RNA介导的基因沉默

可特异性地导致mRNA的降解，特异性地抑制mRNA的翻译，所用的mRNA可以来自体内或体外。

RNA沉默机制及其介导的植物抗病毒基因工程研究进展

• 中文名称 RNA介导的基因沉默
• 外文名称 RNA-mediatedGene Silencing
• 正文 可特异性地导致mRNA的降解
• 摘要 RNA沉默是一种由双链RNA诱
• 免疫系统 事实上。一些细胞能够识别非必

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　　摘要:RNA沉默是一种由双链RNA诱导同源RNA降解的现象，是植物的一种天然抗病毒机制。但是由于长

　　期的共进化过程，一些病毒会在siRNA沉默途径除直绍面如燃术以及miRNA沉默途径中编码一些抑制蛋白来对抗这种机制，

　　使其作用受到抑制。文章对RNA沉默的发现、过程、抑制及其由RNA沉默介导的对RNA病毒、DNA病毒的抗

　　性、以及由转病毒基因介导的病毒抗性等几种植物抗病机制。同时，对研究中所存在的一些问题作了分析，并

　　RNA沉360百科默被认为是一种基于核酸的有青速诉效的免疫系统。事实上。一些细胞能够识别非必须的入侵外源某道使支来核酸.之后通过形成21-25较德附重远学文委个核苷酸长度的核酸介导这些入侵的外源核酸的降解，虽然这一过程的机制还不是很清楚。有关这一现象的一个典型的例子是Napoli十多年前在转基因矮牵牛中所做的实验。之后相类似的基因沉默现象在真核生物中也有报道，这其中包括有真菌和线虫.RNA沉默的分子基础也得到了一定的阐述⋯。RNA沉默开始于dsRNA的合成，之后这一双链RNA被一种称为Dicer的第三类RNA酶切割成21~25个核苷酸长度的小RNA。这些小RNA分子贯穿于整个RNA沉默的过程，在RNA沉默的过程中起重要作用。它们直接诱导一多组分复合物一RNA诱导沉默复合物(R笑劳件银ISC)结合外源RNA.这些外源RNA具有同源性。RISC总是包含一些Ago蛋白家族准成员，像人类中的A902蛋白【引，在RISC中表现出内切酶活性。RNA沉默的第一种独活亚利江天然的功能被认为是抵抗病毒入侵。之后又发现在植温叫础龙表油缺查前物RNA和DNA病毒的复制过程中有源自于病毒的小RNA的积累f3]，这些小RNA被认为引起病毒mR谓NA的切割，限制病毒的感染劳伤灯己命场。因为在RNA沉默过程中诸如验类获范突非探Dicer酶和Ago蛋白等一些基本核传印亮年蛋白存在于大部分的生物中，很自然人们就提块销协裂树出了RNA沉默作为一种保守的病毒防御机制在生职样并对怎些术任物中普遍存在。

　　1 RNA沉默的发现

　　公认的第一次发现RNA沉默这一现象的是由van der Krol，Napol空明医接除显无i以及他们的合作者所做的未能在转基因矮牵牛中过量表达查尔酮合成酶(CHS)的试验。他们得出:转基因RNA不仅抑制自身表达，也抑制内源基因的表达的结论，这一现象被称为共抑制(CO-suppression)。之后.研究者观察到沉默的GUS基因能够阻止携带有GUS序列的马铃薯X病毒(PVX)的积累。这一发现直接导致了后来被称为转录后基因沉默(PTGS)这样一种序列特异性抗病毒防御机制的提出。通过对表现出RNA沉默弱化现象的拟南芥不同突变种的鉴别，揭示了有关病毒诱导的基因沉默作用途径的更多细节(4】。到了1 999年由Hamilton署llBaulcombet5】证实具有转基因沉默现象的植物内有小的dsRNA累积，而dsRNA与转基因高度同源。真正具有开创性意义的工作是由Fire和他的合作者四完成。他们发现:只要给秀丽杆菌注入少剂量的dsRNA，虫体内就能被诱导产生他们称之为RNA沉默的现象。通过不同生物RNA沉默路径的阻断实验。科学家发现:RNA沉默具有很强的保守性，表明它在生物的发育、基因调节、抗病毒以及染色体构建等方面作为一种古老的机制而发挥重要的作用。

　　2 RNA沉默的过程

　　在植物中，控制病毒粒子的复制被认为是RNA沉默众多作用中最主要的一种。尽管表达转基因RNA可以引起RNA沉默.自然状态下的RNA沉默更具适应性，通过识别"外来"分子而启动这一过程。这种识别随后被转化为"效应"、"记忆"以及"预警"信号而传递给整个植株。双链RNA分子被认为是最适宜的RNA沉默启动者。因为绝大多数的病毒都是RNA病毒.通过形成双链RNA复制酶进行病毒复制。所以假定这些分子为RNA沉默的引发者显得很有意思。然而，情况要复杂得多.虽然大部分植物RNA病毒经由双链而复制，但是这些RNA处于裸露状态的概率却很小，因为复制复合体被病毒复制蛋白和(或)衣壳蛋白所保护。病毒的复制通常发生在特定的复制区域.同时dsRNA在病毒或者宿主RNA解旋酶的作用下立即变得松散[7】。我们认为病毒的mRNA。也许会被植物定义为"异种"(aberrant)，它将会是一种重要的对象。也能够在RNA依赖性RNA聚合酶(RdRP)的作用下形成双链RNA。这样就可以说明当植物感染单链DNA病毒一双联病毒(Geminiviruses)后形成病毒特异性的siRNA这一现象隅]。拟南芥的染色体编码4种能将dsRNA切割成siRNA分子的类Dicer酶【9]。在一个正常的病毒感染的过程中.植物包含有大量的病毒来源的siRNA分子。这些siRNA随后被用于两个方面:一方面siRNA结构变得松散.其中的一条链组合进入RNA诱导的RNA沉默复合物(RISC)，定位和降解与siRNA同源的靶RNA;另一方面，植物中的RdRP利用siRNA作为同源mRNA的引物来合成dsRNA.之后dsRNA又被Dicer酶加工成次级siRNA。后一步导致了细胞内沉默信号的放大。植物中，RNA沉默通道中所形成的siRNA能够从mRNA目的位置的5'端和3'端合成，表明传递性是双向的。而在线虫中，次级siRNA却只能从mRNA目的位置的5'端合成[10]。这可能与植物中siRNA的每一条链都比较稳定而在线虫中只有负链稳定有关。哺乳动物中，沉默信号的传递性据称是不存在的。内源性的RdRP同时也被证实不是这一过程所必须的。在所有的真核生物RNA沉默过程中，2Ints的siRNA都能被观察到并被认为是起到局部RNA沉默的作用⋯】，这种长度的siRNA引起的沉默信号传递是短距离的。在没有信号放大的情况下能传播10-15个细胞f12]。但是，在植物中还能够产生一系列大小约为24nts的siRNA⋯。这些较长的siRNA可能与沉默信号的远距离传递有关。这一能力使得植物RNA沉默通道中产生的siRNA能够先于病毒在邻近的细胞之问传递。RISC也被认为是事先被编码好的.配合siRNA.迅速识别和消灭人侵病毒。

　　3 RNA沉默的抑制作为一种对抗机制

　　许多植物和动物病毒通过编码抑制蛋白阻断宿主的RNA沉默进程，这一阻断作用发生在siRNA沉默途径以及大部分的miRNA沉默途径中的各个阶段[13，14】。抑制蛋白在siRNA引导的RNA沉默的抑制过程中能够抑制甚至是完全祛除siRNA的作用。抑制蛋白对miRNA引起的拟南芥RNA沉默的作用是导致拟南芥发育缺陷.这一缺陷是由Agol部分突变以及改变其他一些基冈的表达效率所致，这些相关基因主要在miRNA的合成以及植物体的新陈代谢过程中起作用。通过对一些沉默抑制蛋白的研究，对于它们的分子作用机理有了较深的了解，而这其中理解最透彻的是番茄丛矮病毒科病毒编码的P19蛋白。P19蛋白并没有影响由dsRNA形成siRNA的过程，但形成同向二聚体与siRNA结合在一起，阻止siRNA进入RISC[15,161。这样，RNA沉默的效应物包括RISC就不能被激活。原来认为P21蛋白不影响细胞自主性RNA沉默。最近有研究指出。P19蛋白抑制RISC的活性与细胞自主性RNA沉默是联系在一起的rl71。但是，对于番茄从矮病毒属病毒的感染，这一作用可以忽略掉.因为细胞自主性RNA沉默无法与快速复制的兰花环斑病毒(CymRSV)相抗争;在编码抑制蛋白基因突变的植物细胞质中，病毒粒子大量聚集。但是，细胞自主性RNA沉默对于控制那些复制较慢的诸如马铃薯Y病毒属的病毒来说却是极为重要的.因为带有HC-Pro基阑突变的烟草蚀纹病毒在细胞质里不能聚集。甜菜黄化病毒编码的P21抑制蛋白和芜菁花叶病毒编码的P1/HC-Pro抑制蛋白可能具有和P19蛋白相类似的作用机制。对其他一些沉默抑制蛋白的作用机理也有一些假设.诸如兽棚病毒(一种寄生在果蝇等昆虫体内的小RNA病毒)通过编码的B2蛋白结合dsRNA和siRNA抑制siRNA的形成¨8】:P38蛋白直接抑制DCLl(RNaseHI家族的Dicer同源物)的活性c19]。黄瓜花叶病毒(CMV)编码的2b蛋白是最早鉴定出的可以抑制转录后基因沉默(PTGS)的两种抑制蛋白之一。一直以来科学家认为2 b蛋白对miRNA引起的RNA沉默很少甚至是不起作用。最近对2 b抑制蛋白的作用机制的研究又有了新的进展。通过诱导Agol等位基因部分突变。科学家发现:CMV编码的2 b蛋白能够阻断miRNA引起的RNA沉默过程。最终引起植物生长的变异m211，其途径主要通过直接与Agol蛋白酶结合，阻止其进入RISC，抑制其切割活性直接削弱RNA沉默以对抗宿主的防御体系。

　　4 RNA沉默介导的植物抗病毒基因工程

　　4.1 RNA介导的对RNA病毒的抗性

　　科学家发现。转基因表达病毒编码蛋白的含量经常与植株所表现出来的病毒抗性不相关。一些试验中表达的病毒相关蛋白含量极低甚至检测不到，但植株仍表现出很高的病毒抗性.随后通过表达非翻译的转基因提出了转基因产生的RNA可以介导植物产生病毒抗性。Lindbo等五最先把这一现象和先前的共抑现象联系起来.提出转基因能够诱导出所有与转基因序列相一致的RNA的观点。在转病毒基因这一过程中能够诱导植株产生抗病性。这一RNA的特异性识别序列主要是由转基因产生的siRNA所决定。因为在感染病毒和类病毒的野生型植株中也发现了sir.NA.不难得出RNA介导的病毒抗性是植物中天然存在的一种防御机制的结论。科研人员通过构建反向重复(IR)序列siRNA的前体dsRNA对这一问题进行深入研究.发现反向重复序列的构建能够显著提高转基因植物的抗性∞J。一般来说，转病毒单链正义或者反义基因赋予植物的病毒抗性只有20%左右.但是转入能够产生dsRNA的IR序列的植物对病毒的抗性却高达90%圳。很多试验都已证明转病毒正链RNA不能获得满意抗病性。而构建IR转基因序列是一种获得高效抗病性转基因植物的重要途径。由Tougou等人完成的工作使这种植物抗病性策略的有效性得到了佐证瞄】。大豆矮缩病毒(SbDV)是一种正义单链RNA病毒.之前从未见过有关抗SbDV转基阂大豆的报道，他们通过转入被GUS基因间隔的SbDV外壳蛋白(coat protein)的反向重复序列(分别来自于病毒的正义链和反义链)成功获得了抗SbDV的转基因大豆。研究人员在70株潜在的转基因植株中筛选出3株成功转入该目的基因的植株。56个T1代植株中有38株含有CP基因，通过蚜虫接种SbDV病毒发现8株对SbDV表现出较强抗性，其中3株含有与SbDV.CP具有同源性的siRNA不含有SbDV特异性的RNA。另外5株两者兼有，因此siRNA的产生直接导致了转基因植物中病毒序列特异性的RNA诱导的沉默复合物(RNA.induced silencing complex，RISC)的出现，且RISC的出现先于感病症状的出现。当病毒感染植株时，在病毒编码的沉默抑制蛋白发挥作用前。病毒RNA就已经被快速而有效地识别并降解了。这一过程与病毒常规感染植株过程形成了鲜明的对比:病毒常规感染过程中。RNA沉默过程的滞后使病毒基因编码的沉默抑制蛋白可以发挥作用对抗RNA沉默。研究还发现。RNA介导的植物抗病性的一个缺陷是当转基因序列和病毒基因序列的非同源性高于10%的时候，转基因就很难赋予植物抗病性[矧。为了获得广谱的病毒抗性，Bucher等四构建了一种全新的IR序列，这一序列融合了来自番茄斑萎病毒属4个不同病毒种的长150nts的核苷酸序列。这一策略获得了比较好的效果，此举说明通过附加更多的病毒相关序列扩充转基因结构。能够使转基因植物获得更为广谱的抗性。

　　4.2 RNA介导的对DNA病毒的抗性

　　感染了RNA病毒的植物细胞会产生病毒特异性的siRNA。这些siRNA被认为来自于病毒RNA复制过程中形成的dsRNA断裂产物或者来自病毒RNA的二级结构。很有意思的事情是，一些植物DNA病毒，象花椰菜花叶病毒属和双病毒科中的一些种也是RNA沉默的对象[28,29J。在某些情况下。这种作用机制能让植物从病毒感染中恢复过来，表明RNA沉默是一种广泛存在的植物天然抗病毒策略。通过向植物转入DNA病毒的正义和反义链RNA，科学家成功获得了抗番茄金色花叶病毒(TGMV)、番茄黄曲叶病毒(TYLCV)以及番茄黄叶卷曲撒丁岛病毒(TYLCSV)的株系。为进一步提高转基因植物抗病性。Pooggin等i30通过在植物中表达菜豆金色花叶病毒属黑鹰嘴豆黄花叶病毒(VMYMV)基因组某区域的IR结构，获得了抗病恢复系植株。Zrachya及其同事[3¨通过构建针对CP基阕的IR序列获得了抗番茄黄曲叶病毒的转基岗植物。同样的，Noris等[321和Ribeiro等[33】通过转基因手段在植物中表达病毒相关的siR.NA，分别获得了对番茄黄叶卷曲病毒(TYLCSV)和番茄褪绿斑驳病毒(ToCMoV)抗性的植株。与抗RNA病毒株形成鲜明对比的是对DNA病毒产生完全免疫的转基闪植株尚未得到.这也说明病毒mRNA是RNA沉默的主要对象。

　　4.3转外壳蛋白基因介导的病毒抗性在植物中转入某一病毒外壳蛋白(coat pro.tein)基因，可以使植物产生对相关病毒的抗性，这一过程称为外壳蛋白介导的抗性(coat protein.mediated resistance，CPMR)。CPMR的分子机制目前尚未完全弄清楚，针对不同病毒的CPMR分子作用机制很不相同阻】。最近研究发现，由转外壳蛋白基因介导的抗性有可能不仅仅和外壳蛋白有关.还和RNA介导的抗性有关--高水平或者是广谱的植物病毒抗性是由外壳蛋白和RNA干扰共同引起的。在植物中表达番茄斑萎病毒(tomato spotted wilt virus.TSWV)的Ⅳ基因(nu-cleocapsid gene)所引起的受体植株的抗性被认为是由RNA沉默介导的[35J.但在试验植株中转基因的转录水平很低。植物获得的抗性也仅局限于针对TSWV供体株.对其它番茄斑萎病毒属成员并无抗性。由Kertbundit等人完成的工作也提到了转番木瓜环斑病毒CP基因赋予番木瓜对病毒的抗性也是由RNA沉默所介导的m].通过基因枪法获得了8株表现病毒抗性的转基因植株，Nothern blotting分析得知凹基因在7株中转录.但其中只有2株获得表达蛋白。上述这些结果表明转基因植株获得的病毒抗性不是由coat pro.tein所引起而是由RNA沉默所介导的。对这一现象的解释是:粒子枪轰击将外源基因整合到宿主染色体上是一个相当复杂的过程.在整合位点上通常包含有多拷贝的转基因，这些转基因存在一定程度的重排;重排导致的基因融合、反向重复就有可能引起转录后基因沉默(PTGS)。Tougou等∞J通过转大豆矮缩病毒(Soybean dwarf virusSbDV)cP基因的正链RNA到大豆中获得了对这一病毒的抗性.样株6产生的39株他中有29株显示了SbDV抗性，且均可育，Nothern blotting可检测到SbDV.CP的mRNA。接种病毒后，可检测到SbDV特异性siRNA.未检测到其他SbDV特异性RNA，说明转基因植株对SbDV的抗性也是由RNA沉默引起的。

　　5 问题和展望

　　近几年对RNA沉默机制的研究取得了较大的进展.对RNA沉默组成原件以及路径有了更加深入的了解。但是，在这一过程当中还是存在很多问题有待解决。比如说最近的研究发现人类细胞中存在有大量的和siRNA以及miRNA相类似的小RNA存在。他们的潜在功能是调节几乎所有的人类基因的表达。那么在RNA沉默过程当中到底牵涉有多少种的小RNA呢?这些小RNA又是如何产生的?而他们具体的生物学功能又是什么?他们又是如何调控RNA沉默路径的呢?在这其中又包含有一个潜在的问题:因为这些小RNA在5'端和3'端∞3都产生过修饰.目前的测序手段不能保证对这些小RNA进行完整的测定。但是下一代r圳测序手段应该能够揭示这些小RNA的分子信息。对RNA沉默介导的植物抗病性的研究仍在继续深入，在研究过程中一些新的现象伴随着问题出现在研究者的面前:如甲基化[幻】、转基因拷贝数、转基因纯合抑或杂合态、RNA沉默的发生位点以及环境因素等等如何对RNA沉默产生影响?对这些问题的进一步研究将大大促进对这一广泛存在的植物天然抗病毒机制的深入了解。以RNA沉默作为理论基础的研究在植物抗病毒的研究中表现出很高的应用潜力。这是因为，同以往的复制酶基因以及衣壳蛋白基因介导的植物病毒抗性相比较，它更为高效，特异性更强。虽然现在该技术离真正实现商业化利用比较遥远，RNA沉默的分子机制也还没有完全搞清楚，而且病毒还编码各种RNA沉默抑制子来对抗这一机制。但是，随着研究工作的深入，相信其分子机制的神秘面纱终究会被揭示.而基于这一理论基础的植物抗病毒基因丁程亦将蓬勃发展.在植物抗病性研究和应用领域发挥重要作用。