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生物技术通报 | 郭惠珊/赵建华—RNA结构对RNA沉默效率的影响

  • 来源：植物生物学公众号
  • Published: 2024-11-28
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RNA结构对RNA沉默效率的影响

赵建华，高峰，刘清艳，郭惠珊

DOI:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2024-0857

在真核生物中，内源或外源双链RNA（dsRNA）诱导的RNA沉默或RNA干扰（RNAi）是基因表达调控的保守机制。RNase III型RNA酶Dicer或Dicer-like（DCL）蛋白将dsRNA加工成长度约为20-24 nt的小RNA（sRNA）；sRNA与Argonaute（AGO）蛋白形成的沉默复合物（RISC）通过碱基互补配对识别靶标基因mRNA或DNA，特异性降解靶标mRNA或抑制翻译实现转录后基因沉默（PTGS），或影响DNA甲基化实现转录基因沉默（TGS）。根据来源以及作用方式不同，sRNA主要分为3类：miRNA（microRNA）、siRNA（small interfering RNA）和动物特有的piRNA（PIWI-interactingRNA）。
由于sRNA作用的靶标特异性以及dsRNA设计较为方便，RNAi技术被广泛地应用于基因功能研究、生物医药、作物分子设计育种以及开发新型农药等领域。基于RNAi开发的RNA疗法直接作用于疾病相关或病原致病相关基因的mRNA，dsRNA设计相对简单。RNAi技术也为水产动物疾病防治提供了强有力的工具。通过在作物中表达特异靶向病原基因mRNA的dsRNA的HIGS技术，已经被广泛地应用于作物抗病育种研究中。作物转化周期长，且多数作物缺少成熟的遗传转化体系，限制了HIGS技术的推广与应用。随后，研究人员发现体外喷施的dsRNA也能够诱导病原菌基因发生沉默。通过喷施dsRNA诱导病原基因沉默的技术被称为喷施诱导的基因沉默（spray-induced gene silencing，SIGS）技术。SIGS技术避免了作物遗传转化，但dsRNA在农田环境中易降解，增加了开发以dsRNA为有效成分的生物农药的困难。为了增加dsRNA在环境中的稳定性，多种多样的纳米负载材料被开发出来。然而，人工合成纳米材料对环境的影响仍需进一步评估。最近，研究发现植物根际土壤中的真菌间存在种间RNAi。研究人员利用有益微生物哈茨木霉（Trichoderma harzianum）表达靶向病原真菌生长发育相关基因的dsRNA。dsRNA能够被加工成sRNA并分泌到哈茨木霉细胞外进入病原菌细胞，抑制病原菌基因表达。作物保护实验检测结果表明，与野生型哈茨木霉相比，表达dsRNA的工程菌株为棉花和水稻提供了更强的保护作用。基于种间RNAi创建的微生物诱导的基因沉默（microbe-induced gene silencing，MIGS）技术，能够持续稳定地向环境中释放dsRNA或sRNA。MIGS技术的建立开辟了微生物互作研究的新领域；为保障农业生产减少传统农药使用，开发低毒环境友好型作物病害防控体系提供了可能。
随着RNAi技术不断开发，研究人员发现dsRNA长度、使用剂量、施用方法、dsRNA递送技术以及RNA的稳定性等因素，都可能影响dsRNA诱导的RNAi效率。早期的研究认为RNA只是将遗传信息被动的从DNA传递到蛋白，非编码RNA的发现让研究人员认识到RNA功能的多样性。随着研究不断深入，RNA在表观修饰、DNA复制、翻译以及糖和脂类代谢等过程中的调控作用逐渐被揭示。大量研究表明，RNA功能多样性与其能够形成复杂的二级或高级结构密切相关。组成RNA链的碱基构成了RNA的一级结构，也是高级结构形成的基础；碱基互补配对促使RNA折叠形成二级结构；二级结构中茎、环等结构元素相互作用，构成了RNA三级结构；RNA与其他大分子互作形成RNA四级结构。长度约为20-30 nt的miRNA、siRNA和piRNA依赖其自身碱基序列互补配对识别靶标mRNA，并与蛋白结合形成高级结构诱导RNAi。与这些较短的RNA发挥作用主要依赖于其一级结构不同，长链RNA通常会折叠成二级或三级结构，进而发挥功能。因此，靶标mRNA和sRNA结构也是影响RNAi效率的重要因素。
近日，《生物技术通报》在线发表了中国科学院微生物研究所郭惠珊/赵建华团队题为《RNA结构对RNA沉默效率的影响》的文章。本文对RNA结构影响转录后RNAi效率相关研究进行了综述，总结了当前RNA结构检测的常用方法，以及基于大数据模型进行RNA结构预测的方法，以期为基于RNAi应用技术的高效dsRNA设计提供参考。