張文釗

【摘 要】：基因沉默是生物體細(xì)胞在表達(dá)過程中因各種原因?qū)е虏糠只蚴マD(zhuǎn)錄活性不表達(dá)或減少表達(dá)的現(xiàn)象。研究表明，基因沉默主要有兩種途徑：轉(zhuǎn)錄水平基因沉默及轉(zhuǎn)錄后基因沉默。轉(zhuǎn)錄水平基因沉默分子機(jī)制主要包括基因及啟動(dòng)子甲基化、重復(fù)序列等；轉(zhuǎn)錄后基因沉默分子機(jī)制包括共抑制、RNA干擾、基因壓制等?；虺聊哂兄匾纳飳W(xué)意義，其在抗腫瘤及抗病毒方面有很好的成果，在基因治療上已掀起一場真正的革命。

【關(guān)鍵詞】：基因沉默；甲基化；RNA干擾；抗腫瘤

【中圖分類號】R730.5 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1005-0019（2019）05--01

1 基因沉默簡介

基因沉默是指生物體中基因在正常轉(zhuǎn)錄翻譯過程中因受到各種因素而引起的部分基因沉默，導(dǎo)致其轉(zhuǎn)錄活性缺失，表達(dá)量降低或不表達(dá)的現(xiàn)象?；虺聊钕仁窃谥参镏邪l(fā)現(xiàn)的?；虺聊l(fā)生的途徑主要有兩種：轉(zhuǎn)錄水平基因沉默（transcriptional gene silencing，TGS）和轉(zhuǎn)錄后水平基因沉默（post-transcriptional gene silencing，PTGS）[1]。轉(zhuǎn)錄水平基因沉默主要包括基因及啟動(dòng)子甲基化、重復(fù)序列及位置效應(yīng)。轉(zhuǎn)錄后基因沉默主要包括共抑制、RNA干擾及基因壓制?，F(xiàn)對基因沉默研究已較火熱，特別是RNA干擾?；虺聊言诨蛑委熒舷破鹨粓稣嬲母锩?/p>

2 基因沉默相關(guān)分子機(jī)制

2.1 轉(zhuǎn)錄水平基因沉默

轉(zhuǎn)錄水平基因沉默是指特定基因的專一RNA合成的失活，是DNA水平上的調(diào)控，其機(jī)理為基因無法正常順利轉(zhuǎn)錄為RNA，從而引起基因沉默，其可通過有性繁殖遺傳給后代。轉(zhuǎn)錄水平的分子機(jī)制主要有基因及啟動(dòng)子甲基化、重復(fù)序列、位置效應(yīng)等。

2.1.1 基因及啟動(dòng)子甲基化

DNA甲基化是生物體較常見的DNA修飾形式之一，是在DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶作用下，將甲基轉(zhuǎn)移到特定基因堿基上的修飾過程。主要發(fā)生在基因上特定富含CG序列的5-C位上，將其甲基化，從而引起轉(zhuǎn)錄失活，甲基化的過程均是由啟動(dòng)子區(qū)域延伸至3端，根據(jù)報(bào)道得知，轉(zhuǎn)基因介導(dǎo)的基因沉默均與轉(zhuǎn)基因及啟動(dòng)子甲基化相關(guān)。研究表明，基因甲基化能引起染色質(zhì)結(jié)構(gòu)、DNA穩(wěn)定性及DNA與蛋白質(zhì)互作模式等的改變，影響基因的轉(zhuǎn)錄活性，從而達(dá)到調(diào)控基因表達(dá)的效果。

2.2.2 重復(fù)序列

重復(fù)序列主要是指在轉(zhuǎn)基因情況下，當(dāng)某一外源基因以多次重復(fù)形式插入到基因組的同一位點(diǎn)，相同的基因序列容易形成正向重復(fù)或反向重復(fù)等發(fā)夾結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致基因無法正常表達(dá)，若基因拷貝數(shù)越多，引起的基因沉默現(xiàn)象則越嚴(yán)重。此現(xiàn)象與真菌中重復(fù)序列引起的點(diǎn)突變原理相似。重復(fù)序列之間也可通過異位配對形成染色體構(gòu)型的不同染色體位置變化，從而引起自身異染色體質(zhì)化，從空間上阻礙轉(zhuǎn)錄因子與轉(zhuǎn)基因相互作用，是基因無法正常轉(zhuǎn)錄。在生物體進(jìn)化過程中，重復(fù)序列增加了基因組的復(fù)雜程度，豐富了生物體遺傳信息，促進(jìn)了生物體的遺傳進(jìn)化，促進(jìn)新生物體的產(chǎn)生。

2.2.3 位置效應(yīng)

位置效應(yīng)指由于染色體畸變改變了一個(gè)基因與其鄰近基因或與其鄰近染色質(zhì)的位置關(guān)系，從而使它的表型效應(yīng)也發(fā)生變化的現(xiàn)象。當(dāng)外源基因插入特定的轉(zhuǎn)錄活性低的及高甲基化異染色質(zhì)區(qū)域時(shí)，其表達(dá)一般會(huì)被沉默掉。原因可能是鄰近的基因的甲基化或是異染色質(zhì)化對外源基因表達(dá)產(chǎn)生較大影響。其可分為兩大類：穩(wěn)定型，如果蠅的棒眼；花斑型，如果蠅的班白眼。

2.2 轉(zhuǎn)錄后水平基因沉默（PTGS）

轉(zhuǎn)錄后水平基因沉默是近10年發(fā)現(xiàn)的一種生物（特別是真核生物）細(xì)胞抵抗外來核酸入侵及保持生物自身基因組完整性的防御機(jī)制。是以外源和內(nèi)源mRNA為降解目標(biāo)，是一種當(dāng)外源基因?qū)牒?，?xì)胞中與轉(zhuǎn)基因同源的基因發(fā)生沉默現(xiàn)象。其表現(xiàn)為這些基因正常轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生mRNA，但會(huì)被迅速降解而不在細(xì)胞內(nèi)積累并轉(zhuǎn)錄后翻譯。目前，利用基因沉默技術(shù)進(jìn)行抗病毒研究已經(jīng)成為植物病毒學(xué)研究的熱點(diǎn)。

2.2.1 共抑制

共抑制是轉(zhuǎn)錄后基因沉默最常見的一種機(jī)制。1990年，Jorgenson等人試圖將查耳酮合成酶基因轉(zhuǎn)入紫色矮牽?；ㄖ杏靡约由钏念伾?，結(jié)果發(fā)現(xiàn)部分花顏色不但沒有加深反而表現(xiàn)出雜色，甚至成為純白色，現(xiàn)象表明人為轉(zhuǎn)入的外源基因并未按預(yù)期正常表達(dá)，牽?；ㄗ陨淼暮铣缮鼗虻谋磉_(dá)卻受到抑制，此現(xiàn)象被稱作共抑制[2] 。這是一種轉(zhuǎn)錄后基因沉默現(xiàn)象，是轉(zhuǎn)基因誘導(dǎo)的基因沉默。

共抑制是指當(dāng)外源基因轉(zhuǎn)入到植物體時(shí)，外源基因與植物本身的同源基因均發(fā)生基因沉默的現(xiàn)象。共抑制現(xiàn)象現(xiàn)已被研究學(xué)者們充分應(yīng)用于抵抗植物病毒方面，即植物抗病毒基因工程。如在植物中轉(zhuǎn)入特定病毒的某種基因來達(dá)到低于該病毒效果；或利用已帶有植物基因的病毒載體侵染植物從而達(dá)到可以是植物內(nèi)源基因沉默的效果。共抑制機(jī)制研究仍還有許多迷點(diǎn)，仍需要科學(xué)者們的不懈努力。

2.2.2 RNA干擾

RNA干擾（RNA interference，RNAi）是生物體的一種由雙鏈RNA引發(fā)的、同源mRNA高效特異性降解的具有高度保守型的防御機(jī)制。2002年，RNA干擾被Science評作全球十大科學(xué)進(jìn)展之首，作為細(xì)胞水平基因敲除的一種工具[3]。

RNAi是在秀麗新小桿線蟲反義RNA的實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的。1995年，Guo等在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)注射反義RNA和正義RNA都能高效并具有特異性地抑制秀麗新小桿線蟲par-1基因的表達(dá)，第一次證明了雙鏈RNA能導(dǎo)致基因沉默，該結(jié)果不能使用反義RNA技術(shù)的理論做出合理解釋。1998年，F(xiàn)ire等實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)正義RNA能夠抑制同源基因的表達(dá)，并將這一現(xiàn)象稱為RNAi[4]。隨著后續(xù)研究，雙鏈RNA介導(dǎo)的RNA干擾現(xiàn)象在真菌、昆蟲、斑馬魚等相繼被發(fā)現(xiàn)。

RNA介導(dǎo)的基因沉默的基本過程大體可分為兩個(gè)階段，即：起始階段和效應(yīng)階段。RNA介導(dǎo)的基因沉默的關(guān)鍵引發(fā)分子為雙鏈RNA，其能被RNA特異性核酸內(nèi)切酶（dsRNA specific endonuclease，Dicer）剪切成21-23nt的小干擾RNA分子（siRNA）。在效應(yīng)階段，小干擾RNA分子與AGO蛋白組裝成RNA誘導(dǎo)的沉默復(fù)合物（RNA-induced silencing compiex，RISC），從而使靶標(biāo)mRNA降解，小干擾RNA分子通過放大效應(yīng)，引起目的基因的沉默。RNA介導(dǎo)的植物轉(zhuǎn)基因沉默已成為研究學(xué)者們研究植物抵御病毒，改良植物品種，研究植物生長發(fā)育，防御機(jī)制的一種重工具，并取得了優(yōu)異的成果。

2.2.3 基因壓制

基因壓制是指外源基因能夠抑制自身及相應(yīng)內(nèi)源基因的正常表達(dá)。Cogoni等發(fā)現(xiàn)基因壓制具有可逆性，并會(huì)伴隨外源基因拷貝數(shù)的丟失，可導(dǎo)致已正常復(fù)制的穩(wěn)定的mRNA含量急劇減少。通過對基因壓制機(jī)制的研究，人們可以人為的、有意識的抑制動(dòng)植物體內(nèi)有害基因的表達(dá)，選擇性的表達(dá)特定基因，選擇性的改良植物品種，在遺傳育種方面有著十分重要的意義。

3 生物學(xué)意義及展望

本文主要簡要敘述了基因沉默近年來的相關(guān)研究進(jìn)展和分析機(jī)制，其在抗腫瘤及抗病毒方面有很好的成果?；虺聊巧矬w進(jìn)化過程中演變形成的一種高度特異的自我保護(hù)機(jī)制，能夠抵抗外來核酸或病毒的入侵，同時(shí)能夠及時(shí)消滅自身因轉(zhuǎn)錄或修飾過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤的mRNA，起一個(gè)撥亂反正的作用，亦能夠調(diào)節(jié)生物體自身基因的表達(dá)調(diào)控，進(jìn)而調(diào)控生物體的生長發(fā)育。通過對基因沉默機(jī)制的研究，幫助人們更深入的了解生物體生長發(fā)育機(jī)制，進(jìn)一步了解生物體防御體系，進(jìn)而達(dá)到優(yōu)化生物體。

轉(zhuǎn)錄后基因沉默是真核生物體進(jìn)化過程中形成的一種十分重要的抵御外來核酸及病毒入侵的重要的防御機(jī)制。此外RNA沉默對生物學(xué)研究者有重要意義，雙鏈RNA能高效的誘導(dǎo)特定基因或相關(guān)基因家族發(fā)生沉默，并且雙鏈RNA誘導(dǎo)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)基因沉默亦可控制內(nèi)源基因的表達(dá)，其可作為控制基因表達(dá)的一種強(qiáng)有力的工具[5]。RNA干擾具有高效特異性，有研究證明已可用于腫瘤的治療及病毒的抵御。盡管RNA干擾的研究時(shí)間比較短暫，其機(jī)制研究也尚不透徹，但RNA干擾在功能基因組學(xué)上具有非常巨大的發(fā)展前景，可以毫不夸張地說RNA干擾正在功能基因?qū)W上掀起一場革命。

參考文獻(xiàn)

Napoli C， Lemieux C， Joregensen R. Introduction of a Chimeric Chalcone Synthase Gene into Petunia Results in Reversible Co-Suppression of Homologous Genes in trans[J]. Plant Cell， 1990， 2（4）： 279-289.

田野，曹雪松.植物基因沉默的研究進(jìn)展[J].聊城大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2010， 23（1）：45-48.

陳雪梅，杜顯剛，譚志巍，王亞琴，官鵬.基因沉默的研究進(jìn)展[J].法律與醫(yī)學(xué)雜志，2005，12（3）： 227-230.

李明強(qiáng)，曾照芳，黃凌艷.RNAi的作用機(jī)制及其臨床研究應(yīng)用[J].生物信息學(xué)，8（3）：214-218.

陳文，王東，何奕昆.RNA介導(dǎo)的轉(zhuǎn)基因沉默：原理及應(yīng)用[J].遺傳HEREDITAS，2003，25（4）： 489-494.