RNA干擾現象

**RNA 干擾**（**RNA** **i**nterference，縮寫為 **RNAi**）是指一種分子生物學上由雙鏈 RNA 誘發的基因沉默現象，其機制是通過阻礙特定基因的轉錄或轉譯來抑制基因表現。當細胞中導入與內源性 mRNA 編碼區同源的雙鏈 RNA 時，該 mRNA 發生降解而導致基因表現沉默。與其它基因沉默現象不同的是，在植物和線蟲中，RNAi 具有傳遞性，可在細胞之間傳播，此現象被稱作全身性 RNA 干擾（systemic RNAi）。在秀麗隱杆線蟲上實驗時還可使子一代產生基因突變，甚至於可用餵食細菌給線蟲的方式讓線蟲得以產生 RNA 干擾現象。RNAi 現象在生物中普遍存在。2006 年，安德魯・法厄（Andrew Z. Fire）與克雷格・梅洛（Craig C. Mello）由於在秀麗隱杆線蟲的 RNAi 機制研究中的貢獻而共同獲得諾貝爾生理及醫學獎。

RNAi 與**轉錄後基因沉默**（post-transcriptional gene silencing and transgene silencing）在分子層次上被證實是同一種現象。

## 發現

RNA 干擾現象是 1990 年由約根森（Jorgensen）研究小組在研究查爾酮合成酶對花青素合成速度的影響時所發現，為得到顏色更深的矮牽牛花而過量表現查爾酮合成酶，結果意外得到了白色和白紫雜色的矮牽牛花，並且過量表現查爾酮合成酶的矮牽牛花中查爾酮合成酶的濃度比正常矮牽牛花中的濃度低 50 倍。約根森推測外源轉入的編碼查爾酮合成酶的基因同時抑制了花中內源查爾酮合成酶基因的表現。

1992 年，羅馬諾（Romano）和 Macino 也在粉色麵包黴菌中發現了外源導入基因可以抑制具有同源序列的內源基因的表現。1995 年，Guo 和 Kemphues 在線蟲中也發現了 RNA 干擾現象。

1998 年，安德魯・法厄（Andrew Z. Fire）等在秀麗隱杆線蟲（C.elegans）中進行反義 RNA 抑制實驗時發現，作為對照加入的雙鏈 RNA 相比正義或反義 RNA 顯示出了更強的抑制效果。從與靶 mRNA 的分子量比考慮，加入的雙鏈 RNA 的抑制效果要強於理論上 1:1 配對時的抑制效果，因此推測在雙鏈 RNA 引導的抑制過程中存在某種擴增效應並且有某種酶活性參與其中。並且將這種現象命名為 RNA 干擾。

2006 年，安德魯・法厄與克雷格・梅洛（Craig C. Mello）由於在 RNAi 機制研究中的貢獻獲得諾貝爾生理及醫學獎。

## 機制

### siRNA

RNA 干擾作用是通過一類較穩定的中間介質實現的。對植物的研究證明，雙鏈 RNA 複合體先降解成為 35nt 左右的小 RNA 分子，然後他們通過序列互補與 mRNA 結合，從而導致 mRNA 降解。對果蠅的研究證明，長度為 21～23nt 的小 RNA 分子是引起 RNA 干擾現象的直接原因。這種小 RNA 分子被稱之為小干擾 RNA（small interfering RNA，siRNA）。

在 RNA 干擾中一個非常重要的酶是 RNaseIII 核酶家族的 Dicer。它可與雙鏈 RNA 結合，並將其剪切成 21～23nt 及 3' 端突出的小分子 RNA 片段，即 siRNA。隨後 siRNA 與若干個蛋白組成的，RNA 引起的稱之為 RNA 誘導沉默複合體（RNA-induced silencing complex，簡稱 RISC）結合，解旋成單鏈，並由該複合體主導 RNAi 效應。RISC 被活化後，活化型 RISC 受已成單鏈的 siRNA 引導（guide strand），序列特異性地結合在標靶 mRNA 上並切斷標靶 mRNA，引發靶 mRNA 的特異性分解。

迄今為止已鑑定出包括 Dicer 在內的若干個與 RNAi 有關的蛋白因子。在果蠅（Drosophila melanogaster）RISC 中，已知存在著稱為 Argonaute2（AGO2）的因子，AGO2 蛋白的表現受到抑制時，RNAi 效應缺失，也就是說 AGO2 是果蠅 RNAi 機制的必須因子。研究表明 Argonaute 家族蛋白具有 RNA 切割酶活性（slicer activity），RNAi 機制正是由 Argonaute 家族蛋白的 RNA 切割酶活性主導。另外，幾個 RNA 解旋酶（RNA helicase）也被鑑定為參與 RNAi 機制的因子。在秀麗隱杆線蟲（C. elegans）的 RNAi 中必須的因子有 EGO1，這是一種 RdRP（RNA-dependent RNA Polymerase），植物中也存在該蛋白同系物。RNAi 中 RdRP 是將標靶 mRNA 作為模板，以導入的 dsRNA（或 siRNA）作為引子合成 RNA，在細胞內針對於標靶 mRNA 合成新 siRNA 的酶。這一反應在一些生物的 RNAi 中為必須，但 RdRP 活性在人和果蠅的 RNAi 中是非必須的，這說明在不同物種之間 RNAi 機制的基本框架雖然相同，但存在著微妙差異。

### microRNA

在真核生物當中，還存在另外一種小分子 RNA（microRNA）也能引起 RNA 干擾現象。microRNA 大多 20-22nt 長，前體具有類似髮夾性的莖環結構。microRNA 產生於該莖環結構的雙鏈區。其特點與 siRNA 基本上相同。

### RNA 干擾的作用

2001 年，Tuschl 等將 siRNA 導入到哺乳動物細胞中並由此解決了在哺乳細胞內導入長的雙鏈 RNA 時引發的干擾素效應，由此拓展了 RNAi 在基因治療上應用前景。RNAi 機制普遍存在於動植物，尤其是低等生物中。因此被認為是進化上相對保守的基因表現調控機制。一種假說為，RNAi 機制是作為在 RNA 水平上抵禦病毒入侵的防禦機制而存在的。在病毒自身基因組所包含的，或在病毒複製過程中產生的雙鏈 RNA 可以被 Dicer 識別，從而引起病毒 RNA 降解。但是許多病毒為抵抗宿主的 RNA 干擾機制，會產生抑制宿主 RNA 干擾的蛋白，以保護病毒基因在宿主體內的順利複製。已經發現的可以抑制宿主 RNA 干擾的病毒蛋白有 potyviruses 編碼的 HC-PRO 蛋白、馬鈴薯 X 病毒編碼的 Cmv2b 蛋白、獸棚病毒編碼的 B2 蛋白等。

RNA 干擾也是抑制破壞基因結構的一種 DNA 片段轉錄子活性的重要方式。轉錄子通常以逆轉錄的方式在基因組中擴增。在逆轉錄過程中產生的雙鏈 RNA 分子可以被 Dicer 識別，從而被降解。

目前發現，RNAi 機制中的相關一些因子如內源性雙鏈 RNA 及蛋白因子可以在多種層次上對基因表現進行調控，其範圍已經超越了 PTGS（post transcriptional gene silencing），如 RNAi 機制同樣參與了轉錄水平上的基因表現調控過程中。

## 應用

RNAi 在基因靜默（silent gene）方面具有高效性和簡單性，所以是基因功能研究的重要工具。

大多數藥物屬於標靶基因（或疾病基因）的抑制劑，因此 RNAi 模擬了藥物的作用，這種功能丟失（LOF）的研究方法比傳統的功能獲得（GOF）方法更具優勢。因此，RNAi 在今天的製藥產業中是藥物靶標確認的一個重要工具。同時，那些在靶標實驗中證明有效的 siRNA/shRNA 本身還可以被進一步開發成為 RNAi 藥物。

在藥物標靶發現和確認方面，RNAi 技術已獲得了廣泛的應用。生物技術公司或製藥公司通常利用建立好的 RNAi 文庫來引入細胞，然後通過觀察細胞的表型變化來發現具有功能的基因。如可通過 RNAi 文庫介導的腫瘤細胞生長來發現能抑制腫瘤的基因。一旦所發現的基因屬於可用藥的靶標（如表現的蛋白在細胞膜上或被分泌出細胞外），就可以針對此靶標進行大規模的藥物篩選。此外，被發現的靶標還可用 RNAi 技術在細胞水平或動物體內進一步確認。

在疾病治療方面，雙鏈小分子 RNA 或 siRNA 已被用於臨床測試用於幾種疾病治療，如老年視黃斑退化、肌肉萎縮性側索硬化症、類風濕性關節炎、肥胖症等。在抗病毒治療方面，帕金森病等神經系統疾病已經開始初步採用 RNA 干擾療法。腫瘤治療方面也已經取得了一些成果。

## 參考文獻

### 引用

### 來源

**期刊文章**

* Recent develpment of RNAi in drug target discovery and validation, _Drug Disvoery Today: Technologies_.(2006)3:293-300.
* Development of new RNAi therapeutics, _Histology and Histopathology_. (2007)22:211-217.

**書籍**

* 《新藥藥物靶標開發技術》，2006 年版，高等教育出版社，ISBN 7-04-018953-4

## 參見

* 小干擾 RNA（siRNA）
* 小髮夾 RNA（shRNA）