3-1-8 反义RNA

• 原核细胞内天然存在的反义RNA
• 反义RNA的功能
• 人工合成构建反义RNA

　　反义RNA(anti sense RNA)是指mRNA互补的RNA分子。这种反义RNA能与mRNA分子特异性地互补结合，从而抑制该mRNA的加工与翻译，是原核细胞中基因表达的调控的一种方式。然而，许多实验证明，在真核细胞中亦存在反义RNA，但其功能尚未全部明了。最近几年来通过人工合成反义RNA的基因，并将之导入细胞内，转录出反义RNA，即能抑制特定基因的表达，阻断该基因的功能，有助于了解该基因对细胞生长和分化的作用。同时也暗示了该方法对肿瘤实施基因治疗的可能性。

　　原核细胞内天然存在的反义RNA

　　反义RNA的分类和作用机制：下表总结了原核细胞内天然存在的11种反义RNA。这些反义RNA按其作用机制可经分为三大类：

　　Ⅰ类：这类反义RNA直接作用于其靶mRNA的SD序列和/或编码区，引起翻译的直接抑制(ⅠA类)或与靶mRNA结合后引起该双链RNA分子对RNA酶Ⅲ的敏感性增加，使其降解(ⅠB类)。

　　Ⅱ类：这类反义RNA与mRNA的SD序列的上游非编码区结合，从而抑制靶mRNA的翻译功能。其作用机制尚不完全清楚，可能是反义RNA与靶mRNA的上游序列结合后会引起核糖体结合位点区域的二级结构发生改变，因而阻止了核糖体的结合。

　　Ⅲ类：这类反义RNA可直接抑制靶mRNA的转录。

　　ticRNA(transcription inhibitory complementary RNA)是大肠杆菌中CAP蛋白(cAMP结合蛋白)的mRNA的反义RNA。ticRNA的基因的启动子可被cAMP-CAP复合物所激活，从CAP mRNA的转录起始位点上游3个核苷酸处开始，以CAP mRNA的模板DNA链的互补链为模板，合成ticRNA。ticRNA具体长度不清楚，但是它是5'端一段正好和CAP mRNA的5'端有不完全的互补，可以形成双链的RNA杂交体。而在CAP mRNA上紧随杂交区之后的是一段约长11bp的A，U丰富区。这样的结构十分类似于ρ不依赖性的转录终止子的结构，从而CAP mRNA的转录刚刚开始不久后即迅速终止。从这个例子中我们可以看到CAP蛋白合成的自我调节作用。当CAP合成达一定量后，即可与cAMP结合成cAMP-CAP复合物。再激活ticRNA的启动子转录出ticRNA，反过来抑制CAP-mRNA的合成。

　　反义RNA的功能

　　在原核生物中反义RNA具有多种功能，例如调控质粒的复制及其接合转移，抑制某些转位因子的转位，对某些噬菌体溶菌-溶源状态的控制等。下文仅举数例。

　　1.调控细菌基因的表达：反义RNA对编码CAP的基因的调控作用已如前述。这里再介绍一下micF RNA对ompF基因的表达的调控。ompF蛋白质是大肠杆菌的外膜蛋白的主要成分这一。micF RNA是从另一基因(ompC基因)附近的DNA序列转录而来，和o-mpFn RNA的5'端有70%的序列互补，因此在体外micF RNA可以抑制ompF mRNA的翻译。但是这种抑制作用在体内是否重要尚有疑问，因为缺失micF基因的菌株其ompF蛋白的表达只受到轻微的影响。

　　2.噬菌体溶菌/溶源状态的控制：反义RNA也参与了λ和P22噬菌体的溶菌/溶源状态的控制。P22噬菌体编码一种抗阻遏蛋白Ant，它可以抑制许多λ样噬菌体的阻遏蛋白与DNA的结合。这对于刚刚感染细胞的P22建立λ样原噬菌体(prophage)是有益的。但是Ant必须在严格的控制下，否则Ant的过分表达必将阻止溶源状态的建立，而成为溶菌性的噬菌体。Ant蛋白质表达的控制是利用反义RNA(sarRNA)能与ant mRNA的翻译起源区互补结合，从而抑制ant mRNA翻译成Ant蛋白。

　　在λ噬菌体中cⅡ蛋白控制着溶菌或溶源状态的选择。cⅡ蛋白可以激活λPre启动子，该启动子控制的基因是λ噬菌体整合作用所必须的，且同时能抑制λ噬菌体的复制。cⅡ蛋白的另一功能是延缓λ晚期基因的表达，其作用机制是cⅡ蛋白激活PaQ的启动子，转录出PaQRNA。PaQRA是编码Q蛋白的mRNA的反义RNA。因此，PaQRNA能与QmRNA配对杂交而抑制其翻译，而Q蛋白早已知道是晚期基因表达的激活蛋白。

　　cⅡ基因本身的表达还受到称为oopRNA的反义RNA的调控。oopRNA与cⅡ基因的3'端互补，但其具体作用机制尚不清楚。

　　3.IS10转位作用的抑制：outRNA是一种反义RNA，可以和IS10编码的转位酶mRNA(INRNA)5'端结合而抑制其翻译，当细胞内只有一个考贝IS10时，只能生成很少量的outRNA，故转位酶仍可生成。但当IS10的考贝数增多时，outRNA愈来愈多，其控制作用亦明显增强，所以称为多考贝抑制现象。这种现象可以防止IS10的过量堆积引起的细胞损害。

　　人工合成构建反义RNA

　　既然反义RNA在原核生物中对基因表达起着重要的调控作用，那末人工设计在天然状态下不存在的反义RNA来调节靶基因的表达，想必也是可能的。这已在不少实验中得到证实。

　　1.由于目前对靶mRNA的SD序列的上游区的结构了解甚少，因此，在要设计Ⅱ类反义RNA用于和靶mRNASD序列上游区结合，以期达到调节该mRNA翻译的目的是比较困难的。

　　2.Ⅲ类反义RNA是和mRNA的起始处结合而形成类似ρ-不依赖性的转录终止子而使转录水平上抑制靶基因的表达。因此，要设法在靶mRNA上找到一段连续的U序列，就可以设计出反义RNA，与该U序列上游的mRNA链互补，以形成ρ-不依赖性终止子。理想的作用位点是在靶mRNA的5'端上游的非编码区，以免受核糖体的影响。

　　3.只要靶基因的核苷酸顺序已经知道，就可以人工设计出Ⅰ类反义RNA。有时还可设计同时具有Ⅰ类和Ⅲ类反义RNA功能的反义RNA。

　　我们还可以设计出天然存在的反义RNA的反义RNA来。这样就可以拮抗原始反义RNA对靶mRNA的抑制作用。而达到激活或加强某个靶基因的表达的目的。然而并不是所有的mRNA对其相应的Ⅰ类反义RNA都敏感。例如，有的mRNA寿命很短，只有1-2分钟，它们和反义RNA结合的机会较少，因而就较不敏感。反之，另一些mRNA则很稳定，寿命可达十多分种，则其对相应的反义RNA的抑制作用就很敏感。此外，反义RNA本身的稳定性有很大的实际意义。显然，稳定的反义RNA对靶mRNA的调节作用比不稳定的反义RNA要好。

　　使反义RNA分子稳定的方法如下：
　　[1]反义RNA3'端带有茎环结构或类似ρ-不依赖性终止子结构时，可以稳定RNA分子。
　　[2]Gorski等还发现在T4噬菌体的基因32mRNA的5'端上游的茎环结构及其附近的序列亦可稳定RNA分子。所以在设计反义RNA基因时，最好将产生3'及5'端这种二级结构的序列克隆在反义RNA基因的两端。Hirashima等1986年发现，针对靶mRNA的SD序列和AUG区域的反义RNA，要比单纯对编码区域的反义RNA更为有效。1989年Hirashima又发现，针对SD序列和它的上游区域(但不包括AUG)的反义RNA更为有效。在真核生物中，针对5'端非编码区的反义RNA更有效。但也有实验表明针对第一内含子的反义RNA也同样有效。

　　现在设计反义RNA基因是时应注意之点总结如下：
　　[1]长的反义RNA并不一定比短的反义RNA更为有效。
　　[2]在原核生物中针对SD序列及其附近区域的反义RNA可能更有效。
　　[3]在真核生物中，对应于5'端非编码区的反义RNA可能比针对编码区的反义RNA更有效。
　　[4]尽量避免在反义RNA分子中出现自我互补的二级结构。
　　[5]设计的反义RNA分子中不应有AUG或开放读框，否则该反义RNA亦会与核糖体结合而影响其与靶mRNA的配对结合。
　　[6]进一步还可以将带有ribozyme结构的RNA连在反义RNA的3'端尾上，当反义RNA与靶mRNA杂交后，即可利用其酶活性来降解靶mRNA。

　　此外，为了增强反义RNA的作用，还可以采取一些额外措施，例如:[1]由于反义RNA对靶mRNA的抑制作用有剂量依赖性，所以在构建反义RNA基因时，要选择强的、可以诱导的启动子以增强反义RNA本身的表达。[2]构建许多个反义RNA基因串连在一起，以得到线性重复的多拷贝基因，对提高反义RNA的表达也有利。[3]RNA酶Ⅲ可以降解RNA:RNA杂交体，所以在构建反义RNA基因时，可将RNA酶Ⅲ的基因也同时转化到靶细胞中并进行表达。这样，当反义RNA与靶mRNA结合后，RNA酶Ⅲ即可将其降解。这显然有利于反义RNA的抑制作用。

　　近年来，有关反义RNA的研究进展迅速，已经应用到抗病毒感染，研究癌基因的作用机制，探索肿瘤治疗的可行途径等方面。在今后一段时间内，有关反义RNA的研究肯定将会有更加迅速的进展和更广阔的应用前景。