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IMPACTCitationspTXB1isanE.coliexpressionvectorintheIMPACT™Kit(NEB#E6901)(1,2).Itisdesignedforthein-frameinsertionofatargetgeneintothepolylinkerupstreamoftheMxeintein/chitinbindingdomain(27kDa)(2,3,4,5).Thefusionproteinisboundtochitinbeadsandthethiol-inducedcleavageactivityoftheinteinreleasesthetargetprotein.pTXBvectorsarerecommendedforuseinintein-mediatedproteinligationandC-terminallabeling(2).Thisdoublestrandedvectoris6,706basepairsinlength.

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RNAi (RNA interference) 即RNA干涉,是近年来发现的在生物体内普遍存在的一种古老的生物学现象,是由双链RNA(dsRNA)介导的、由特定酶参与的特异性基因沉默现象,它在转录水平、转录后水平和翻译水平上阻断基因的表达。
RNAi的定义
目前对RNAi (RNA interference)的定义有很多种,不同的资料对其定义的侧重点也不尽相同,如果将RNAi看作一种生物学现象,可以有以下定义:① RNAi是由dsRNA介导的由特定酶参与的特异性基因沉默现象,它在转录水平、转录后水平和翻译水平上阻断基因的表达。② RNAi是有dsRNA参与指导的,以外源和内源mRNA为降解目标的转基因沉默现象。具有核苷酸序列特异性的自我防御机制,是一种当外源基因导入或病毒入侵后,细胞中与转基因或入侵病毒RNA同源的基因发生共同基因沉默的现象。
如果将其作为一门生物技术,则定义为:① RNAi 是指通过反义RNA与正链RNA 形成双链RNA 特异性地抑制靶基因的现象,它通过人为地引入与内源靶基因具有相同序列的双链RNA(有义RNA 和反义RNA) ,从而诱导内源靶基因的mRNA 降解,达到阻止基因表达的目的。② RNAi是指体外人工合成的或体内的双链RNA(dsRNA)在细胞内特异性的将与之同源的 mRNA降解成21nt~23nt 的小片段,使相应的基因沉默。③ RNAi是将与靶基因的mRNA 同源互补的双链RNA(dsRNA ) 导入细胞,能特异性地降解该mRNA ,从而产生相应的功能表型缺失, 属于转录后水平的基因沉默(post - transcriptional gene silence , PTGS)。
各种不同定义虽然说法不同,但所描述事实是大体相同的,简单地可以说,RNAi就是指由RNA介导的基因沉默现象。
原理
最近由于RNA干扰(RNA interference,RNAi)的发现使反义领域的研究增多。这种自然发生的现象最早是在秀丽线虫中发现的(1),是序列特异性地使转录后的基因沉默的有力机制。由于最近两年在RNAi领域取得的进步,已经有许多这方面的综述发表(2-4)。RNA干扰是由长的双链RNA分子发动的,该分子可以被Dicer enzyme加工成长度为21-23个核苷酸的RNA(见图)。RNaseIII蛋白被认为是作为一个二聚体发挥作用,它对双链RNA的两个链都进行切割,酶切的产物3'末端互相重叠。然后这种小的干扰RNA分子(small interfering RNAs,siRNAs)掺入RNA诱导的沉默复合物(RNA-induced silencing complex,RISC),引导核酸酶降解靶RNA。
这种保守的生化机制可用于研究多种模式生物的基因功能,但是它在哺乳动物细胞中的应用受到阻碍,因为长的双链RNA分子会引起干扰素应答。因此Tuschi及其同事表明长度为21nt的siRNA可以特异性的抑制哺乳动物细胞基因表达是一个革命性的突破(5)。这个发现激发了大量利用RNAi技术对哺乳动物细胞的研究,因为与传统的反义技术比,RNAi的性能明显较高。
有趣的是,除了短双链RNA,短发夹RNA(short hairpin RNA,shRNA),比如茎环结构在细胞内经过加工后也可以变成siRNA,从而产生RNA干扰(6、7)。这使得构建表达干扰RNA的载体,从而使哺乳动物细胞内基因表达长期沉默成为可能(4、8)。shRNA可以利用RNA聚核酶III启动子转录,在正常情况下,该启动子是控制小核RNA(small nuclear RNA,snRNA)U6(6、7、9、10)或者RNaseP的组分H1 RNA(11)转录的。另外一种办法是两段短RNA分子分别用U6启动子转录出来(6、12、13)。载体介导的siRNA表达使对功能缺失(loss-of-function)表型进行长期分析成为可能。在稳定转染的细胞内,两个月后仍可观察到沉默现象(11)。
另外一种延长siRNA抑制基因表达时间的方法是对化学合成的RNA进行核苷酸修饰。尽管未经修饰的短双链RNA在细胞培养物或者体内的稳定性出乎意料的高,然而有些情况下,需要对siRNA的稳定性进行进一步提高。因此,可以在两条链的末端都引入经过修饰的核苷(14)。一个5'端为两个2'-O-甲基RNA、3'端为4个甲基化核苷的siRNA与序列相同但是未经修饰的siRNA比活性相同,但是在细胞培养物中引起的基因沉默现象的时间延长。然而,增多siRNA中的甲基化核苷,或者在核苷中引入体积较大的烯丙基将导致siRNA活性下降。
RNA干扰在哺乳动物体内的第一个研究是利用快速注射大量生理溶液的方法将一个编码shRNA的质粒注入老鼠的尾静脉(15、16)。在大多数器官中,报道基因(编码于共转染质粒或者转基因小鼠上)的表达可以被有效地抑制。另外,Fas基因被作为肝损伤治疗相关的内源靶标进行了RNA干扰实验(17)。注射siRNA之后,小鼠肝细胞中的Fas mRNA和蛋白水平下降了10天。把Fas基因沉默可以保护小鼠免遭由注射竞争性Fas特异抗体引起的爆发性肝炎,82%用siRNA处理的小鼠活过了10天观察期,而所有的对照小鼠在3天之内死亡。
上述研究中采用的高压导入技术是一种粗暴的方法,不适于治疗用。因此,标准的基因治疗所采用的方法被用于RNA干扰。一个反转录病毒载体被用于导入siRNA,以抑制人类胰腺肿瘤细胞中的癌基因K-ras等位基因(18)。负调控癌细胞中K-ras基因的表达使得它们在注入无胸腺的裸鼠皮下之后不再具有形成肿瘤的能力。这项研究还表明siRNA的高度特异性,因为只有癌基因K-ras被沉默,而与之只有1个碱基对差异的野生型等位基因并没有被沉默。另外,当在纹状区注射表达siRNA的腺病毒之后,转基因小鼠大脑中GFP基因的表达可以被抑制(19)。β-葡萄糖醛酸苷酶(b-glucoronidase)的活性可以通过在小鼠尾静脉注射重组腺病毒抑制。有趣的是,具有CMV启动子和最小的polyA尾的RNA聚合酶II表达元件被用于这个实验,为设计组织特异性或者可诱导的siRNA载体打开了大门。
总的来说,siRNA的第一个体内实验已经进行,其他有重要意义的基因有望于很快作为靶标开展研究。至今为止的研究没有观察到任何应用siRNA引起的毒性作用,但是在治疗人类疾病的临床试验开始之前仍需小心,以排除长期使用RNA干扰引起的严重副作用。因为用siRNA使基因表达沉默与传统的反义技术相似,研究者将从十多年来反义技术研究的教训中获益,比如需要使用合适的对照以证明基因表达的敲除是特异性的,以及对免疫系统可能引起的意外影响进行详细分析。
应用
siRNA可用于研究基因的功能,可是后基因组时代的今天,研究人员已经不满足于一个一个基因沉默这样的研究节奏了,功能基因组学的研究更需要一个能站在全局高度研究多个基因之间关系的工具,因此,用作大规模RNA干扰用的shRNA/siRNA文库应运而生。 shRNA/siRNA文库联合使用高通量筛选技术和高内涵图像分析技术,使得RNAi筛选在反向基因组学、功能基因研究、药物发现等多个领域成为了一个 强大的应用工具。
北京赛诺亚生物技术有限责任公司(http://www.sirnoa.com/)是一家拥有独立自主产权的、以RNAi筛选的相关产品和技术服务为重点生物高新技术企业。公司专业从事各种高通量miRNA检测、RNA干扰筛选、药物筛选、文库筛选及相关产品的研发和销售,同时提供进行各种RNAi相关的载体构建、病毒包装 服务和细胞生物学试剂。公司致力于为从事生命科学研究和早期药物研发的科研人员提供一站式的RNA干扰相关服务。
总结
经过长期盛衰沉浮,反义技术近年来得到越来越多的注意。对能够提高靶表亲和性和生物稳定性、降低毒性的修饰核苷的研究取得了重要进展。由于大多数新的DNA类似物不能激活RNaseH,对反义寡核苷酸的设计需要考虑靶mRNA是否需要保留,例如,是改变剪接方式,还是降解靶mRNA(这种情况下应该使用gapmer技术)。可以通过有系统的修饰天然核酶或者通过体外选择技术获得具有高催化活性的稳定核酶。一些反义寡核苷酸和核酶已经进入临床试验研究,一个反义药物已经在1998年获得批准。一个重要的突破是发现短的双链RNA分子可用于哺乳动物细胞中特异性沉默基因表达。这个方法与传统的反义技术比效率明显更高,并且一些体内实验的数据已经发表。因此,反义技术有望广泛应用于对未知功能基因的研究、药物靶标的确认和治疗。
标记基因通常用来检验重组DNA载体转化成功与否,或者检测目的基因在植物细胞或组织中的定位。常用的标记基因是一些抗生素抗性基因,如卡那霉素抗性基因、潮霉素标记基因等。
如:某种具有氨苄抗性基因质粒(该基因即可认为标记基因),与外源DNA片段组合形成重组质粒,并被转入受体细胞后,就可以根据受体细胞是否具有氨苄抗性来判断受体细胞是否获得了目的基因。当用选择培养基(比如含有氨苄的培养基),来培养受体细胞时,能够在培养基中存活下来的受体细胞就可以认为是成功的导入了外源DNA,标记基因就起作用了。
作为报告基因,在遗传选择和筛选检测方面必须具有以下几个条件:(1)已被克隆和全序列已测定;(2)表达产物在受体细胞中不存在,即无背景,在被转染的细胞中无相似的内源性表达产物;(3)其表达产物能进行定量测定。目前常用的报告基因有氯霉素乙酰转移酶基因(cat)、荧光素酶基因(luc)、β-葡萄糖苷酸酶基因(gus)、分泌型碱性磷酸酶基因(seap)、绿色荧光蛋白基因(gfp)等。
如:
绿色荧光蛋白(gfp)基因。绿色荧光蛋白来源于海洋生物水母,其基因可在异源组织中表达并产生光,GFP
Cdnad开放阅读框架长度约740bp,编码238个氨基酸残基,其肽链内部第65-67位丝氨酸-脱氢酪氨酸-甘氨酸通过自身环化和氧化形成一个发色基因,在长紫外波长或蓝光照射下发出绿色荧光。转染后的细胞可在荧光显微镜或流式细胞仪(FACS)中直接观察基因的表达。
当然,确定miRNA与mRNA之间的互作,我们还有更直接的方法,那就是从实验上寻找物理相互作用。我们可以利用RNA诱导沉默复合物(RISC)中的Argonaut(AGO)蛋白的抗体进行免疫共沉淀(co-IP)。生物通 www.ebiotrade.com
目前更先进的方法是通过紫外线照射以交联复合物,然后开展深度测序以鉴定发现的RNA,这种方法被称为紫外交联免疫沉淀结合高通量测序(HITS-CLIP),或CLIP-seq。利用这种方法来寻找miRNA的靶基因,能够明显降低miRNA结合位点的假阳性预测率,并且缩小miRNA结合位点的空间范围,可在全基因组范围内鉴定AGO蛋白与不同RNA上的结合。现在有多家公司提供CLIP-seq服务,如锐博生物。
Clontech公司(Takara旗下)也推出了一种新工具,能协助鉴定细胞中的miRNA靶点。这一工具名为MirTrap系统。它利用RISC蛋白的显性失活突变体,允许miRNA与其目标结合,但限制进一步的加工。此亚基整合到内源的Argonaute/RISC复合物中,并“锁定”miRNA-目标mRNA。显性失活亚基上的DYKDDDDK(FLAG表位)标签有助于整个Ago/RISC复合物的捕获和分离。这样就能实现miRNA及其目标的免疫沉淀,从而通过新一代测序或定量PCR来鉴定或定量。生物通
整个过程大致如下:
1. 创建miRNA模拟物。生物通 www.ebiotrade.com
2. 将这些miRNA模拟物和pMirTrap载体共转染到哺乳动物细胞,并孵育24小时。同时利用miR-132、pMirTrap载体和pMirTrap对照载体开展对照转染。
3. 利用附带的MirTrap分离试剂盒裂解转染后的细胞培养物。生物通 www.ebiotrade.com
4. 利用分离试剂盒中的磁珠对RISC复合物(其中包括靶标mRNA)进行免疫沉淀。
5. 利用附带的NucleoSpin RNA XS试剂盒分离与磁珠结合的靶标mRNA。
6. 通过qPCR或新一代测序分析分离出的RNA,鉴定出特定miRNA的靶标mRNA。
Sigma-Aldrich的MISSION Target ID cDNA文库让研究人员能够在实验室内开展全转录组范围的miRNA和ncRNA靶基因鉴定。它是个全转录组范围的cDNA文库。在文库转染和选择之后,细胞被已知miRNA转染。对于那些包含与miRNA相互作用的cDNA的细胞,它们将生存到第二轮。那些选择出的cDNA可通过测序来鉴定。这样,研究人员只需投入很少,就能实现大范围的筛选。
靶基因的验证
预测终归是预测,miRNA的靶基因还必须经过验证。这个过程与一开始寻找靶基因的过程相似,也就是抑制或过表达miRNA,然后检查mRNA或蛋白水平的反应。生物通 www.ebiotrade.com
目前最常用的方法是荧光素酶报告基因法。首先,构建荧光素酶表达载体,将希望鉴定的miRNA靶基因的3’UTR插入荧光素酶基因的3’UTR中,然后将构建好的重组载体转染到细胞中,并改变miRNA的表达水平,最后检测荧光素酶的表达情况,以分析3’UTR中是否含有miRNA的靶位点。
目前有多家公司提供荧光素酶报告载体或构建服务。Promega就提供pmirGLO双荧光素酶表达载体。它采用萤火虫荧光素酶和海肾荧光素酶这两种报告基因,其中萤火虫荧光素酶(luc2)作为主要报告基因,其表达减少意味着内源性的或外源引入的miRNA 与克隆的miRNA 的靶序列发生了结合;海肾荧光素酶/新霉素基因(hRluc-neo)作为对照报告基因,既能实现归一化处理,又能筛选稳定转染的细胞系。这样就以一个载体实现了以往两个载体的功能。
就目前而言,预测和鉴定miRNA靶基因的方法虽然不少,但仍然没有一种常规方法。随着计算机算法的不断改进和生物学技术的快速发展,这种现状有望改变。让我们拭目以待吧。(生物通 余亮)
似乎都是鉴定目的基因是否导入受体细胞 没有鉴定是否成功导入质粒的 鉴定目的基因是否导入受体细胞有四个层次 1 直接鉴定受体细胞中是否有目的基因 用DNA分子杂交 2 鉴定目的基因是否转录 分子杂交(mRNA) 3 目的基因是否表达 抗原-抗体 (蛋白质) 4 看受体细胞发育成的个体是否表现出相关性状
RNA干扰主体实验的重点在于: 按照nature的标准,一个严格的RNAi介导knockdown实验要有6个对照:
⒈转染试剂对照(监控转染及培养条件对结果的影响);
⒉nonsense siRNA对照(监控外源核酸本身对结果的影响);
⒊positive siRNA对照(监控假阴性);
⒋技术重复对照(也叫off-target 对照,也就是利用至少2个靶点的siRNA同时实验,2个siRNA互为off-target control,当两者的表型相同时,才有可能是特异性的knockdown效应);
⒌rescue 对照(knockdown之后做超表达,看是否有性状的逆转,这也是为了说明knockdown的特异性);6.全表达组扫描对照(就是转录/表达芯片扫描,以最终确定表型不是由于off-target造成)。
实际实验中,全表达组扫描对照很少有文献涉及。其它几个对照中,1,2两种对照即所谓的空白细胞对照、NC对照,基本是所有杂志都要求具备的。4,5两种对照,主要是为了解决off-target效应,选做一种即可,一般建议选5,涉及的实验即所谓的“RNA干扰回复实验”, 一般应该从mRNA水平、蛋白质水平、细胞表型水平三个层次来检测干扰效率。
mRNA水平:RT-PCR、Real-time PCR;蛋白质水平:Western-blot、ELISA、免疫组化;细胞表型水平:MTT、克隆形成实验、流式细胞检测、细胞小室实验等。RNA干扰效率在动物模型上的进一步验证(体内) 动物模型实验可以采取“体内法”和“体外法”。
体内法,即先做裸鼠成瘤模型,再将质粒或病毒导入裸鼠,检测RNA干扰效果。此法操作复杂,对质粒和病毒产品的质和量要求都较高,但是比较贴近实际,说服力较显著。体外法,即先将质粒或病毒导入肿瘤细胞,再将肿瘤细胞导入动物体内,然后检测RNA干扰效果。此法操作较简单,对质粒和病毒产品的质量要求较低,所以为大多数文献所采用。建议采用此方法来进行动物模型水平的实验。向左转|向右转
早期基因捕获载体的特点是当报告基因与内源基因的读码框一致时,产生由内源蛋白的N 末端与报告基因蛋白融合的活性蛋白质 。近来对这一类载体所做的改进是在报告基因与SA 序列间插入一来源于脑、心肌炎病毒的IRES ,这样即使报告基因与捕获基因不发生融合也可产生报告基因翻译产物。尽管ES 细胞中大量基因具转录活性,为了获得全基因组突变克隆必须使用不依赖于捕获基因表达的筛选策略。因此,在第一、二代基因捕获载体中应用报告基因和含自身启动子( PGK) 的筛选标记基因neo ,抗药性的产生不需要捕获基因的表达。不同的是,第二代基因捕获载体中筛选标记基因3′末端没有polyA 加尾信号而含有一剪接供体序列 ,必须由内源基因提供polyA 加尾信号以产生稳定的筛选标记基因mRNA 而获得筛选克隆,因此与第一代载体相比,降低了基因间插入的背景。polyA 捕获载体还解决了第一代基因捕获载体突变基因信息鉴定的难题。3′- RACE 可用以鉴定polyA 捕获基因3′端编码序列或3′非翻译区(UTRs) 序列信息,对于基因鉴定比5′- UTRs 序列有用得多。用以克隆捕获特异类型蛋白编码基因的多种新型载体也已问世,如Skarnes 等利用分泌蛋白的原理及β-gal 活性在内质网被灭活的特点设计了一种载体专门用以捕获在ES 细胞中表达的编码穿膜分泌蛋白的基因 。一些研究小组还在载体中引入了重组位点,以实现由重组酶介导的捕获位点插入后修饰 。这种“敲进 ”的策略允许对捕获位点作进一步修饰,如“指派”捕获基因的启动子成分驱动敲入的转基因表达来进行“回复突变( rescue) ”或细胞标记实验;通过敲入含不同突变的捕获基因cDNA 还可产生等位基因系列;含lox 位点的载体还可实现在捕获基因组条件性取代载体产生更精细的突变,包括点突变和/ 或选择性表型标记,可以更好地控制突变的性质。向左转|向右转
1. 宿主范围广, 对人致病性低
腺病毒载体系统可广泛用于人类及非人类蛋白的表达。腺病毒可感染一系列哺乳动物细胞,因此在大多哺乳动物细胞和组织中均可用来表达重组蛋白。特别需要指出的是:腺病毒具有嗜上皮细胞性,而人类的大多数的肿瘤就是上皮细胞来源的。另外,腺病毒的复制基因和致病基因均已相当清楚,在人群中早已流行(70-80%成人体内都有腺病毒的中和抗体存在)。人类感染野生型腺病毒后仅产生轻微的自限性症状,且病毒唑治疗有效。
2.
在增殖和非增殖细胞中感染和表达基因
逆转录病毒只能感染增殖性细胞,因此DNA转染不能在非增殖细胞中进行,而必须使细胞处于持续培养状态。腺病毒则能感染几乎所有的细胞类型,除了一些抗腺病毒感染的淋巴瘤细胞。腺病毒是研究原代非增殖细胞基因表达的最佳系统,它可以使转化细胞和原代细胞中得到的结果直接进行对比。
3.
能有效进行增殖,滴度高
腺病毒系统可产生1010到1011VP/ml,浓缩后可达1013VP/ml,这一特点使它非常适用于基因治疗。
4.
与人类基因同源
腺病毒载体系统一般应用人类病毒作为载体,以人类细胞作为宿主,因此为人类蛋白进行准确的翻译后加工和适当的折叠提供了一个理想的环境。大多数人类蛋白都可达到高水平表达并且具有完全的功能。
5.
不整合到染色体中,无插入致突变性
逆转录病毒可随机整合到宿主染色体,导致基因失活或激活癌基因。而腺病毒则除了卵细胞以外几乎在所有已知细胞中都不整合到染色体中,因此不会干扰其它的宿主基因。在卵细胞中整合单拷贝病毒则是产生具有特定特征的转基因动物的一个较好的系统。
6.
能在悬浮培养液中扩增
293细胞可以适应悬浮培养,这一调整可使病毒大量扩增。大量事实证明悬浮293细胞可在1~20L的生物反应器中表达重组蛋白。
7. 能同时表达多个基因
这是第一个可以在同一细胞株或组织中用来设计表达多个基因的表达系统。最简单的方法是将含有两个基因的双表达盒插入腺病毒转移载体中,或者用不同的重组病毒共转染目的细胞株来分别表达一个蛋白。测定不同重组病毒的MOI比值可正确估计各重组蛋白的相对共表达情况。
正是由于具有以上一些优点,腺病毒被极其广泛地应用于体外基因转导、体内接种疫苗、和基因治疗等各个领域。

