基因沉默原理及研究进展

张文钊

【摘 要】：基因沉默是生物体细胞在表达过程中因各种原因导致部分基因失去转录活性不表达或减少表达的现象。研究表明，基因沉默主要有两种途径：转录水平基因沉默及转录后基因沉默。转录水平基因沉默分子机制主要包括基因及启动子甲基化、重复序列等；转录后基因沉默分子机制包括共抑制、RNA干扰、基因压制等。基因沉默具有重要的生物学意义，其在抗肿瘤及抗病毒方面有很好的成果，在基因治疗上已掀起一场真正的革命。

【关键词】：基因沉默；甲基化；RNA干扰；抗肿瘤

【中图分类号】R730.5 【文献标识码】A 【文章编号】1005-0019（2019）05--01

1 基因沉默简介

基因沉默是指生物体中基因在正常转录翻译过程中因受到各种因素而引起的部分基因沉默，导致其转录活性缺失，表达量降低或不表达的现象。基因沉默最先是在植物中发现的。基因沉默发生的途径主要有两种：转录水平基因沉默（transcriptional gene silencing，TGS）和转录后水平基因沉默（post-transcriptional gene silencing，PTGS）[1]。转录水平基因沉默主要包括基因及启动子甲基化、重复序列及位置效应。转录后基因沉默主要包括共抑制、RNA干扰及基因压制。现对基因沉默研究已较火热，特别是RNA干扰。基因沉默已在基因治疗上掀起一场真正的革命。

2 基因沉默相关分子机制

2.1 转录水平基因沉默

转录水平基因沉默是指特定基因的专一RNA合成的失活，是DNA水平上的调控，其机理为基因无法正常顺利转录为RNA，从而引起基因沉默，其可通过有性繁殖遗传给后代。转录水平的分子机制主要有基因及启动子甲基化、重复序列、位置效应等。

2.1.1 基因及启动子甲基化

DNA甲基化是生物体较常见的DNA修饰形式之一，是在DNA甲基化转移酶作用下，将甲基转移到特定基因碱基上的修饰过程。主要发生在基因上特定富含CG序列的5-C位上，将其甲基化，从而引起转录失活，甲基化的过程均是由启动子区域延伸至3端，根据报道得知，转基因介导的基因沉默均与转基因及启动子甲基化相关。研究表明，基因甲基化能引起染色质结构、DNA稳定性及DNA与蛋白质互作模式等的改变，影响基因的转录活性，从而达到调控基因表达的效果。

2.2.2 重复序列

重复序列主要是指在转基因情况下，当某一外源基因以多次重复形式插入到基因组的同一位点，相同的基因序列容易形成正向重复或反向重复等发夹结构，从而导致基因无法正常表达，若基因拷贝数越多，引起的基因沉默现象则越严重。此现象与真菌中重复序列引起的点突变原理相似。重复序列之间也可通过异位配对形成染色体构型的不同染色体位置变化，从而引起自身异染色体质化，从空间上阻碍转录因子与转基因相互作用，是基因无法正常转录。在生物体进化过程中，重复序列增加了基因组的复杂程度，丰富了生物体遗传信息，促进了生物体的遗传进化，促进新生物体的产生。

2.2.3 位置效应

位置效应指由于染色体畸变改变了一个基因与其邻近基因或与其邻近染色质的位置关系，从而使它的表型效应也发生变化的现象。当外源基因插入特定的转录活性低的及高甲基化异染色质区域时，其表达一般会被沉默掉。原因可能是邻近的基因的甲基化或是异染色质化对外源基因表达产生较大影响。其可分为两大类：稳定型，如果蝇的棒眼；花斑型，如果蝇的班白眼。

2.2 转录后水平基因沉默（PTGS）

转录后水平基因沉默是近10年发现的一种生物（特别是真核生物）细胞抵抗外来核酸入侵及保持生物自身基因组完整性的防御机制。是以外源和内源mRNA为降解目标，是一种当外源基因导入后，细胞中与转基因同源的基因发生沉默现象。其表现为这些基因正常转录产生mRNA，但会被迅速降解而不在细胞内积累并转录后翻译。目前，利用基因沉默技術进行抗病毒研究已经成为植物病毒学研究的热点。

2.2.1 共抑制

共抑制是转录后基因沉默最常见的一种机制。1990年，Jorgenson等人试图将查耳酮合成酶基因转入紫色矮牵牛花中用以加深它的颜色，结果发现部分花颜色不但没有加深反而表现出杂色，甚至成为纯白色，现象表明人为转入的外源基因并未按预期正常表达，牵牛花自身的合成色素基因的表达却受到抑制，此现象被称作共抑制[2] 。这是一种转录后基因沉默现象，是转基因诱导的基因沉默。

共抑制是指当外源基因转入到植物体时，外源基因与植物本身的同源基因均发生基因沉默的现象。共抑制现象现已被研究学者们充分应用于抵抗植物病毒方面，即植物抗病毒基因工程。如在植物中转入特定病毒的某种基因来达到低于该病毒效果；或利用已带有植物基因的病毒载体侵染植物从而达到可以是植物内源基因沉默的效果。共抑制机制研究仍还有许多迷点，仍需要科学者们的不懈努力。

2.2.2 RNA干扰

RNA干扰（RNA interference，RNAi）是生物体的一种由双链RNA引发的、同源mRNA高效特异性降解的具有高度保守型的防御机制。2002年，RNA干扰被Science评作全球十大科学进展之首，作为细胞水平基因敲除的一种工具[3]。

RNAi是在秀丽新小杆线虫反义RNA的实验过程中发现的。1995年，Guo等在实验中发现注射反义RNA和正义RNA都能高效并具有特异性地抑制秀丽新小杆线虫par-1基因的表达，第一次证明了双链RNA能导致基因沉默，该结果不能使用反义RNA技术的理论做出合理解释。1998年，Fire等实验发现正义RNA能够抑制同源基因的表达，并将这一现象称为RNAi[4]。随着后续研究，双链RNA介导的RNA干扰现象在真菌、昆虫、斑马鱼等相继被发现。

RNA介导的基因沉默的基本过程大体可分为两个阶段，即：起始阶段和效应阶段。RNA介导的基因沉默的关键引发分子为双链RNA，其能被RNA特异性核酸内切酶（dsRNA specific endonuclease，Dicer）剪切成21-23nt的小干扰RNA分子（siRNA）。在效应阶段，小干扰RNA分子与AGO蛋白组装成RNA诱导的沉默复合物（RNA-induced silencing compiex，RISC），从而使靶标mRNA降解，小干扰RNA分子通过放大效应，引起目的基因的沉默。RNA介导的植物转基因沉默已成为研究学者们研究植物抵御病毒，改良植物品种，研究植物生长发育，防御机制的一种重工具，并取得了优异的成果。

2.2.3 基因压制

基因压制是指外源基因能够抑制自身及相应内源基因的正常表达。Cogoni等发现基因压制具有可逆性，并会伴随外源基因拷贝数的丢失，可导致已正常复制的稳定的mRNA含量急剧减少。通过对基因压制机制的研究，人们可以人为的、有意识的抑制动植物体内有害基因的表达，选择性的表达特定基因，选择性的改良植物品种，在遗传育种方面有着十分重要的意义。

3 生物学意义及展望

本文主要简要叙述了基因沉默近年来的相关研究进展和分析机制，其在抗肿瘤及抗病毒方面有很好的成果。基因沉默是生物体进化过程中演变形成的一种高度特异的自我保护机制，能够抵抗外来核酸或病毒的入侵，同时能够及时消灭自身因转录或修饰过程中出现错误的mRNA，起一个拨乱反正的作用，亦能够调节生物体自身基因的表达调控，进而调控生物体的生长发育。通过对基因沉默机制的研究，帮助人们更深入的了解生物体生长发育机制，进一步了解生物体防御体系，进而达到优化生物体。

转录后基因沉默是真核生物体进化过程中形成的一种十分重要的抵御外来核酸及病毒入侵的重要的防御机制。此外RNA沉默对生物学研究者有重要意义，双链RNA能高效的诱导特定基因或相关基因家族发生沉默，并且双链RNA诱导产生的转基因沉默亦可控制内源基因的表达，其可作为控制基因表达的一种强有力的工具[5]。RNA干扰具有高效特异性，有研究证明已可用于肿瘤的治疗及病毒的抵御。尽管RNA干扰的研究时间比较短暂，其机制研究也尚不透彻，但RNA干扰在功能基因组学上具有非常巨大的发展前景，可以毫不夸张地说RNA干扰正在功能基因学上掀起一场革命。

参考文献

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田野，曹雪松.植物基因沉默的研究進展[J].聊城大学学报（自然科学版）， 2010， 23（1）：45-48.

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