1998年,Andrew Fire和Craig Mello提出了一項新技術:通過dsRNA誘導特異基因的沉默,即所謂RNAi。2000年,Amy Pasquinelli等將lin-4和let-7作小時序RNAs(stRNAs,mall temporal RNAs)。
RNA干涉(RNAi)在實驗室中是一種強大的實驗工具,利用具有同源性的雙鏈RNA(dsRNA)誘導序列特異的目標基因的沉寂,迅速阻斷基因活性。SiRNA在RNA沉寂通道中起中心作用,是對特定信使RNA(mRNA)進行降解的指導要素。siRNA是RNAi途徑中的中間產物,是RNAi發揮效應所必需的因子。SiRNA的形成主要由Dicer和Rde-1調控完成。由于RNA 病毒入侵、轉座子轉錄、基因組中反向重復序列轉錄等原因,細胞中出現了dsRNA,Rde-1(RNAi缺陷基因-1)編碼的蛋白質識別外源dsRNA,當dsRNA達到一定量的時候,Rde-1引導dsRNA與Rde-1編碼的Dicer(Dicer是一種RNaseIII 活性核酸內切酶,具有四個結構域:Argonaute家族的PAZ結構域,III型RNA酶活性區域,dsRNA結合區域以及DEAH/DEXHRNA解旋酶活性區)結合,形成酶-dsRNA復合體。在Dicer酶的作用下,細胞中的單鏈靶mRNA(與dsRNA具有同源序列)與dsRNA的正義鏈互換,原來dsRNA中的正義鏈被mRNA代替而從酶-dsRNA復合物中釋放出來,然后,在ATP的參與下,細胞中存在的一種RNA誘導的沉默復合體RNA-induced silencing complex (RISC,由核酸內切酶、核酸外切酶、解旋酶等構成,作用是對靶mRNA進行識別和切割)利用結合在其上的核酸內切酶的活性來切割dsRNA上處于原來正義鏈位置的靶mRNA分子中與dsRNA反義鏈互補的區域,形成21-23nt的dsRNA小片段,這些小片段即為siRNA。RNAi干涉的關鍵步驟是組裝RISC和合成介導特異性反應的siRNA蛋白。SiRNA并入RISC中,然后與靶標基因編碼區或UTR區完全配對,降解靶標基因,因此說siRNA只降解與其序列互補配對的mRNA。其調控的機制是通過互補配對而沉默相應靶位基因的表達,所以是一種典型的負調控機制。siRNA識別靶序列是有高度特異性的,因為降解首先在相對于siRNA來說的中央位置發生,所以這些中央的堿基位點就顯得極為重要,一旦發生錯配就會嚴重抑制RNAi的效應,相對而言,3′末端的核苷酸序列并不要求與靶mRNA完全匹配。
MicroRNA(miRNA,微RNA)即為長度為22nt左右的5′端帶磷酸基團、3′端帶羥基的非蛋白編碼的調控小RNA家族。miRNA廣泛存在于真核生物中,不具有開放閱讀框架,不編碼蛋白質,一般長20-24nt,miRNA的轉錄產物是發夾狀結構,在RNaseⅢ酶切后以雙鏈形式存在,最后釋放互補鏈,miRNA成熟。成熟的miRNA 5′端的磷酸基團和3′端羥基則是它與相同長度的功能RNA降解片段的區分標志。miRNA的又一特點——基因表達時序性。MiRNA表達的時序性和組織特異性提示人們miRNA的分布可能決定組織和細胞的功能特異性,也可能參與了復雜的基因調控,對組織的發育起重要作用。miRNA可能的形成及作用機制為:先由長的內源性轉錄本(pri-miRNA)生成70nt左右的miRNA前體(pre-miRNA),然后在Dicer酶的作用下使其加工成為一個不穩定的dsRNA分子,接著迅速被降解剪切為22nt左右的單鏈RNA(這種單鏈RNA及以后的miRNA只是Dicer作用下pre-miRNA被剪切的一個臂,可能是3′端的一個臂,也可能是5′端的一個臂,不同RNA可能是同一pre-miRNA的不同臂),之后被PPD(PAZ&Piwi domain)蛋白家族識別,形成RNA-蛋白質復合體即miRNA核蛋白體(miRNP),進而形成成熟的miRNA。miRNA識別并與靶標基因3′UTR區部分配對,從而抑制靶標基因的翻譯。miRNA基因是一類高度保守的基因家族,按其作用模式不同可分為三種:第一種以線蟲lin-4為代表,作用時與靶標基因不完全互補結合,進而阻遏翻譯而不影響mRNA的穩定性,這種miRNA是目前發現最多的種類。第二種以擬南芥miR-171為代表,作用時與靶標基因完全互補結合,作用方式和功能與siRNA非常類似,最后切割靶mRNA,這說明某些miRNA和siRNA一樣參與了機體內一些特異性mRNA的剪切過程。第三種以let-7為代表,它具有以上兩種作用模式。
miRNA對生長發育進行更為重要的調控作用。同時,科學家們也發現人類基因組中大約有255個編碼miRNA基因,約占人類基因數的1%,但尚不清楚其功能。最近科學家發現小RNA 與‘epigenetic’現象有聯系。所謂epigenetic 是指并不涉及遺傳序列的特征性的遺傳改變。有人已試圖將小RNA 用于抗病毒治療之用,認為它們有可能抑制HIV21 和灰質類病毒丙型肝炎病毒的轉錄,以及也可能用于腫瘤的治療。
miRNA與siRNA之間有許多相同之處:1.二者的長度都約在22nt左右。2.二者都依賴Dicer酶的加工,是Dicer的產物,所以具有Dicer產物的特點。3.二者生成都需要Argonaute家族蛋白存在。4.二者都是RISC組分,所以其功能界限變得不清晰,如二者在介導沉默機制上有重疊。5.miRNA和siRNA合成都是由雙鏈的RNA或RNA前體形成的。
miRNA與siRNA的不同點:1.根本區別是miRNA是內源的,是生物體的固有因素;而siRNA是人工體外合成的,通過轉染進入人體內,是RNA干涉的中間產物。2.結構上,miRNA是單鏈RNA,而siRNA是雙鏈RNA。3.Dicer酶對二者的加工過程不同,miRNA是不對稱加工,miRNA僅是剪切pre-miRNA的一個側臂,其他部分降解;而siRNA對稱地來源于雙鏈RNA的前體的兩側臂。4.在作用位置上,miRNA主要作用于靶標基因3′-UTR區,而siRNA可作用于mRNA的任何部位。5.在作用方式上,miRNA可抑制靶標基因的翻譯,也可以導致靶標基因降解,即在轉錄水平后和翻譯水平起作用,而siRNA只能導致靶標基因的降解,即為轉錄水平后調控。6.miRNA主要在發育過程中起作用,調節內源基因表達,而siRNA不參與生物生長,是RNAi的產物,原始作用是抑制轉座子活性和病毒感染。