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RNAi技术在植物基因功能研究中的应用
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摘要 RNAi技术是研究基因功能的重要工具。其原理是对某个已知基因，设计诱导其沉默的dsRNA，通过合适手段导入细胞或机体使产生干涉效应的信号分子siRNA，导致基因表达水平下降或完全沉默。通过基因表型变化，鉴定该基因功能。从RNAi的研究背景和作用机制出发，对近年来利用RNAi技术研究植物基因功能的概况、诱导方法和载体作一综述。 　　关键词 基因沉默；RNAi技术；植物基因功能 　　 　　1RANi的研究背景 　　 　　1998年，Fire等[1]发现，过去利用正反义RNA阻断基因表达都是因体外制备的单链RNA中污染极少量双链RNA（dsRNA）所引起的，并发现在线虫中导入dsRNA，mRNA明显减少，推论存在某种机制特异地破坏降解内源mRNA，导致某个基因沉默，即转录后基因沉默（PTGS）。在此情况下，启动子是活跃的但不能正常积累mRNA。这种现象被称为RNA干涉（RNAi）。研究表明RNAi现象广泛存在大多数真核生物中，起到自行监控细胞中异常的mRNA、封闭该基因表达、抵御病毒感染及阻断转座子的作用。 　　RNAi技术是将人工合成或载体表达的小的双链RNA（siRNA）导入真核细胞，促使内源RNA降解，高效特异阻断体内特定基因的表达，诱使细胞表现出特定基因缺失表型，获得功能丧失或降低的突变体。RNAi技术具有高度的特异性和高效的干扰活力，是研究基因功能的强有力的工具而被广泛应用。 　　 　　2RNAi的作用机制 　　 　　对模式生物的研究发现[2]，生物体内外源或内源的dsRNA经酶切，可形成具有5’末端磷酸基、3’末端羟基和2个突出的单链核苷酸的信号分子siRNA，诱发RNAi机制。最近研究中还发现，在植物中除了转录后水平沉默（PTGS），RNAi也能在基因的转录水平（TGS）上发挥作用。 　　2.1酶的作用 　　参与RNAi发生的Dicer酶特异识别dsRNA，该酶依赖ATP，能将转基因和病毒感染等引入的dsRNA，逐步切割成含21-23个核苷酸siRNA，启动细胞内RNAi反应。RNAi过程的另一种重要的酶是RNA指导的RNA聚合酶（RdRP）。RdRP的作用，使进入细胞内的dsRNA数量呈指数级扩增，RNAi效应得以放大。故少量dsRNA可使大量靶mRNA大幅度下调。 　　2.2RNAi过程 　　dsRNA进入细胞后，在Dicer酶作用下被裂解成siRNA，双链解开为单链，并和某些蛋白质相结合形成RNA诱导的沉默复合体（RISC）。在ATP的作用下，活化解链siRNA指导活化的RISC分裂靶mRNA。另外，在RdRP作用下，以siRNA为模板合成mRNA互补链，结果mRNA变成dsRNA，在Dicer酶的作用下被切成siRNA，重复进行分裂靶mRNA。 　　 　　3RNAi技术在植物基因功能方面的研究 　　 　　RNAi被生物学家称为生物体在基因组水平上的免疫系统，也为植物基因功能的研究提供了新的思路和技术平台，即利用RNAi技术进行逆向基因分析。针对某个已知的基因，设计可诱导其沉默的双链RNA，通过合适的手段导入细胞或机体，使该基因表达水平下降或完全沉默。观察基因表型的变化，鉴定基因在基因组中的功能。这仅仅是使表达暂时降低或抑制，基因的信息仍是完整的。 　　最初在植物中研究RNAi的实验是使水稻中报告基因GUS沉默，来比较正义链、反义链及dsRNA诱导RNAi效率的高低。近年来利用RNAi技术在水稻、拟南芥、芸薹属、油菜、烟草及棉花上，已经进行了一些基因功能验证的相关研究[3]。其中研究最深入的是应用RNAi技术进行大规模拟南芥功能基因组的分析，以获得拟南芥全基因组高质量的基因序列标签（GST）[4]。 　　3.1植物体中的RNAi诱导方法 　　研究表明，在植物体中，信号分子siRNA可通过植物的维管系统运输。通过韧皮部进行长距离运输或通过胞间连丝进行细胞与细胞之间的转运。将目标基因特异性序列以正向和反方分别插入标记基因或内含子的5’端和3’端，再在一端连接一个启动子，用转基因技术将反式重复的外源基因导入生物体，诱导表达发夹结构的转录产物RNA（iphRNA），能产生稳定遗传的RNAi现象[5]，其诱导目的基因沉默效率高，适用性广，应用潜力大。dsRNA或iphRNA能通过以下几种方法呈递到植物体内。 　　3.1.1微弹轰击法。将dsRNA或含内含子的发夹结构RNA（iphRNA）表达载体显微注射入植物体内。 　　3.1.2农杆菌介导法。将带有能转录成ihpRNA的反式重复的外源基因的T-DNA质粒，通过农杆菌介导整合到植物基因组上。 　　3.1.3病毒诱导基因沉默（VIGS）。目标序列整合入病毒基因序列，通过农杆菌介导转化ihpRNA表达。 　　3.2相关的干涉载体 　　Helliwell及其同事利用Invitrogen公司的Gateway重组克隆技术，构建高通量基因沉默的载体系列pHELLSGATE， 　　包括全部拟南芥基因组的ihpRNA转基因系[7]。澳大利亚的CSIRO公司也构建出多种适用于禾本科植物的RNAi载体——pHannibal和pKannibal质粒载体系列[7]。还有用于高通量植物功能基因组构建的载体系列，包括适合组成型表达、诱导型异常表达的GUS或GFP融合蛋白双元载体，和以烟草花叶病毒为基础构建的高通量VICS载体系列。新载体的开发加快了植物功能基因组的研究。 　　3.3RNAi为注释和认识同源基因及功能提供了快速、高效的鉴定方法 　　比较接近的物种，可通过比较基因组加快研究进度。利用传统基因敲除或反义RNA的方法使基因沉默来研究基因家族的功能，往往难以达到理想效果，但应用RNi技术能更好地研究同源基因。Frankish[4]使用RNAi的方法，证实通过合理设计双链RNA，可有效地同时沉默1个基因家族，为多倍体物种的功能基因组学研究指明了方向。 　　 　　4RNAi技术在植物功能基因组研究中的应用展望及挑战 　　 　　RNAi现象在植物体内能以孟德尔方式遗传，高度的特异性高效干扰活力，使得RNAi技术在植物学各个研究领域得到广泛应用。但RNAi技术应用于高通量的植物功能基因组学的研究也有一定的限制。首先，目的基因序列必须是已知，随着基因组和EST测序计划的增加，受序列方面的限制将会减少；其次，dsRNA限制了高通量方法的应用，目前只有少数植物能被成功转化，稳定表达ihpRNA。因此，必须改进植物基因干涉载体的转化方法，加快新载体的开发；第三，并非所有基因都可被沉默，表达水平低的基因RNAi现象不明显。对多因一效基因或同源性较高的基因家族，干涉会同时作用这些基因，沉默表型难以鉴定；另外，基因被沉默的表型与转基因时所引起的插入突变表型，有时难以区别。 　　RNAi作为后基因组时代基因功能验证和表达调控分析的新技术，有着不可估量的应用价值。可以预见，随着RNAi技术的不断完善，植物基因功能的研究和应用将取得更大成果。 　　 　　5参考文献 　　[1] FIRE A，XU S，MONTGOMERY M，KOSTAS S，et al.Potent and specific genetic interference by double-stranded RNA in Caenorhabditis elegans[J].Nature，：806-811. 　　[2] AGRAWA IN，DASARADHI PVN，MOHOMMED A，et al.RNA Interference：Biology，Mechanism and Applications[J].Microbiology and Molecular Biology Reviews.7-685. 　　[3] NANCY A E.RNA goesmobile[J].Plant Cell，2002（14）：. 　　[4] FRANKISH H.Consortium uses RNAi to uncover[J].gene’s funtion.Lancet，：584. 　　[5] KLINK V P，WOLNAK S M.The efficacy of RNAi in the study of the plant cytocke leron.Plant Physiology，：. 　　[6] CROWE M D，GROSSNIKLAUS U.A gateway cloning vector set for high-througput funtional analysis of genes in plant[J].Plant Physiology，：462-469. 　　[7] WESLEY S V，HELLIWELL C A，Smith NAetal.Construct designfo efficient，effective and high-through put genesilencing in plants [J].Plant Journal，）：581-590.
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DXY All Rights Reserved.【图文】第22章 基因表达调控与信号转导的偶联机制-七_百度文库
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第22章 基因表达调控与信号转导的偶联机制-七
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你可能喜欢一切细胞内分子都可能是信号分子
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&细胞内有rRNA、mRNA、tRNA、miRNA和lncRNA五大类RNA。rRNA是最多的，是核糖体的组成成分。mRNA则是最有名的，它们是信使RNA，主要作用是作为遗传密码的信使，将基因密码从细胞核传递到细胞浆，并和核糖体配合，细胞将按照密码信息合成规定的蛋白。这个过程被称为中心法则。在合成蛋白的过程中，还有另一个RNA非常重要，是负责将一个个氨基酸送到规定密码序列上的转运RNA。本来这两类已经足够强大了，在很长一段时间，科学家没有注意到另外两类RNA也具有重要的作用。一个是miRNA另一个是最近发现的长非编码RNA, lncRNA。从它们的特点上看，这些分子非常类似于太空科学中的暗物质或暗能量，不是发挥主干作用，但发挥协调作用。最近发现一种具有免疫抑制作用的LncRNA，这种分子可能是皮质激素抑制炎症反应的重要调节分子，而且有许多和性别和年龄相关性改变，例如老年雄性动物的这种基因表达特别明显下降，而在年轻动物没有这种差别，研究学者认为这类不编码基因表达的RNA虽然不编码蛋白，但具有调节功能。那么我们是否可以推测，这种“古老的mRNA”曾经可以编码蛋白，显然这种蛋白我们可以根据序列推测出来，这种基因编码的分子也可能具有重要的调节作用，当然或许具有危害性，因为毕竟是被进化中淘汰和关闭的基因。只不过关闭的位置是在翻译过程，保留了转录过程，或者保留了候选转录过程。其实，除了miRNA 和lncRNA，可能我们忽视了另外那些非常重要的浓度更高的RNA们，rRNA、mRNA、tRNA这大类传统的分子也应该属于功能调节分子，当然从宏观上看，这些重要的功能分子的经典作用都是一种信号，但是这些信号都是特意性功能，他们或许也具有类似miRNA 和lncRNA的信号调节作用。因为，如果lncRNA具有调节作用，那么它们为什么就不可以。从结构上看，它们具有多样性，而且也具有被调节性，逻辑上看，被调节分子往往具有反馈和负反馈调节作用，或者具有旁效应。生物分子的这类现象具有普遍性，例如传统的转录因子如HIF和皮质激素受体都具有非基因调节效应，许多激素和递质都具有非选择性受体效应。现在应该回头看看，这些分子可能是被我们遗忘的一大类信号调节分子。甚至从更广泛的角度考虑，一切生物体系分子都可能具有信号调节作用，只是具有作用强度和重要性的差别。这应该是一种普遍生物现象。&阅读下文引起的思考“死”基因复活，给炎症降温斯坦福大学医学院发现一个长期认为“死”的基因在炎症满月的时候复活了。在《eLife》7月23日公布的一项研究描述，这个发现可能有助于解释消炎的类固醇药物如何工作.它也可能有一天会引发全新种类消炎治疗手段，而且没有一些类固醇药物的损伤性副作用慢性炎症在癌症和自身免疫，心血管疾病和神经疾病，以及其他疾病中起重要作用。消炎类固醇药物被广泛用于治疗炎症，要么抑制要么扩大炎症效应。“炎症告诉你的身体的某些地方出问题了，”这项研究的资深作者，斯坦福大学霍华德常博士，皮肤科教授，在早期的职业生涯中是霍华德•休斯医学研究所的科学家奖获得者。“但它让免疫细胞对病毒或细菌感染产生警觉，或促使他们从伤口部位，清除杂物，在它会引起对健康组织产生伤害之前，必须将它们关闭。”这些不死的基因到底是什么？常博士的队伍发现了它，并命名为Lethe(忘川)，在希腊神话中，Lethe河：遗忘之河，亡魂须饮此河之水以忘掉人间事。细胞内炎症的主要调控因子是一种转录因子—一个庞大的多种蛋白的复合体，统称为NF-KAPPA-B。在细胞核内，它可以开启几百甚至上千的基因。当细胞表面信号（通常为循环蛋白或者微生物组分递送）引发， NF-kappa-B激活前炎性基因，让细胞做好准备抵抗病毒或者细菌的攻击和对损伤进行回应。研究人员发现Lethe，被NF-kappa-B激活，制服主要调控因子对基因组产生重要的影响，遏制炎症反应。NF-KAPPA-B在老化方面也扮演着重要角色。常博士和他的同事在2007年发表的一项研究表明，老化的皮肤细胞NF-kappa-B临时性的失活，细胞开始像年轻细胞一样。这些发现在其他组织或者其他研究团队中也被证实。要了解更多关于NF-KAPPA-B，常博士的团队决定激活它，看看哪些基因开启或关闭。但是除了“正常”基因以外，它们主要是为了产生蛋白，他们十分好奇关于这些产生长链非编码RNA分子（lncRNA）的DNA序列,在过去的十年中，常博士一直努力去发现他们。RNA在经典的蛋白产生过程中被熟知为中间物质。在细胞中阅读基因的机制是产生编码蛋白基因的RNA转录本或者拷贝数。这些转录本被认为是信使RNA（messenger RNA,mRNA）,它们自由的离开细胞核进入细胞质，在细胞质中他们发送基因的指示到制造蛋白的细胞器位置。但是，最近已经显示RNA产生了与制造蛋白无关的越多的其他作用。常博士研究的lncRNA的生成机制与编码蛋白基因生成mRNA同样的分子机制。代替引导进入细胞质去产生蛋白，lncRNA能够保留在细胞核中，直接调控基因。科学家才刚刚开始理解这些lncRNA是如何起作用的，但是目前已经发现了超过10,000 lncRNA。为了弄明白炎症过程中哪些lncRNAs被诱导，常博士和他的同事将小鼠胚胎成纤维细胞暴露于TNF-alpha，TNF-alpha是一个著名免疫信号蛋白，它激活 NF-kappa-B。他们发现，在细胞内数百条lncRNA表达水平被TNF-alpha刺激后发生上调或则下调。这些lncRNA中，54条是来自所谓的假基因的复制：假基因的DNA序列十分类似于基因，并不编码蛋白。在人类基因组中，编码蛋白的基因与假基因比例为2：1，大约发现有11000条假基因。科学家认为假基因是真实基因的拷贝。在一些古老生物的生殖细胞的复制期间，它们被意外的插入到基因组中，冗余的，但是无害，伴随进化的旅程留存下来。相隔很长时间，这些遗传幽灵漫游在基因组，突变，衰变到一些位置，人们认为在这些位置它们不再起作用。“假基因一直被认为是完全被沉默的，被细胞的DNA阅读机制所忽视，”常博士说，“但是我们得到一个真正的惊喜。当一个细胞受到炎症的压力信号，它就像电影《活死人之夜》一样”。常博士说，同样令人惊讶的是不同信号化合物和微生物组分（例如微量的细菌细胞壁或者病毒的DNA）唤醒了不同类别的编码lncRNA DNA序列，包括假基因。“他们并非真正是死的。他们只需要非常特异信号让他们活动起来。”Lethe是一个这样的的假基因，通过刺激NF-kappa-B而跳闸。Lethe直接干预复合物座落与合适的DNA序列，关闭掉的前炎症基因，正常情况下转录因子是激活它们。若个假基因以选择性的方式被激活。例如，TNF-alpha和另一个循环信号蛋白-但非微生物部分-激活Lethe。因为一些假基因座落在编码蛋白基因附件，一些科学家一直有争论，来自假基因的RNA转录本产生的只是成熟蛋白编码基因正常转录的一种假象。常博士说“有种趋势性的假定，NF-kappa-B靶向一些编码蛋白的基因，把激活的lncRNA藐视为一种噪音，一种“涟漪效应”，往一湖平静的湖水里扔进一块石头，泛起的水波纹会逐渐波及到很远的地方、TNF-alpha 未能激活Lethe两侧附近的两个蛋白质编码基因。能够打开两个基因的刺激并没有影响Lethe.与此同时，另外两个酷似lethe的假基因并未像lethe一样被TNF-alpha激活。另一个令人惊奇的发现是地塞米松，一种常用处方类固醇消炎药物，激活Lethe.各种其他的固醇激素，在本质上不是消炎药，比如维生素D,C雌激素或性激素类固醇，并没有提高Lethe表达水平。常博士说”我们想知道是否有某种方式人为的增加了Lethe表达水平，并非是类固醇。这些药物有潜在有害的副作用，如血压和血糖升高，骨头变薄和抑制免疫系统。“研究结果暗示，不仅是Lethe而且其他假基因经历相似的选择性觉醒，为应对外界炎症刺激而产生lncRNA。“从激活的lncRNA表达谱，你可以区分细胞正遇到何种胁迫-一种病毒，一种细菌或者其他物质”常博士说，“激活的谱图能够作为一只指示何种炎症条件或者治病侵袭发生的反应。”第三个惊喜是：当细胞内NF-kappa-B的表达水平和活性随着生物的年龄推进而增加时候，Lethe表达水平随着年龄的增加而显著下调-在雌鼠中大于有8倍多。Lethe水平在老年小鼠的脾脏中，与年轻小鼠相比在雄鼠中下降了20倍，但是在雌鼠中是160倍。“这种性别特异性差异在年轻小鼠中并没有观察到”常博士说，“对人类的自身免疫性疾病而言，这可能暗示随着年龄增长,雌/雄发病率增加."原文检索：N. A.Rapicavoli, K. Qu, J. Zhang, M. Mikhail, R.-M. Laberge, H. Y. Chang. Amammalian pseudogene lncRNA at the interface of inflammation andanti-inflammatory therapeutics. eLife, JULY 23, 2013; DOI:10.7554/eLife.00762&
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Copyright &考点：人体免疫系统在维持稳态中的作用,神经、体液调节在维持稳态中的作用
分析：（1）细胞膜主要由脂质和蛋白质组成，此外还有少量的糖类．蛋白质在细胞膜形使功能时起重要作用．在细胞膜的外表，有一层细胞膜上的蛋白质与糖类结合形成的糖蛋白叫糖被，它在细胞的生命活动中具有重要作用．蛋白质是在在DNA指导下通过转录和翻译形成的．（2）第一信使即细胞外信号，根据胞外信号的特点及作用方式，化学信号分子可分为激素、神经递质和局部化学介质这三种类型．
解：（1）细胞膜上受体的化学本质为糖蛋白．蛋白质的合成过程中，先在核内进行mRNA转录，再在细胞质内进行肽链的翻译．（2）与膜受体结合进行信息传递的信息分子，含量较少，主要包括三大类：一是可长途运输的激素分子，二是短程传递的神经递质，三是作用于周围细胞的局部介质，如由T细胞分泌淋的巴因子可促进B细胞的增殖分化．故答案为：（1）糖蛋白（或蛋白质）&转录&&（2）激素&神经递质&&少（低）& 灭活&&淋巴因子&&增殖和分化
点评：本题考查细胞膜的结构功能和信号分子的种类和作用，意在考查学生提取信息和分析问题的能力．
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