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生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2011 年第 4 期
RNA干扰技术的基础研究与应用
郭会灿
(石家庄职业技术学院化学工程系，石家庄 050081)
摘 要: RNA干扰技术(RNAi)是一项高效率、强特异性的基因沉默技术。自 1998 年发现 RNA干扰现象以来，RNAi吸
引很多国内外科学家的研究兴趣。经过 10 多年的潜心研究，现在对该技术的参与成分、作用机理都有了较深入地了解。同
时，随着生物学知识的完善和生物技术与基因工程的发展，研究人员对 RNAi 在基因功能研究、疾病(如肿瘤)相关的基因治
疗、新药的研究与开发等方面的应用进行了广泛的探索，并且已经显示该技术的潜在应用价值，但是 RNAi的自身缺陷制约了
其在临床治疗等方面的实际应用。综述前人的研究结果，系统阐述了 RNAi 的发生、作用机理、缺陷以及其应用，为相关科学
研究提供参考。
关键词: RNAi siRNA miRNA dsRNA Dicer RISC
The Basic Research and Application of RNA Interfering
Guo Huican
(Department of Chemistry，Shijiazhuang Vocational Technology Institute，Shijiazhuang 050081)
Abstract: RNA interfering(RNAi)is a high efficient and specific gene silencing technology，that has attracted growing research
since its occurrence in 1998． Now the components as well as the mechanism of RNAi have been well elucidated after more than ten
years’research． With the perfection of biology knowledge and the development of biotechnique as well as genetic engineering，research-
ers have explored extensively about the application of RNAi on gene function research，disease-related gene therapy，the research and
development of new drugs． RNAi has shown its potential value． However，the defects of RNAi have restricted its actual application in the
clinical treatment． In this paper，we elucidated the onset，mechanism，defects as well as application of RNAi systematically based on pre-
vious studies with the aim to provide reference for research．
Key words: RNAi siRNA miRNA dsRNA Dicer RISC
收稿日期:2010-09-29
作者简介:郭会灿，女，硕士，讲师，研究方向:生物制药;E-mail:hedongyang1983@ 126． com
RNA干扰是普遍存在于自然界中的基因沉默
现象。最早在 1995 年，Guo等［1］在研究线虫的身体
极性发育时发现外源导入 Par1 基因的反义 RNA 或
正义 RNA均可以引起线虫体内 Par1 基因的表达下
调。1998 年，Fire等［2］进一步证实了 Guo 等的研究
成果并且首次提出了 RNA 干扰学说。自此 Fire 掀
起了科学界竞相研究 RNAi的热潮。
1 RNAi的作用机理
1. 1 RNAi发挥在基因转录后水平
RNAi的实质是靶 mRNA 的降解，大量研究表
明这依赖一类长度为 21 － 23 个核苷酸的双链小
RNA分子(siRNA)［3］，而这类 siRNA 分子是由一段
较长的双链 RNA(dsRNA)经过如果蝇中 RNase III
样核酸酶 Dicer的剪切产生。在细胞中有多种途径
生成 dsRNA，如广泛存在于基因组中的 DNA 反向重
复序列的转录产物———反义 RNA 和正义 RNA;某
些病毒 RNA 复制中间体等。随着现代生物技术、转
基因技术的进步，可以人为向模式动物如线虫［2］
(C． elegans)体内直接注射 dsRNA 或把线虫浸泡在
含 dsRNA 溶液中或通过相应载体的构建表达等方
式引入外源 dsRNA，以及通过喂养表达正义和反义
RNA 的细菌获得 dsRNA。
然而，siRNA并不是直接降解靶 mRNA，还需要
特定的蛋白或者蛋白复合物。Tabara［4］以线虫为模
型，利用遗传筛选的方法从抗 RNAi 的突变体中获
得了 rde-1基因，进一步研究表明 rde-1 基因在 RNAi
2011 年第 4 期 郭会灿:RNA干扰技术的基础研究与应用
过程中发挥重要作用。用同样的方法，发现一系列
RNAi功能相关基因，如 ego-1、qde-1、smg-2 和 smg-5
等，其中果蝇中的蛋白酶 Dicer 和蛋白复合物 RNA
诱导沉默复合物 RISC在 RNAi中起着关键作用［5］。
Dicer是一个高度保守的 ATP 依赖蛋白酶，隶
属于 RNaseIII家族。它含有 4 个特征结构域:RNa-
seIII 催化域的串联重复结构、dsRNA 结合域、
DExH /DEAH螺旋酶模序以及 PAZ 域。依据细菌
RNaseIII结构分析 Dicer 以二聚体的方式剪切 dsR-
NA，产生磷酸化的 5端和 3羟基。RISC 是一个核
糖核蛋白复合物，具有 RNase酶活性，负责靶 mRNA
的降解。
经大量试验，研究人员已初步阐明 RNAi 的作
用机制［6］(图 1) ，主要分 3 个过程:第一步是针对目
标 mRNA合成同源的 dsRNA，这是 RNAi的基础;第
二步是 dsRNA在 RNaseIII样核酸酶(如 Dicer)的作
用下，裂解为长度 21 － 23 个核苷酸的小分子 RNA，
即 siRNA，这是 RNAi 的启动阀;第三步，即效应阶
段，siRNA指导蛋白复合体 RISC 的形成，一般认为
具有核酸内切酶活性的 Argonaute 蛋白是该复合体
的重要组成部分，然后 RISC选择性地切割目标 mR-
NA中与 siRNA 的反义链互补的区域，进而降低靶
标蛋白的表达。
图 1 RNAi发生途径【6】
1. 2 在转录水平和翻译水平上的 RNAi
研究表明，RNAi 不仅在转录后水平发生，在转
录水平和翻译水平也存在。在转录水平，siRNA 直
接与互补的 DNA 序列结合，提高该 DNA 的甲基化
水平，从而阻止靶标基因的转录［7］。基因组的甲基
化水平与其转录活性是成反比的，高甲基化水平阻
碍基因转录，转录活跃的位点甲基化水平一般很低，
这是 siRNA在转录水平发挥作用的机理。
在细胞中还存在一类长 19 － 21 个核苷酸的小
RNA分子［8，9］，即具有单链结构的 microRNA(miR-
NA)。研究发现 miRNA 作用机制是 RNaseIII 家族
的另一个成员 Drosha 识别、结合 miRNA 前体中的
茎环样结构，并切割该茎环结构的 RNA，产生 miR-
NA前体即 premiRNA。PremiRNA进入胞浆，被 Dic-
er的 PAZ域识别、加工成类似 siRNA的 miRNA。该
miRNA无法降解靶标 mRNA，因为其茎环结构的一
侧有一段特殊序列，不能与靶标 mRNA 完全互补。
但是该 miRNA 能指导 RISC 复合物的组装，结合目
标 mRNA的 3端非翻译区，阻碍蛋白的翻译，达到
沉默基因的功能。
2 RNAi的应用
RNAi高效、特异的基因沉默作用激发了科研工
作者对其应用前景的探索，目前该技术主要被用于
研究一序列生物医学领域比较热点的问题上。
2. 1 RNAi在生物学基础研究中的应用
细胞培养技术和体内动物试验为 RNAi 在生物
学基础研究方面的应用提供了有力的保障。如在
2002 年，Ruvkun［10］团队利用 RNAi 沉默了线虫中
5 690个生活周期相关的基因，发现线粒体中一个称
作亮氨酰-tRNA合成酶的基因在线虫的生命活动中
起着重要的作用。当该基因突变，线粒体的耗氧能
力下降，产生 ATP 的能力也降低，而其生活期延长
了。同样，科研人员利用 RNAi 技术对信号传导途
径、细胞凋亡、细胞周期调控、生物个体发育及生物
机体免疫等［11 － 13］进行了深入研究，并取得一定的成
果，拓宽了后来者的研究视野。
2． 2 RNAi在疾病相关基因研究中的应用［14 － 16］
RNAi的发现不仅让人们更深入认识疾病机理，
也为解决目前临床上无法治疗或者治疗效果很差的
疾病提供了新的思路。肿瘤、血管类疾病及炎症感
染是目前熟知的疑难杂症，也是生物界、医学界专家
研究的重点。
前期研究表明，肿瘤是由体内基因突变的长期
积累引起的，而且不同的肿瘤其相关突变基因也不
同。通过设计合成针对特定靶基因的 siRNA，阻断
或消除突变基因的作用，或者开启特定毒基因表达
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生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2011 年第 4 期
直接杀死肿瘤细胞。如 Siegmund［17］研究小组利用
siRNA抑制 FLIP(FLICE 样抑制蛋白)分子的表达，
消除 FLIP 对 TNF 介导的肿瘤坏死效应的阻碍，从
而肿瘤细胞容易被杀死，达到治疗的功效。
针对高血压、高血脂、糖尿病和顽固炎性感染等
的生物医学研究已经初步揭示其发生机理和分子机
制，为利用 RNAi技术对其治疗提供了前提，相关研
究一直在进行。
2． 3 RNAi在新药研究和开发方面的应用
进入 21 世纪，随着新药发现的数量越来越少，
各种耐药菌却越来越多，化学合成、半合成及微生物
筛选等常规方法已经无法满足临床治疗的需求，急
需寻找新的方法和思路解决这个矛盾。RNAi 的发
现为人类提供了一个契机。siRNA 或者 miRNA 沉
默目标基因依赖特定的空间结构，Chiu［18］发现一个
他们命名为 A 形螺旋的结构对形成反义 RNA-靶
mRNA的双螺旋至关重要。藉此通过计算机模拟技
术，设计合成有 A 形螺旋结构的小分子化合物，结
合常规筛选试验，为获得新药开辟了新途径。
3 RNAi的缺陷
尽管已有 10 多年的探索，但是 RNAi 的研究和
应用仍处于初级阶段，还有很多基础性问题需要解
决和技术性局限亟待突破。例如，发生在转录水平
上的 RNAi是由于基因组甲基化水平的提高而引起
基因沉默的，但是其具体机理有待进一步研究，即
siRNA是通过何种途径导致基因组甲基化的加强，
是否还有其它的蛋白酶类的参与;RNAi信号可以在
细胞间传播，是什么因素介导这种信号运输而避免
被胞内核酶降解。
作为新型基因治疗药物，siRNA 必须具有较好
的体内递送系统。研究表明，和化学类药物相似，
siRNA小分子需要冲破血管内皮壁和多重组织障碍
到达靶细胞，而在靶细胞内其稳定性较差，极易被核
酶降解［19］。另外，全身性给药后 siRNA的非特异性
分布明显降低其有效浓度，影响其药效。对此现今
已经研制出一系列病毒和非病毒递送载体，如脂质
体、阳离子多聚物、纳米粒和胶束等［20］。尽管有其
缺陷性，这些递送系统较好地解决了上述问题，并且
生物高分子材料的飞速发展定会为 siRNA 的体内
递送提供更高效稳定的有机载体。
4 展望
RNAi的发现、发展是生物医学领域的一次飞
跃，在技术方法层出的今天，RNAi 凭借其高效特异
性脱颖而出，成为国内外科学家争相研究的热点。
尽管 RNAi有其自身缺陷，但是相关研究特别是一
些顶尖科学家的研究一直在进行当中，相信未来的
医药市场上 siRNA 相关新型基因治疗药物将为人
类解除很多病苦。
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