從功能部件看小干擾RNA表達載體的發(fā)展

侯瑩孫西魁唐明青，2

（1.華僑大學生物醫(yī)學學院&分子藥物研究院，泉州 362021；2.分子藥物教育部工程研究中心，廈門 361021）

從功能部件看小干擾RNA表達載體的發(fā)展

侯瑩1孫西魁1唐明青1，2

（1.華僑大學生物醫(yī)學學院&分子藥物研究院，泉州 362021；2.分子藥物教育部工程研究中心，廈門 361021）

RNA干擾作為轉錄后基因沉默的有效途徑，在基因調控、功能分析及疾病防治等領域發(fā)揮重要作用。小干擾RNA表達載體的誕生實現(xiàn)了RNA干擾技術持續(xù)、穩(wěn)定和可控性應用，是實現(xiàn)基因沉默的理想選擇。目前干擾性小RNA表達載體雖已發(fā)展到第二代，也開發(fā)出多種商品化的產品，但依然未能很好地解決其高效、安全、可控性方面的矛盾，發(fā)展陷入了瓶頸期。因此，從載體自身角度出發(fā)，通過系統(tǒng)分析其功能部件的特點，縱觀小RNA載體的歷史淵源、發(fā)展現(xiàn)狀、存在問題和發(fā)展方向等問題，為干擾性小RNA表達載體的優(yōu)化與選擇提供相關理論指導。

小干擾RNA；表達載體；表達元件；短發(fā)夾式RNA載體；人工微小RNA載體

RNA干擾（RNA interference，RNAi）作為生物界普遍存在的一種抵御外來基因感染的保守機制，本質上是一種由內源性或外源性雙鏈RNA（double strand RNA，dsRNA）引起的靶基因特異性沉默效應（gene silence），已被廣泛應用于基因敲除、基因調控、功能分析和疾病防治等方面，并在基因治療（gene therapy）中嶄露頭角［1-4］。能引起RNAi效應的分子稱為干擾性小RNA分子（interfering small RNA），多為19-29個核苷酸（nt）的非編碼RNA（non-coding RNA，ncRNA），主要包括小干擾RNA（small interfering RNA，siRNA）、微小RNA（microRNA，miRNA）和piwi蛋白RNA（piwi interacting RNA，piwi-RNA）幾類，是RNAi效應的最終“執(zhí)行者”。

目前，干擾性小RNA分子的產生主要依賴于化學合成（chemical synthesized）和載體表達（vector expression）兩種途徑。前者由于體外合成錯誤率高、體內穩(wěn)定性差、成本高及后續(xù)操作條件苛刻等原因，極大的限制了其在現(xiàn)代生物學中的應用和發(fā)展；而干擾性小RNA的載體化表達，即將目的小RNA嵌入特定的載體中進行表達，能很好的彌補化學合成型小RNA的諸多不足，有望實現(xiàn)長效、安全、可控性表達，為個體化及靶向性基因治療奠定了基礎［5］。當前干擾性小RNA表達載體雖然已經(jīng)發(fā)展到第二代，也開發(fā)出了多種商品化的產品，但依然未能很好的解決其高效、安全、可控性方面的矛盾，發(fā)展陷入了瓶頸期。因此，本文從載體自身角度出發(fā)，通過系統(tǒng)分析其功能部件的特點，縱觀小RNA載體的歷史淵源、發(fā)展現(xiàn)狀、存在問題和發(fā)展方向等問題，為干擾小RNA表達載體的優(yōu)化與選擇提供相關理論指導。

1 功能部件

干擾性小RNA表達載體是一類經(jīng)濟、高效的載體，由啟動子（promoter）、表達骨架（expression backbone）、目的小RNA序列及輔助元件（auxiliary component）組成。在實際元件組裝中，先將目的小RNA序列插入表達骨架后形成小RNA表達框，隨后在表達框的上下游分別加入相應的啟動子和輔助元件而形成完整的干擾性小RNA表達載體。因此，小RNA表達框的確定是整個干擾性小RNA表達載體構建的核心部分。目前主要通過化學合成和PCR法來獲取目的小RNA表達框［6，7］，前者適用于較短小的小RNA表達框，而后者適于長片段的小RNA表達框［5，8］。

表1 三類干擾性小RNA表達載體的對比分析

1.1 啟動子

啟動子是DNA鏈上一段能與RNA聚合酶（RNA polymerase）結合并促進起始RNA合成的序列，是基因表達不可缺少的元件。用于干擾性小RNA表達載體的啟動子主要為RNA聚合酶Ⅲ啟動子（PolⅢ）及RNA 聚合酶Ⅱ啟動子（Pol Ⅱ）兩類（表1）。前者如U6和H1，具有固定的起始位點，遇到4-6個連續(xù)的胸腺嘧啶（T）即終止轉錄，能高效、精確地合成目的小RNA序列，但此類啟動子不宜攜帶較大片段的報告基因或其他功能性基因，同時缺乏組織特異性，且易產生脫靶效應（off-target）和細胞毒性（cytotoxicity），目前主要用于siRNA的載體化表達［5，6］。而PolⅡ啟動子如CMV和CAG等，無固定的啟動位點，啟動能力強，可攜帶大片段的報告基因或其他功能性基因亦不會因少數(shù)連續(xù)的胸腺嘧啶而終止轉錄，因此更有利于實現(xiàn)靶向性和可控性表達，廣泛用于內源性miRNA及人工miRNA（artificial miRNA，amiRNA）的載體化表達［9，10］。

1.2 表達骨架

表達骨架由具有發(fā)夾結構（hairpin structure）的小RNA分子模板及側翼序列（flanking sequence）構成。其中發(fā)夾結構由正義鏈（sense strand）、反義鏈（antisense strand）及連接兩部分的套索結構（lariat）組成，是目的小RNA序列能否成功表達的決定性因素［5，11］。研究發(fā)現(xiàn)，通過模擬內源性miRNA分子的骨架結構，能夠有效避免外源性目的小RNA在體內表達時所產生的細胞毒性及對內源性miRNA通路的干擾作用［20］，amiRNA表達骨架則采用此種方法構建。課題組前期研究亦表明，不同表達骨架對相同目的小RNA序列的表達效率最高可相差3個數(shù)量級，同一表達框對不同目的小RNA序列的表達效率最多相差近150倍，而且不同種屬來源的表達框在相同宿主中表達效率相差多達82倍。這不僅體現(xiàn)了表達骨架對干擾性小RNA表達載體的決定性作用，更暗示了其與目的小RNA序列、宿主起源之間的密切關系。鑒于此，今后的研究更應注重表達骨架的結構和進化關系上的問題。

1.3 目的小RNA序列

與常見蛋白基因表達載體不同，干擾性小RNA表達載體中的目的序列主要為長約20 bp的非編碼序列，其本質是特定mRNA分子的反向互補序列。目前常見的小RNA序列主要有siRNA、amiRNA和miRNA三種，前兩種可先借助軟件設計獲取理論上的干擾性小RNA序列，再通過功能性實驗最終獲取目的干擾性小RNA序列［14］，而后者主要參考miRNA文庫（miRNA database），如miRbase［12，21］。

1.4 輔助元件

成功構建一個干擾性小RNA表達載體除了具有上述主要元件外，還需要其他元件的輔助，如報告基因（reporter gene）、增強子（enhancer）、終止子（terminato）等。報告基因是整個實驗操作的指示劑，如綠色熒光蛋白（green fluorescent proteins，GFP）、增強綠色熒光蛋白（enhance green fluorescent proteins，EGFP）、β-半乳糖苷酶（LacZ）、熒光素酶（fluc）等［5，15］，由于這些報告基因都是近1 kb的大片段，目前大多局限應用在pol II啟動子所在的干擾性小RNA表達載體中。增強子是用來增強啟動子工作效率的順式作用元件，能有效促進目的小RNA的轉錄，常用的有SV40［22］、Ago2［8］等。終止子是小RNA序列轉錄的終止序列，常用的有TTTTT（T）序列［23］和SV40polyA序列［24］。前者僅限用于Pol III啟動子所在的干擾性小RNA表達載體，而后者則多見于Pol II啟動子所在的干擾性小RNA表達載體。

2 發(fā)展趨勢

第一個干擾性小RNA載體pSUPER的誕生讓人們看到了干擾性小RNA載體化表達的重要性和優(yōu)越性［6］。隨后，干擾性小RNA載體迎來了5年的黃金發(fā)展期，各種標志性的干擾性小RNA載體相繼被報道［5，17，18］，但近幾年卻未見革命性突破。目前，人們根據(jù)干擾性小RNA載體中表達骨架和目的小RNA的不同，將RNA表達載體分為短發(fā)夾式RNA載體（short hairpin RNA vector，shRNA vector）、內源性miRNA載體（miRNA vector）和人工合成miRNA載體（artificial miRNA vector，amiRNA vector）3大類（表1）。不同類別的載體不僅反映了其自身結構特性的差異，同時也體現(xiàn)了不同的歷史淵源。shRNA載體作為早期干擾性小RNA載體的代表，其衍生產品早已被廣泛應用。而amiRNA載體則代表了干擾性小RNA載體發(fā)展的第二個重要時期，正日益受到人們青睞。當然，miRNA載體作為amiRNA載體的模擬對象，一直是amiRNA載體誕生和改進的源泉與動力。

2.1 shRNA載體

早在2002年，研究者將目的siRNA序列嵌入至短發(fā)夾式小RNA表達骨架中，成功實現(xiàn)了干擾性小RNA的載體化表達，構建了第一個shRNA表達載體［5］。shRNA表達載體的誕生開啟了RNAi載體化的先河，給小RNA的表達帶來了一個全新的突破。因此，shRNA載體亦被稱為第一代干擾性小RNA表達載體。

shRNA載體的表達骨架由兩段反向互補排列的核苷酸序列及一小段用于形成莖環(huán)結構的間區(qū)組成，能轉錄產生一個具有緊密發(fā)夾環(huán)（tight hairpin turn）結構的RNA序列。隨后，轉錄產物流向siRNA發(fā)生途徑，在胞內Dicer酶的作用下直接加工成目的siRNA，發(fā)揮特異性抑制靶基因的作用，因此能產生高效率的基因沉默現(xiàn)象［5］。與傳統(tǒng)的化學合成型siRNA相比，shRNA表達載體時效性更長，成本更低，較少量的shRNA表達載體即可產生良好的抑制效果（表1），被廣泛應用于個體及系統(tǒng)性基因調控研究和RNAi文庫（RNAi library）的建設。

由于shRNA載體主要采用Pol III啟動子和TTTTT（T）終止子進行目的小RNA序列的轉錄，不能進行組織特異性調控，也不宜攜帶報告基因或其他功能性基因，這很大程度的影響了其在現(xiàn)代基因治療中的應用前景（表1）。同時，隨著研究的深入，shRNA載體的其他諸多缺陷也開始引起人們的重視，如存在脫靶效應［17］、易產生細胞毒性和干擾內源性miRNA通路［21，25］等問題（表1）。鑒于此，后續(xù)的研究主要集中在載體結構優(yōu)化上，以期實現(xiàn)shRNA載體高效、安全、特異性表達。Schopman等［11］通過優(yōu)化載體中發(fā)夾環(huán)的序列、結構和大小，成功設計了靶向HIV-1基因的高效shRNA表達載體，使對靶基因的抑制率提高到原來的7倍；Chumakov等［26］在優(yōu)化莖環(huán)結構的基礎上同時實現(xiàn)了多目的小RNA序列的串聯(lián)表達，并采用不同種Pol Ⅲ啟動子分別調節(jié)，大大提高了siRNA的表達率及對靶基因的抑制率。

2.2 miRNA載體

miRNA表達載體作為一類高效、低毒的表達載體，主要通過Pol II或Pol Ⅲ啟動子完成內源性miRNA序列及其表達框的轉錄，形成的miRNA原始轉錄本（pri-miRNA）在核內經(jīng)Drosha酶形成miRNA前體（pre-miRNA），出核后在胞質Dicer酶作用下形成成熟miRNA，發(fā)揮基因調控作用。但目前亦已發(fā)現(xiàn)存在不依賴于Dicer加工而直接由AGO2完成加工和功能鏈選擇的miRNA（miR-451），且與惡性腫瘤的發(fā)生密切相關［27］。miRNA載體的研究主要集中于其攜帶的miRNA與疾病發(fā)生的關系，而非載體自身，是研究疾病發(fā)病機制的有力手段。Liang等［9］以miR-26a為基礎構建了pHsa-miR-26a表達載體，并成功轉染至人肝癌細胞，為進一步研究miR-26a在肝癌發(fā)生發(fā)展過程中的作用提供了有力手段；Yang等［13］以同樣方法構建了miRNA-218表達載體，為抑制乳腺癌的轉移提供了一種新的治療策略。

2.3 amiRNA載體

在意識到shRNA載體可能存在內源性差的問題之后，Zeng等［17］嘗試以人源miR-30a原始轉錄本（pri-hsa-miR-30a）為小RNA表達骨架，成功構建了能模擬內源性mRNA通路的干擾性小RNA載體，即amiRNA載體，第二代干擾性小RNA表達載體由此誕生。隨后，Chung等［18］又以鼠miR-155原始轉錄本（pri-mmu-miR-155）為小RNA表達骨架，同樣實現(xiàn)了目的小RNA分子長效、安全、可控性表達。目前，以pri-hsa-miR-30a和pri-mmu-miR-155為小RNA表達骨架的amiRNA載體是唯一被廣泛認可和商業(yè)化的載體［28，29］。

amiRNA載體的表達框是由內源性miRNA前體衍生而來，長度遠大于shRNA載體的表達框，因此采用Pol II啟動子來完成其轉錄，轉錄產物在體內產生一個無須嚴格配對的莖環(huán)結構，隨后在核內由Drosha酶作用轉化為amiRNA前體（Pre-amiRNA），出核后在Dicer酶的作用下加工為成熟的amiRNA，發(fā)揮靶基因調控作用［26］。由于該過程模擬了內源性miRNA的發(fā)生途徑［30］，因此與第一代干擾性小RNA載體相比，amiRNA載體具有組織特異性強、時間及沉默水平可控性好、毒性低、綜合沉默途徑效果佳等優(yōu)點（表1），廣泛用于基因功能研究和RNAi文庫建設，是干擾性小RNA載體的未來發(fā)展趨勢。

由于amiRNA載體在體內采用與內源性miRNA相同的發(fā)生通路，產生大量的異構小RNA序列（Iso-RNA）在所難免，存在靶點多、預測難、作用溫和的缺點，不利于靶向性和個體化治療研究（表1）。鑒于amiRNA載體在基因治療中潛力的凸顯，圍繞如何提高amiRNA靶向性、表達效率及擴充載體使用范圍的研究日益增多，期望建立更為高效、經(jīng)濟、適用范圍更廣的amiRNA載體。有研究者在商品化表達載體的基礎上，對miRNA-30或miRNA-155前體結構進行改造，通過更換莖環(huán)結構保守區(qū)域的堿基，設計錯配結構，改變限制性酶切位點等手段，以探究不同小干擾RNA分子二級結構對沉默效果的影響，以期望構建一個高效率的amiRNA載體［10，31］。Hu等［15］通過對表達骨架結構的成功改造，實現(xiàn)了單啟動子操控多基因串聯(lián)表達并同時沉默多個靶基因的目的，該方法經(jīng)濟高效，為amiRNA載體的構建提供了一種新的思路。在意識到amiRNA表達骨架具有明顯的種屬特異性及進化保守性后，研究者開始了不同物種及進化關系的miRNA前體的研究，陸續(xù)開發(fā)出以鼠miRNA-21原始轉錄本（primmu-miR-21）［19］、雞miRNA-126原始轉錄本（pri-ggamiR-126）［32］及植物源的miRNA的原始轉錄本［7，33］為表達骨架的載體，均實現(xiàn)了目的小RNA的成功表達和靶基因沉默。不同種屬miRNA原始轉錄本的成功開發(fā)，擴寬了amiRNA表達載體的應用范圍，加快了RNAi基因藥物的研發(fā)進程。

3 結語

RNAi干擾技術發(fā)展至今已成為較為成熟且應用最為普遍的基因調控策略，在基因治療領域擁有較好的前景。但值得注意，風險與優(yōu)勢并存。shRNA載體潛在的脫靶效應及細胞毒性、amiRNA載體的表達效率及種屬特異性等問題都極大限制了小干擾RNA表達載體的臨床應用進程。課題組前期研究亦發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的商品化載體對某些小RNA序列不僅表達效率低下，而且忠誠度不高。最近我們通過生物信息學、文庫篩查、結構突變等方式已經(jīng)獲得了一種表達效率比市售商品高9倍的amiRNA載體（HD7），目前正在對HD7進行通用性和安全性的研究。

未來，相信隨著對RNAi發(fā)生過程的進一步認識，會增強小干擾RNA表達載體的沉默效果并弱化脫靶效應，構建全基因組功能確認的RNAi文庫，并靶向潛在的藥物靶點，為基因治療奠定基礎。針對于此，未來的發(fā)展應側重以下幾個方面：（1）載體表達框的設計與優(yōu)化，完善序列設計策略與工具，構建表達骨架與目的小RNA匹配程度較高的表達框，實現(xiàn)表達骨架、目的序列及受體細胞三者之間的完美匹配；（2）增強遞送系統(tǒng)與表達系統(tǒng)的特異性，針對不同系統(tǒng)進行化學修飾，提高遞送系統(tǒng)的靶向性，或開發(fā)新的遞送系統(tǒng)和表達系統(tǒng)，增強表達載體的適用范圍；（3）多種技術綜合應用，如鋅指核酸酶（ZFNs）、單倍體細胞插入誘變、成簇的規(guī)律間隔的回文重復序列（CRISPR）等技術將會互補基因沉默手段，擴展了解和解決人類疾病的使用工具，更好地促進人類基因組學的研究。

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（責任編輯 狄艷紅）

Evaluating the Development of Small Interfering RNA Expression Vector from Its Functional Elements

Hou Ying1Sun Xikui1Tang Mingqing1，2
（1. School of Biomedical Sciences and Institute of Molecular Medicine，Huaqiao University，Quanzhou 362021；2. Engineering Research Center of Molecular Medicine，Ministry of Education，Xiamen 361021）

RNA interference as a potent gene silencing approach plays important parts in gene regulation， functional study and gene therapy. The small interfering RNA expression vector achieves a sustainable， stable and controllable application of the RNAi technology， and becomes a promising way for gene silencing. Although the interfering RNA expression vector has progressed to the second generation， and many commercial products were availabe， the discrepancies among efficiency， safety and controllability of these vectors still exist. The development of the interfering RNA expression vector seems get into a lag phase. Therefore， this article analysed the history and development of these small interference RNA expression vectors on the basis of their functional blocks， providing a theoretical fundation for the vector's optimization and selection.

small interference RNA；expression vector；expression component；short haipin RNA vector；artificial microRNA vector

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2015.04.009

2014-09-02

國家“863”計劃項目（2012AA020810），國家自然科學基金項目（81271692），華僑大學“中央高?；究蒲袠I(yè)務費”項目（JB-JC1004），華僑大學人才引進項目（14BS111）

侯瑩，女，碩士研究生；研究方向：非編碼RNA；E-mail：hy552014@163.com

唐明青，男，博士，副研究員，研究方向：非編碼RNA，基因藥物，病毒載體；E-mail： Tangmingqing2222@163.com