丁香園cp
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RNAi技術初探
2006-11-04 14:14BIOX.CN 2005-4-11 10:58:00 來源:丁香園
RNA干擾(RNA interference, RNAi)是近年來發現的研究生物體基因表達、調控與功能的一項嶄新技術,它利用了由小干擾RNA(small interfering RNA, siRNA)引起的生物細胞內同源基因的特異性沉默(silencing)現象,其本質是siRNA與對應的mRNA特異結合、降解,從而阻止mRNA的翻譯。RNAi是生物進化的結果,是生物體對病毒基因等外源核酸侵入的一種保護性反應。它普遍存在於各種生物,具有抗病毒、穩定轉座子及監控異常表達mRNA的生物學功能。RNA干擾現象不僅能提供一種經濟、快捷、高效的抑制基因表達的技術手段,而且有可能在基因功能測定,基因治療等方面開辟一條新思路。
1 RNAi的歷史背景
20世紀20年代,人們發現,植物受到野生型病毒感染後,能產生對另一種親緣關系相近的病毒的抵抗力。而真正發現雙鏈RNA(dsRNA)能引起基因沉默現象,則在1995年。當時,Guo和Kemphues用反義RNA技術阻斷秀麗新小桿線蟲(C.elegans)中parl基因的表達時發現反義RNA具有抑制該基因表達的功能,同時正義RNA也同樣出現了類似的抑制效應,實驗表明正義RNA和反義RNA均能阻抑基因功能表達,而且兩者的作用是相互獨立的,機制也各不相同。1998年,Fire和Mello等人首次發現dsRNA能夠特異地抑制C.elegans中的紋狀肌細胞unc-22基因的表達,結果發現dsRNA所引起的基因沉默效應要比單單應用反義RNA或正義RNA強十幾倍。而且注射入C.elegans的性腺後,在其第一子代中也誘導出了同樣基因的抑制現象,說明在原核生物中,RNAi具有可遺傳性。他們將這一現象稱為RNAi。因為RNAi作用發生在轉錄後水平,所以又被稱為轉錄後基因沉默(PTGS)或共抑制。
此後,又在果蠅、錐蟲、渦蟲、無脊椎動物、脊椎動物、植物、真菌、斑馬魚及哺乳動物等真核生物中發現了RNAi現象。不同領域中的發現促使人們思考它們之間的可能聯系。RNAi在果蠅中得到證實的同時,發現轉座子翻轉移位可啟動RNAi,而轉座子翻轉移位所造成的同源基因沉默很似植物中的共抑制;在線飽霉實驗中,發現PTGS過程中所必須的蛋白QDE1與RNA依賴的RNA聚合酶(RdRp)同源,提示PTGS過程中可能涉及到RNA復制及調節作用。同樣在植物韌皮部注射dsRNA可遍及擴散到整個植株體產生RNAi;更有趣的是,把線蟲浸潤到含有dsRNA液體中或喂養表達dsRNA的工程菌也可以誘發RNAi。這種存在揭示了RNAi很可能是出現於生命進化的早期階段。隨著研究的不斷深入,RNAi的機制正在被逐步闡明,而同時作為功能基因組研究領域中的有力工具,RNAi也越來越為人們所重視。
2 RNAi的作用機理
目前對RNAi的作用機理尚不清楚, RNAi是由dsRNA誘導的多步驟、多因素參與的過程,屬於基因轉錄後調控,其中需要ATP的參與。通常認為dsRNA由核酸內切酶(RNA se Ⅲ)切割成21~23bp的siRNA (在果蠅RNA se Ⅲ 被稱為 dicer),siRNA再與體內一些酶(包括內切酶、外切酶、螺旋酶)結合形成RNA誘導的沉默復合物RISC,然後RISC再特異性地與mRNA的同源區結合,通過酶的作用使mRNA降解,而產生基因沉默。靶mRNA被破壞後, RISC還可以再作用於其它靶分子。siRNA還具有低分子質量、低濃度、沉默信號可在細胞間傳遞甚至傳播至整個有機體以及可遺傳等特點。而大於30bp的dsRNA可引起機體非特異性干擾素樣反應和蛋白激酶(PKP)的激活而使其被降解,從而大大減少了其對mRNA的抑製作用。
3 RNAi的特點
RNAi被美國科學雜志評為2001年十大科技突破之一,科學家對RNA干擾現象之所以表現出極大關注在於RNA干擾在基因功能和相關方面的研究中具有許多傳統方法無法比擬的特點和優勢。RNAi有7個重要特徵
3.1 RNAi是dsRNA介導的PTGS機制
在此過程中,注射該基因的內含子或者啟動子順序的dsRNA都沒有干涉效應。翻譯抑制劑對RNAi不產生影響。
3.2高特異性
RNAi只能特異地降解與之序列相應的單個內源基因的mRNA,而其他mRNA的表達則不受影響。
3.3高效性
無論是在體內還是體外實驗中,僅需少量的dsRNA(幾個數量級濃度)就能有效的抑制靶基因表達,抑制的效率在低等動物中>90%。這表明dsRNA介導的RNA干擾是一個以催化放大的方式進行的。
3.4 dsRNA長度限制性
引發有效iRNA的dsRNA需要一個最小的長度。dsRNA小片段如小於21~23nt(如10~15nt),特異性將顯著降低,不能保證不與細胞內非靶向基因相互作用,如遠遠大於21~23nt,互補序列可能延伸,超出抑制范圍。
3.5 RNAi有濃度、時間雙重依賴性
dsRNA誘發的RNAi效應的強度隨著其濃度的增高而增強。高濃度的dsRNA產生較多的siRNA,不僅能增強反應體系的效應,而且還能抵消ADARs(RNA依賴的腺苷脫氨酶)的作用。實驗表明,RNAi在哺乳動物細胞中只能維持一段時間,干擾效應通常出現在注射dsRNA 6h後,可持續72h以上。
3.6可傳播性
基因表達的效應可以跨越細胞界限,在不同細胞甚至生物體間長距離傳遞和維持,並可傳遞給子一代。
3.7 ATP依賴性
在去除ATP的樣品中RNA干擾現象降低或消失顯示RNA干擾是一個ATP依賴的過程。可能是Dicer和RISC的酶切反應是必須由ATP提供能量。
4 RNAi技術的應用與展望
依據RNA干擾現象,科學家建立了RNA干擾技術,即人為設計合成針對某特定基因序列的dsRNA來關閉或抑制該基因的表達。但RNA干擾已被證實是一種特異、高效、經濟的使基因表達受抑的技術手段。它可有效地將靶基因的表達水平降到一個低的水平,甚至於完全的清除。美國麻省理工大學醫學中心Phillip Zamore預言「RNA干擾將在哺乳動物細胞遺傳學上引起革命性的變化。」人們不再需要花6個月的時間設法去關閉某個基因的表達,利用這項技術,可以在一周之內就可關閉10個基因。
4.1 RNAi技術可發揮重要的作用
4.1.1研究基因功能
與使用基因敲除技術來檢測基因功能相比,RNAi技術卻能方便,快捷的達到這一目的,即使是在一般條件的實驗室也可開展這項工作。利用RNAi技術,科學家已對幾乎全部線蟲基因(大約19000個基因) 功能進行分析檢測。Wianny也報道用dsRNA來阻斷小鼠早期胚胎特異基因,包括卵母細胞的c-mos和早期胚胎E-cadherin及GFP轉基因的表達。
4.1.2抗病毒作用
我們可將病毒在復制中起關鍵作用的基因作為目標設計dsRNA來抑制病毒的復制。自1986年植物學家首次利用轉入煙草花葉病毒(TMV)的核衣殼(CP)基因導入植株培育出抗病毒植株後,已培育了一大批抗病毒植株。
4.1.3研究轉基因沉默機制
在植物的轉基因試驗中,經常發生基因沉默。因此,對轉基因沉默機制的探索可以為在轉基因研究中避免基因沉默提供對策。
4.1.4基因治療
RNAi作用的高度特異性有可能特異地抑制致病的等位基因的表達而達到治療目的,但又不影響正常等位基因。Wilda等在白血病細胞K562試驗中,用對M-BCR/ABL融合基因特異的siRNA轉染K562細胞,發現K562細胞中相應的mRNA被清除,並出現強烈的細胞凋亡現象。
4.2 發展前景
通過實驗手段將dsRNA分子導入細胞內,特異性地降解細胞內與其序列同源的mRNA,封閉內源性基因表達,從反向遺傳的角度研究人類或其他生物基因組中未知基因的功能。近來也有實驗報道通過RNAi研究細胞內脂質平衡過程中涉及的各條途徑。在這之前,曾利用反義RNA與靶mRNA序列互補的特性來抑制其表型的發生,但由於反義RNA對內源性表達的基因抑製作用較弱,往往會產生一些過渡表型,易造成對基因功能判斷錯誤,目前已通過審批認為臨床上具有治療作用的僅有一種葯物——Vitravene。RNAi技術與之相比,特異性更高,作用更迅速,副反應小,在有效地沉默靶基因的同時,對細胞本身的調控系統也沒有影響。
幾乎所有包含已知基因編碼序列的dsRNA都能夠在體外特異性抑制該基因的功能,類似於基因敲除的效果,基於這些特點,RNAi已被發展成一種探查基因功能的有力工具。線蟲中,通過RNAi檢測單個基因功能的分析方法現已擴展為分析整個蠕蟲中存在的19000個基因功能的一種有效方法。相似的策略在植物及其它生物中也得到應用。
作者:蔡軍 黃雪梅(浙江省湖州師范學院生命學科學院 313000)
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