
[Abstract] The Nobel prize for physiology or medicine has already been made known in 2006,American scientist Fire and Mello were honoured for the discoovery of RNA interference with mechanism. In the natural state, The existence of RNAi phenomenon makes the living things resist the interference of the other source gene, and impel the organism to grow normally. As technology, RNAi will have extremely extensive application prospects in the scientific research of the life ，too.
[Key words ] RNA interference dsRNA siRNA RISC
2006年10月2日，瑞典卡罗林斯卡医学院宣布，将本年度诺贝尔生理学或医学奖授予美国科学家安德鲁·法尔(Andrew Fire)和克雷格·梅洛(Craig Mello)，以表彰他们发现了ＲＮＡ干扰（RNA interference, 简称RNAi ）机理。颁奖词中指出，ＲＮＡ干扰已被广泛用作研究基因功能的一种手段，并有望在未来帮助科学家开发出治疗疾病的新疗法。
1. RNAi背景
RNAi 即RNA干扰，是近年来发现的在生物界普遍存在的一种古老的生物学现象,是生物进化的产物。具体是指由双链RNA（Double Strand RNA简称dsRNA）指导的，在特定酶参与下，以外源或内源mRNA为降解目标，在转录后水平上使特异性靶基因发生的沉默现象（即不表达）。目前研究表明：RNAi 广泛存在于从真菌到高等植物、从无脊椎动物到哺乳动物的大多数真核生物中，原核生物暂未发现。RNAi不仅参与了细胞正常的生长、发育、衰老和凋亡的调控，还可使外源基因导入时或病毒入侵后基因不被表达，从而成为生物体的一种有效的特异性自我防御机制。
2. RNAi的发现
早在1990年，科学家（Rich Jorgensen）将产生紫色素的基因转入开紫花的矮牵牛中，希望得到紫色更深的花，但意想不到的事发生了：矮牵牛花完全褪色，花瓣变成了白色，当时认为这是矮牵牛本来有的紫色素基因和转入的外来紫色素基因都失去了功能，并将之称为协同抑制。1995年，康奈尔大学的Su Guo博士在用反义RNA阻断线虫基因表达的试验中发现：反义RNA（anti sense RNA）和正义RNA（ sense RNA）都阻断了基因的表达，他们对这个结果百思不得其解。直到1998年2月，华盛顿卡耐基研究院的Andrew Fire 和马萨诸塞大学癌症中心的Craig Mello才首次揭开这个悬疑：他们认为Su Guo遇到的正义RNA抑制基因表达的现象，是由于体外转录所得RNA中污染了微量双链RNA而引起，当他们将体外转录得到的单链RNA纯化后注射线虫，基因抑制效应变得十分微弱，而经过纯化的双链RNA却正好相反，结果诱发了比正义RNA和反义RNA单独导入时都要强得多的基因沉默，并将这种由dsRNA引发的特定基因表达受抑制的现象称为RNA干扰（RNAi）。
3. RNAi机理
RNAi主要通过以下步骤实现：
第一步 dsRNA的形成
dsRNA是诱导细胞RNAi的关键物。自然情况下细胞中dsRNA 可通过多种途径形成：如基因组中DNA 反向重复序列的转录产物;DNA 同时转录了反义RNA和正义RNA的互相结合;病毒RNA 复制中间体;以及以细胞中单链RNA 为模板，由细胞或病毒的RNA 在有关酶的催化下合成dsRNA等。
第二步 siRNA(干扰性小RNA small interfering RNA，简称siRNA)的形成
dsRNA首先要在细胞中大量扩增，当其在细胞中达到一定量的时候，会被一种特异性的关键酶（核酸内切酶Dicer）识别并与之结合形成酶-dsRNA复合体。在该酶的作用下，细胞中的单链靶mRNA会与dsRNA的正义链发生链互换，原先dsRNA中的正义链被mRNA代替，从酶-dsRNA复合物中释放出来，而mRNA则处于原先的正义链的位置。RNA酶在同样位置对mRNA进行切割，这样就产生了21-23核苷酸( nt )长的dsRNA小片段，称之为siRNA。siRNA具有一些特征性结构：即siRNA 的序列与所作用的靶mRNA 序列具有同源性; siRNA 两条单链末端为5′端磷酸和3′端羟基。此外,每条单链的3′端均有2～3 个突出的非配对的碱基，这种结构形式对siRNA进入蛋白复合体是必须的。siRNA是RNAi 赖以发生的重要中间效应分子。
第三步 RISC的形成和发挥效应
siRNA和核糖核酸酶复合物结合，形成RNA诱导的基因沉默复合体（RNA-induced silencing complex， 简称 RISC）。 RISC 由多种蛋白成分组成,包括内切核酸酶、外切核酸酶、解旋酶和同源RNA 链搜索活性酶等。 随之, 该复合体中的siRNA依赖ATP水解释放的能量而解旋，双链转变成单链而使复合体被激活，得到活性RISC。活性RISC寻找到靶mRNA后，由RISC中siRNA反义链与mRNA互补区域结合，随后由RNA酶切割mRNA，从而阻断了RNA的翻译，达到在RNA水平上干扰基因表达的效果，故称RNA干扰（RNAi ）。
当然，为了保证RNAi的 高效性和高成功率，siRNA 还建立了特殊的保障机制。siRNA 形成后可另外作为一种特殊引物,在RNA 依赖RNA聚合酶（RNA-dependent RNA polymerase， 简称 RdRp) 作用下以靶mRNA 为模板合成dsRNA,后者在Dicer酶的作用下又可被降解形成新的siRNA， 这些新生成的siRNA再进入上述循环，此过程称为随机降解性多聚酶链式反应。这种级联放大作用导致靶mRNA快速减少，这样使RNAi的特异性基因监视、沉默功能大大增强（RNA干扰效果增强），每个细胞只需要少量dsRNA 即能迅速、完全地关闭相应基因的表达。
RNAi机理图解
4. RNAi的应用
自然存在的RNAi现象具有十分重要的生物学意义，受其启发，应运而生的RNAi技术在生命科学研究中也具有极其广阔的应用前景。
4.1 疾病治疗
美国西北大学神经生物学教授饶毅评论RNAi发现时说，“这是最漂亮的一类研究，法尔和梅洛的发现不仅打开了一个新的研究领域，而且提出了一种新的方法。因此它既是一项科学发现，也是一项技术发明。它起始于小虫子的基础研究，却导致了治疗许多人类疾病的技术出现”。从某种意义上说，生物的大部分疾病都属基因病，即与基因的表达有关。RNAi可以直接用于疾病相关基因的抑制，从而达到疾病治疗或预防的目的。因此，可以预料，RNAi技术将为人类征服动、植物及人类自身的各种疾病带来新的曙光。例如在抗肿瘤治疗中，RNAi可用于抑制癌基因的表达；对传染性疾病的治疗思路是根据病原体如病毒、细菌等的致病基因序列，以及生物体内与疾病发生相关的基因序列，设计和制备与这些基因序列有同源序列的dsRNA，转入动植物内使有关的疾病基因“沉默”，从而达到治疗的效果。以AIDS治疗为例，原理是利用siRNA抑制病毒再生或传染所需的蛋白质的生成，它的优势在于能够不损伤细胞而只抑制病毒蛋白质，其专一性是其他药物所难以具备的。
4.2 功能基因组的研究
人类基因组计划已经进入功能基因组研究时期，在此研究中，需要对特定基因进行功能丧失或降低突变，以确定其特性。由于RNAi具有高度的序列专一性，可以准确地使特定基因沉默，获得功能丧失或降低突变，因此RNAi将在基因功能的解读中大显身手，并在基因功能组学领域带来一场真正的革命，彻底改变这个领域的研究步伐。随着人们对多种生物体基因组序列研究的深入，RNAi技术可以帮助我们更细致地了解不同生物的千变万化的生理学过程。RNAi技术一旦与基因组学、蛋白质组学和功能蛋白质组学有机、成熟地结合，又必将为整个生物工程的迅猛发展带来千载难逢的机遇。
另外，RNAi技术还会在干细胞及细胞分化、生物进化等研究领域一展身手。
参考文献
1 Mario Stevenson . Dissecting HIV-1 Through RNA Interference . Nature Reviews Immunology ，2003（3）: 851-858.
2 Waterhouse and helliwell. Exploring Plant Genomes by RNA-induced Gene Silencing. Nature Reviews Genetics，2003（4）：29-38.
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