抑制mRNA的降解實際上就是抑制RNA酶的活性,主要的RNA酶抑制劑有以下幾種
焦碳酸二乙酯,即DEPC,通過和RNA酶的上活性中心的組氨酸的咪唑環(huán)結合而使蛋白質變性。
異硫氰酸胍是目前認為是最有效的RNA酶抑制劑。
氧釩核糖核苷復合物能與RNA酶結合形式過渡類物質,抑制RNA酶的活性。
RNA酶的蛋白質抑制劑(RNasin),是一種從大鼠肝或人胚盤中提取得來的酸性糖蛋白。Rnasin是RNA酶的一種非競爭性抑制劑,可以和多種RNA酶結合,使其失活。
還有像SDS、尿素、硅藻土等對RNA酶也有一定的抑制作用。
RNA干擾的分子抑制機制的三種方式及原理 轉錄抑制 與RNAi有關的dsRNA及蛋白質可參與染色質的修飾作用,使其中的組蛋白和DNA發(fā)生甲基化作用,使相應基因不能被轉錄,從而導致受阻基因不能表達。
這種在轉錄水平上阻斷基因功能,使基因沉默的RNAi方式被稱為轉錄基因沉默(Transcriptional gene silencing,TGS)。這種現(xiàn)象先在植物中得到證實,但是在哺乳動物中是否存在仍有爭議。
2004年Svoboda等研究表明,在小鼠卵母細胞中,通過RNAi引起靶基因表達沉默的長dsRNA不能引起相應DNA區(qū)域從頭合成DNA的甲基化。Morris等也于同年得出實驗結論,針對內源基因啟動子的siRNA能夠引起其區(qū)域內CG島以及組蛋白H3K9的甲基化,從而在轉錄水平抑制基因的表達。
轉錄后抑制 不同來源的dsRNA通過各種轉基因技術轉入植物、線蟲或哺乳動物細胞內,、被切割產生siRNA片斷,再由合成的RISC切割靶mRNA從而阻斷基因表達。這種基因能正常轉錄成mRNA,但mRNA因被降解使基因功能被阻斷,這種RNAi方式叫做轉錄后沉默(Post transcriptional gene silencing,PTGS)。
siRNA對靶mRNA降解具有序列特異性,只能引起同源mRNA降解,如果siRNA與mRNA有一個bp不配對,RNAi作用就極大降低,如果兩者有4個bp不配對,就不能產生RNAi。 翻譯抑制 Grishok等在研究RNAi時,發(fā)現(xiàn)在細胞中在細胞中存在內源性小片段單鏈RNA(ssRNA),其長度也在21~25 nt之間,這種ssRNA可與mRNA的3′非翻譯區(qū)(3′UTR)特異性地結合,從而抑制mRNA的翻譯和相應的功能蛋白質合成。
這種小片段的ssRNA叫做stRNA(small temporal RNA)。ssRNA的形成是因為當RNA的大小為70~80 nt時,容易形成雙鏈的莖環(huán)狀結構,其雙鏈莖的長度正好在21~25 nt之間,這樣的雙鏈結構易被Dicer酶識別并切割成stRNA,由stRNA抑制翻譯。
這種方式的RNAi也作用于轉錄后形成的mRNA,它在調節(jié)生物細胞內基因的表達、自身的發(fā)育方面起著重要的作用。
:1 位于AUG之前的5' 上游非編碼區(qū)---先導序列,作為核糖體的識別和結合位點:S-D 序列(原核生物):5'-AGGAGG-3';'5'-cap;掃描序列(GCCA/GCCAUGG )(真核生物Kozak順序)。
注:mRNA的二級結構容易對其翻譯起作用;2 拖尾序列—位于終止密碼子之后不翻譯的3'下游非編碼區(qū);3 編碼區(qū) 從起始密碼子AUG開始直至終止密碼子,對第一個順反子,一旦mRNA的5'端被合成,翻譯起始位點即可與核糖體相結合,而后面幾個順反子翻譯的起始就會受其上游順反子結構的調控 mRNA的次級結構有可能控制翻譯的其始。。
1、mRNA運輸控制
運輸控制(transport control)是對轉錄本從細胞核運送到細胞質中的數(shù)量進行調節(jié)。真核和原核生物不同,有一個核膜包被的核,此核膜就是一個基因表達的控制點。
我們知道初始轉錄本是在核內廣泛地被加工。實驗表明幾乎只有一半的蛋白編碼基因的初始轉錄本一直留在核里面,然后被降解掉。成熟的mRNA如何調節(jié)從核內轉運到細胞質中呢?看來這些mRNA都要通過核孔進行轉運,但是對于從核中輸出的過程以及輸出或保留所需的信號知道得很少。某些證據(jù)表明SnRNPs對于mRNA留在核中是很重要的。例如在抑制剪接體裝配的成熟酵母中,mRNA易于從核中的輸出。這就導致產生剪接體滯留模型(spliceosome retentior model)。在這個模型中剪接體的裝配與mRNA的輸出相競爭,這樣,當前體mRNA在剪接體經過加工的過程中,RNA滯留在核中,不能與核孔相互作用。當加工完成后,內含子被切除了,mRNA從剪接體上解離下來,游離的mRNA能與核相互作用,但內含子不行?,F(xiàn)在還不清楚mRNA是否需要一個特殊的輸出信號還是屬于無規(guī)則的輸出。
2、mRNA翻譯的控制
mRNA分子通過核糖體對它們的選擇充當了翻譯調節(jié)的主角。不同的翻譯明顯地影響到基因的表達。例如mRNA儲存在很多脊椎和無脊椎動物的未受精卵中,在未受精階段蛋白質合成率是很低的,但一旦受精蛋白質合成立即增加。因此這各合成的增加并沒有新的mRNA的合成,可能是由于存在一種翻譯控制之故。最近認為這種翻譯控制主要是蛋白降解控制,在控制中蛋白降解的速率是受到調節(jié)的。
在細胞質中所有的RNA都要受到降解控制(degradation control)在控制中RNA降解的速率(也稱為RNA的轉換率是受到調節(jié)的。通常核糖體中的 rRNA和tRNA是很穩(wěn)定的,相比之下mRNA分子的穩(wěn)定性很不一致,有的mRNA的壽命可延續(xù)好幾個月,有的只有幾分鐘。我們在某些類型的細胞中加入調節(jié)物可使某些特殊蛋白的合成增加。這可能涉及到相關基因轉錄速率的增加,也可能涉及到其mRNA穩(wěn)定性的增加。表18-11表明某些特殊效應分子對各種組織和細胞中的mRNA穩(wěn)定性的影響。
真核生物基因的翻譯調控的一個重要作用是控制mRNA的穩(wěn)定性。在某些真核細胞中的mRNA進入細胞質以后,并不立即作為模板進行蛋白質合成,而是與一些蛋白質結合形成RNA蛋白質(RNP)顆粒。這種狀態(tài)的mRNA的半衰期可以延長。mRNA的壽命越長,以它為模板進行翻譯的次數(shù)越多。家蠶的絲芯蛋白基因是單拷貝的,但在幾天內,一個細胞中可以合成多達1010個絲芯蛋白分子。這是它的mRNA分子和蛋白質結合成為RNP顆粒而延長了壽命的結果。真核細胞中mRNA的平均壽命通常為3 h,而絲芯蛋白的mRNA的平均壽命卻長達4 d,從這里可以看出mRNA的壽命控制著翻譯活性。不同發(fā)育時期,mRNA的壽命的長短不同,翻譯的活性也不同。mRNA的壽命除與5′的帽和3′的尾有關外,還與mRNA結合形成mRNA蛋白質顆粒的蛋白質組分有關。
其實mRNA的降解可能是基因表達調控的一個重要控制點,mRNA降解速率的不同表現(xiàn)了和各mRNA結構特點有關。特別是mRNA的選擇性降解在很大程度上是由于核酸酶和mRNA內部結構相互作用的結果。例如在很多短壽命的mRNA 3′端非翻譯區(qū)(UTR)中的一組富含AU的序列(UUAAUUUAU)是和它們的不穩(wěn)定性有關系的,但現(xiàn)在還不清楚AU豐富區(qū)怎樣使mRNA不穩(wěn)定的,可能和去消poly(A)有關;也可能AU序列與80S復合物形成過程中的某種因子結合。
動物細胞mRNA的制備
植物細胞mRNA的制備 1、mRNA在無細胞翻譯體系指導合成高分子量蛋白質的能力。無細胞翻譯系統(tǒng)(Cell-free translation system),又叫體外轉錄-翻譯的偶聯(lián)系統(tǒng),因為該系統(tǒng)需要制備無細胞提取物,還有人稱之為溶胞粗制品翻譯系統(tǒng)。
無細胞提取物的制備:
用機械的,超聲波的,滲透壓或用適當?shù)娜ノ蹌┑确椒?,將細胞溶破,再高速離心出去其質膜與細胞核等.該提取液中含有RNA聚合酶,核糖體,tRNA和能量發(fā)生系統(tǒng).
常見的體外無細胞翻譯系統(tǒng):
兔網(wǎng)織紅細胞系統(tǒng)。網(wǎng)織紅細胞無細胞核,其合成的蛋白質90%以上為珠蛋白.
1. PABP在翻譯起始中的作用 所有真核生物mRNA 5′端都有帽子結構,早在1976年Shtkin就根據(jù)體外翻譯實驗結果指出,5′端帽子有增強翻譯效率的作用。
此后眾多研究證實,大多數(shù)mRNA的翻譯依賴于帽子結構。 除了帽子外,真核生物mRNA的3′端大都有polyA尾巴,在許多體內實驗和高活性的體外翻譯體系中都觀察到,mRNA polyA結構與翻譯效率有直接的關系,帶polyA的mRNA比無polyA尾巴的相應mRNA的翻譯效率高得多。
5′端帽子和3′端polyA能夠協(xié)同地調節(jié)mRNA的翻譯效率。進一步研究表明,真核生物翻譯起始過程中,polyA被PABP所結合,通過PABP影響翻譯。
PABP在真核生物中高度保守,含有4個RNA識別模體(RNA recognition motif, RRM)。Sachs等首先證明,PABP參與翻譯起始。
PABP能協(xié)助60S亞基與40S亞基結合從而促使80S核糖體的形成〔5〕。生化方面的證據(jù)也揭示了PABP在翻譯起始中的作用。
無論是polyA還是5′端帽子結構都不能單獨作用于翻譯,而只能協(xié)同作用,PABP在此過程中參與帽子和其起始因子的相互作用〔3、6〕。可能PABP可以直接與CBP作用或通過一個中介物間接作用(如圖1),通過這種相互作用,mRNA的兩末端在空間上十分靠近而形成環(huán)狀。
這與40多年前電子顯微照相觀察到多核糖體是環(huán)狀的實驗結果一致??赡苷婧松锞褪峭ㄟ^兩末端作用而提高翻譯效率的。
圖1 翻譯起始mRNA兩末端的相互作用 如果在溶菌酶的體外翻譯體系中加入外源polyA,蛋白質的合成就受抑制,這表明外源polyA結合(squester)了一種翻譯必須成分。Gallie等還發(fā)現(xiàn),沒有帽子結構的mRNA的抑制效應比有帽子的mRNA大,表明含5′端帽子的mRNA能高效競爭易被外源polyA結合的某成分。
而且,加入純化的eIF4F和eIF4B能逆轉polyA導致的抑制效應??梢姡@種外源polyA所結合的成分就是eIF4F、eIF4B。
雖然這些因子能直接作用于polyA,但是它們與polyA的親合力只有它們與PABP的親合力的二分之一左右〔7〕。對此最可能的解釋是,polyA與eIF4F、eIF4B的結合是通過PABP/polyA復合物和各因子間的蛋白質-蛋白質相互作用完成的。
在酵母和植物中,PABP與eIF4F(eIFiso4F)的大亞基eIF4G(eIFiso4G)直接作用而促進40S亞基與mRNA結合〔7、8〕。但哺乳動物的PABP卻不和eIF4G直接作用。
最近在哺乳動物中發(fā)現(xiàn)了一個與eIF4G具一定同源性的PABP作用蛋白,PAIP-1。Craig等〔9〕就此提出了一個模型,認為哺乳動物PABP和eIF4A以PAIP-1為中介而在polyA和5′-UTR間形成一個橋,5′端帽子和polyA對翻譯起始的協(xié)同作用或許是按以下步驟完成的:eIF4A通過與eIF4G作用而召集于5′端帽子,而帽子反過來又促進eIF4A的召集反應(圖1),然后eIF4A以PAIP-1為中介與PABP作用〔4、9〕。
在植物中,不但eIF4F(eIFiso4F)和eIF4B能分別提高PABP對polyA的親和力,而且兩者還能協(xié)同影響PABP對polyA的結合力。提示PABP、eIF4F、eIF4B三因子間必有一個功能上的相互作用〔7〕。
而在哺乳動物體內,eIF4F含量較低,為提高翻譯效率,eIF4F與PABP結合以分別提高它們與帽子及polyA的結合〔4〕。 PABP與其相關起始因子的分子間相互作用受細胞間PABP和mRNA濃度的控制,在一定濃度下,polyA(很可能是與PABP共同作用)能選擇性提高體外mRNA的翻譯。
而且,兩末端的這種PABP參與的分子間相互作用對翻譯前mRNA的完整性起著檢測作用,從而可以阻止不完整的mRNA的翻譯。PABP在起始中參與分子間作用的另一個原因,也許是通過兩末端靠近促進再起始。
已有證據(jù)表明,40S亞基在翻譯結束后仍與mRNA結合在一起;與mRNA結合的核糖體能被優(yōu)先召集。在GCN4 ORF的上游有 4個小的上游開放閱讀框(suORF)。
GCN4 mRNA為了翻譯遠端開放閱讀框,40S亞基在近端suORF翻譯后仍與mRNA結合著。隨著第一suORF翻譯的終止及60S亞基的脫離,仍有50%的40S亞基與mRNA結合繼續(xù)進行掃描,從而提高翻譯效率。
40S亞基在翻譯終止后,仍結合于mRNA的3′-UTR有利于再起始,而3′-UTR長度決定其結合的時間。翻譯效率低的mRNA往往利用這種機制,構建一系列3′-UTR長度不一的mRNA,隨著3′-UTR長度加長,翻譯效率也提高。
3′-URT越長,翻譯終止后,核糖體仍結合于3′-UTR的時間也長,從而提高了它們的召集反應。而且在此過程中,結合在mRNA上的40S亞基濃度比已從mRNA上脫離的40S亞基濃度高。
PABP/polyA復合物和eIF4F/5′端帽子復合物可能便于再召集〔4〕。2. 兩末端的相互作用提高mRNA穩(wěn)定性 PABP和CBP的相互作用不但能促進高效翻譯起始,而且在維持mRNA的完整性方面也起著重要作用〔4、9〕。
在酵母和哺乳動物中,mRNA在降解時,去polyA的反應發(fā)生于去帽子之前。polyA首先降解導致PABP從mRNA上釋放,隨著PABP的釋放,5′端帽子被去帽子酶DcplP切掉,整個mRNA也迅速被5′→3′RNA核糖體外切酶XrnlP降解。
PABP從mRNA上的釋放使5′端帽子易受攻擊,PABP在此過程中起了保護作用。PABP能增強植物eEF4F和帽子結構的結合,說明PABP是以eIF4G。
基因沉默是存在于轉錄或轉錄后水平。 至于名稱之類滴,在我之前就有人回答了~[個人認為基因沉默不等于RNA干擾!,現(xiàn)在只能說轉錄后水平的基因沉默與RNAi在分子層上是同一現(xiàn)象]
轉錄后水平是:控制蛋白質合成的基因在RNA合成后開始。
基因沉默的原因是組蛋白修飾,創(chuàng)造一種環(huán)境的異染色質圍繞一個基因,使其無法進入的轉錄機制( RNA聚合酶,轉錄因子等)。
轉錄后基因沉默的原因是基因的某個特定基因被破壞或阻礙。銷毀mRNA翻譯,以防止形成一個活躍的基因產物(在大多數(shù)情況下,是一種蛋白) 。含有共同機制的是:轉錄后基因沉默與RNA干擾。
這兩個轉錄和轉錄后基因沉默是用來調節(jié)內源性基因。機制的基因沉默也保護生物的基因組轉座子和病毒。因此,基因沉默可能是一種古老的免疫系統(tǒng)的保護等傳染病的DNA分子。
基因沉默的DNA甲基化在減數(shù)分裂,如絲狀菌粗糙脈。
======關于RNAi的定義=======
目前對RNAi (RNA interference)的定義有很多種,不同的資料對其定義的側重點也不盡相同,如果將RNAi看作一種生物學現(xiàn)象,可以有以下定義:
① RNAi是由dsRNA介導的由特定酶參與的特異性基因沉默現(xiàn)象,它在轉錄水平、轉錄后水平和翻譯水平上阻斷基因的表達。
② RNAi是有dsRNA參與指導的,以外源和內源mRNA為降解目標的轉基因沉默現(xiàn)象。具有核苷酸序列特異性的自我防御機制,是一種當外源基因導入或病毒入侵后,細胞中與轉基因或入侵病毒RNA同源的基因發(fā)生共同基因沉默的現(xiàn)象。
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如果將其作為一門生物技術,則定義為 :
① RNAi 是指通過反義RNA與正鏈RNA 形成雙鏈RNA 特異性地抑制靶基因的現(xiàn)象,它通過人為地引入與內源靶基因具有相同序列的雙鏈RNA(有義RNA 和反義RNA) ,從而誘導內源靶基因的mRNA 降解,達到阻止基因表達的目的。
② RNAi是指體外人工合成的或體內的雙鏈RNA(dsRNA)在細胞內特異性的將與之同源的 mRNA降解成21nt~23nt 的小片段,使相應的基因沉默。
③ RNAi是將與靶基因的mRNA 同源互補的雙鏈RNA(dsRNA ) 導入細胞,能特異性地降解該mRNA ,從而產生相應的功能表型缺失, 屬于轉錄后水平的基因沉默(post - transcriptional gene silence , PTGS)。
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可以在信號-基因-mRNA-蛋白4階段抑制:
信號:激活該基因的抑制基因。
信號:加入抑制該基因的蛋白。
基因:加入抑制該基因的化學品 。加入抑制該基因的siRNA。
mRNA:加入促進 mRNA 降解的siRNA 等
蛋白:加入促進蛋白降解或阻斷蛋白成熟的分子。
以上只談到加法, 還可以用減法
如: 信號:去處激活該基因的蛋白。
這樣一共可以有多于10種 辦法。
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反義RNA,根據(jù)反義RNA的作用機制可將其分為3類
Ⅰ類:這類反義RNA直接作用于其靶mRNA的SD序列和/或編碼區(qū),引起翻譯的直接抑制(ⅠA類)或與靶mRNA結合后引起該雙鏈RNA分子對RNA酶Ⅲ的敏感性增加,使其降解(ⅠB類).
Ⅱ類:這類反義RNA與mRNA的SD序列的上游非編碼區(qū)結合,從而抑制靶mRNA的翻譯功能.其作用機制尚不完全清楚,可能是反義RNA與靶mRNA的上游序列結合后會引起核糖體結合位點區(qū)域的二級結構發(fā)生改變,因而阻止了核糖體的結合.
Ⅲ類:這類反義RNA可直接抑制靶mRNA的轉錄.
RNAi (RNA interference) 即RNA干涉,是近年來發(fā)現(xiàn)的在生物體內普遍存在的一種古老的生物學現(xiàn)象,是由雙鏈RNA(dsRNA)介導的、由特定酶參與的特異性基因沉默現(xiàn)象,它在轉錄水平、轉錄后水平和翻譯水平上阻斷基因的表達。RNAi 廣泛存在于從真菌到高等植物、從無脊椎動物到哺乳動物各種生物中。同時作為一項新興生物技術,RNAi有著廣泛的應用前景。本文主要論述了RNAi的發(fā)現(xiàn)、RNAi 的機理、RNAi的作用特點以及RNAi 的應用前景。
1.RNAi的定義
目前對RNAi (RNA interference)的定義有很多種,不同的資料對其定義的側重點也不盡相同,如果將RNAi看作一種生物學現(xiàn)象,可以有以下定義:① RNAi是由dsRNA介導的由特定酶參與的特異性基因沉默現(xiàn)象,它在轉錄水平、轉錄后水平和翻譯水平上阻斷基因的表達。② RNAi是有dsRNA參與指導的,以外源和內源mRNA為降解目標的轉基因沉默現(xiàn)象。具有核苷酸序列特異性的自我防御機制,是一種當外源基因導入或病毒入侵后,細胞中與轉基因或入侵病毒RNA同源的基因發(fā)生共同基因沉默的現(xiàn)象。
如果將其作為一門生物技術,則定義為:① RNAi 是指通過反義RNA與正鏈RNA 形成雙鏈RNA 特異性地抑制靶基因的現(xiàn)象,它通過人為地引入與內源靶基因具有相同序列的雙鏈RNA(有義RNA 和反義RNA) ,從而誘導內源靶基因的mRNA 降解,達到阻止基因表達的目的。② RNAi是指體外人工合成的或體內的雙鏈RNA(dsRNA)在細胞內特異性的將與之同源的 mRNA降解成21nt~23nt 的小片段,使相應的基因沉默。③ RNAi是將與靶基因的mRNA 同源互補的雙鏈RNA(dsRNA ) 導入細胞,能特異性地降解該mRNA ,從而產生相應的功能表型缺失, 屬于轉錄后水平的基因沉默(post - transcriptional gene silence , PTGS)。
各種不同定義雖然說法不同,但所描述事實是大體相同的,簡單地可以說,RNAi就是指由RNA介導的基因沉默現(xiàn)象。
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