《基因治疗》课件.ppt
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1、Andrew Z.Fire,Craig Cameron Mello,安德鲁法尔和克雷格梅洛,1995年,康乃尔大学的Su Guo博士在试图阻断秀丽新小杆线虫(C.elegans)中的par-1基因时,发现了一个意想不到的现象。她们本是利用反义RNA技术特异性地阻断上述基因的表达,而同时在对照实验中给线虫注射正义RNA(sense RNA)以期观察到基因表达的增强。但得到的结果是二者都同样地切断了par-1基因的表达途径。这是与传统上对反义RNA技术的解释正好相反的。该研究小组一直没能给这个意外以合理解释。直到1998年2月,华盛顿卡耐基研究院的Andrew Fire和马萨诸塞大学医学院的Cra
2、ig Mello才首次揭开这个悬疑之谜。通过大量艰苦的工作,他们证实,Su Guo博士遇到的正义RNA抑制基因表达的现象,以及过去的反义RNA技术对基因表达的阻断,都是由于体外转录所得RNA中污染了微量双链RNA而引起。当他们将体外转录得到的单链RNA纯化后注射线虫时发现,基因抑制效应变得十分微弱,而经过纯化的双链RNA却正好相反,能够高效特异性阻断相应基因的表达。该小组将这一现象称为RNA干扰(RNA interference,简称RNAi)。在随后的短短一年中,RNAi现象被广泛地发现于真菌、拟南芥、水螅、涡虫、锥虫、斑马鱼等大多数真核生物中。这种存在揭示了RNAi很可能是出现于生命进化的
3、早期阶段。随着研究的不断深入,RNAi的机制正在被逐步阐明,而同时作为功能基因组研究领域中的有力工具,RNAi也越来越为人们所重视。,2000年,RNA的研究进展被美国科学杂志评为重大科技突破;2001年“RNA干扰”作为当年最重要的科学研究成果之一,再次入选“十大科技突破”;2002年12月20日,Science杂志将“Small RNA&RNAi”评为2002年度最耀眼的明星。同时,Nature杂志亦将Small RNA评为年度重大科技成功之一。2003年,小核糖核酸的研究第四次入选“十大科技突破”,排在第四位。RNA研究的突破性进展,是生物医学领域近20年来,可与HGP(人类基因组计划,
4、生物通网站注)相提并论的最重大成果之一。,三、基因干预,Gene Interference,基因干预的种类:,1.反义RNA(antisense RNA)2.干扰RNA(RNA interference)3.核酶(ribozyme),反义RNA:与靶核酸(如mRNA或有义DNA)链互补的RNA分子,可抑制核酸的功能,反义RNA,根据反义RNA的作用机制可将其分为3类:类反义RNA直接作用于靶mRNA的S D序列和(或)部分编码区,直接抑制翻译,或与靶mRNA结合形成双链RNA,从而易被RNA酶 降解;类反义RNA与mRNA的非编码区结合,引起mRNA构象变化,抑制翻译;类反义RNA则直接抑制靶
5、mRNA的转录。,(一)反义RNA 1.反义RNA与基因表达调控 利用反义RNA对体外培养的细胞进行基因表达调控,通常采用的方法有两种:(1)体外合成反义RNA,直接作用于培养细胞,细胞吸收RNA后,发挥作用。(2)构建能转录反义RNA的重组质粒,将质粒转入细胞,转录出反义RNA而发挥作用。,反义RNA的关键技术问题:,反义RNA进入靶细胞前的降解问题,专一性转移问题:,2.受体介导反义RNA技转移术,受体介导的RNA转移十分专一,而且效率高;被转移的RNA是被保护的,与周围环境之间存在多聚赖氨酸的保护层,可以抵抗环境中的核酸酶的降解作用。,将脱唾液酸血清类粘蛋白(ASGP)与多聚赖氨酸(PL
6、)共价连接,得到ASGP-PL复合物,成为运载核酸的工具。ASGP-PL反义RNA复合物可以专一性地被肝细胞表面的ASGP受体所识别,并吞噬到肝细胞中,反义RNA进入肝细胞后,可被逐渐释放出来发挥作用。,借助受体介导DNA转移方法把DNA换成反义RNA,就可以实现受体介导的反义RNA的转移。,3.反义RNA的应用前景,受体介导的反义RNA基因治疗有其自身的优点,而在一定程度上补充了转基因治疗的不足。,(l)安全性高,(2)反义RNA设计和制备方便,(3)具有剂量调节效应,(4)能直接作用于一些RNA病毒,反义RNA只作用于特异的mRNA分子,不改变所调节基因的结构。反义RNA分子无论怎样修饰,
7、最终将在细胞内部被降解,不留“残渣”。,在治疗RNA病毒感染性疾病时,受体介导的反义RNA基因治疗比一般的DNA基因治疗有更大的优势。利用反义RNA可以直接作用于病毒RNA,阻断RNA病毒的繁殖。,(二)干扰RNA,实验结果显示,有义链RNA(sense RNA)或反义链RNA(antisense RNA)均能抑制线虫基因的表达,双链RNA比单链RNA更为有效。将特异的双链RNA注入线虫体内可抑制有同源序列的基因的表达。得到的结果是有义链RNA和反义链RNA都同样阻断基因表达途径。这与传统上对反义RNA技术的解释正好相反。而且其抑制基因表达的效率比反义RNA至少高2个数量级。,1.RNA干扰现
8、象,RNA干扰(RNA interference,RNAi)是一种由双链RNA诱发的基因沉默现象。在此过程中,与双链RNA有同源序列的信使RNA(mRNA)被降解,从而抑制该基因的表达。,对RNA干扰的认识来源于用线虫(C.elegans)和果蝇所进行的实验。,http:/,2.RNA干扰的机制,RNA干扰过程主要有2个步骤:,(1)小干扰性RNA(siRNA),(2)siRNA与细胞内的某些酶和蛋白质形成复合体,称为RNA诱导的沉默复合体(RNA-induced silencing complex,RISC)。,该复合体可识别与siRNA有同源序列的mRNA,并在特异的位点将该mRNA切断。
9、,长双链RNA被细胞内的双链RNA特异性核酸酶Dicer切成21-23个碱基对的短双链RNA,称为小干扰性RNA(small interfering RNA,siRNA)。,A.贾第鞭毛虫Dicer的晶体结构;RNA干扰机制示意图,1.体外化学合成;,2.用质粒载体或病毒载体可在细胞内稳定地生成。,siRNA的产生,3.RNA干扰的应用前景 RNA干扰研究目前已经在功能基因组学研究、微生物学研究、基因治疗和信号转导等广泛领域取得了令人瞩目的进展,使其在医学、生物学领域的应用有着广阔的前景。,(1)研究基因功能的新工具,由于 RNA干扰技术具有高度的序列专一性和有效的干扰能力,可以使特定基因沉默
10、或功能丧失,因此可以作为功能基因组学的一种强有力的研究工具。,RNA干扰技术能够在哺乳动物中抑制特定基因的表达,建立多种表型;抑制基因表达的时间可以控制在发育的任何阶段,产生类似基因敲除的效应。,(2)肿瘤的基因治疗,传统反义RNA技术诱发的单一癌基因的阻断,不可能完全抑制或逆转肿瘤的生长,而RNA干扰技术可以利用同一基因家族的多个基因具有一段同源性很高的保守序列这一特性,设计针对这一区段序列的双链RNA分子,只使用一种双链RNA即可以产生多个基因同时剔除的表型,也可以同时使用多种双链RNA而将多个序列不相关的基因同时剔除。RNA干扰技术可用于治疗有异常基因表达的恶性肿瘤。,K-RAS蛋白为肿
11、瘤发生所必需,bcr/ab1融合基因与人白血病有关,用RNA干扰技术可以阻碍K-RAS蛋白的表达从而抑制肿瘤发生,或杀死有bcr/ab1的人白血病细胞系。通过RNA干扰抑制某些内源性基因的表达,能促进白血病细胞系的细胞凋亡或增加其对化疗药物的反应性。应用RNA干扰技术成功地阻断了MCF-7乳腺癌细胞中一种异常表达的与细胞增殖分化相关的核转录因子基因Sp1的功能。,“沉默”真的是金,(3)病毒性疾病的基因治疗 RNA干扰可以被看成是一种与免疫系统类似的防御机制。用siRNA抑制人类免疫缺陷病毒(HIV)某些基因的表达,如P24、Vif、nef、tat或rev,阻碍HIV在细胞内复制。用RNA干扰
12、技术抑制HIV的受体(CD4)或辅助受体(CXCR4或CCR5)在细胞内表达,可阻碍HIV感染细胞。也可通过RNA干扰抑制其他病毒在细胞内复制,如脊髓灰质炎病毒、人乳头状瘤病毒、乙型肝炎病毒和丙型肝炎病毒等。,“沉默”真的是金,siRNA在病毒感染的早期阶段能有效地抑制病毒的复制,病毒感染能被针对病毒基因和相关宿主基因的siRNA所阻断,RNA干扰技术将成为一种有效的抗病毒治疗手段。这对于许多严重的病毒性疾病的防治具有十分重大的意义。,siRNA的输送(siRNA delivery),siRNA的输送(siRNA delivery),T.Cech,S.Altman,1989年,核酶的发现者T.
13、Cech和S.Altman被授予 诺贝尔化学奖。,(三)核酶(ribozyme),核酶(ribozyme)是具有催化功能的RNA分子,(三)核酶(ribozyme),天然核酶多为单一的RNA分子,具有自我剪切作 用。但核酶也可以由两个RNA分子组成。,在基因治疗时,利用核酶分子结合到靶RNA分子中适当的邻位,形成锤头核酶结构,将靶RNA分子切断,通过破坏靶RNA分子达到治疗疾病(如清除病毒基因组RNA)的目的。只要两个RNA分子通过互补序列相结合,形成锤头状的二级结构(3个螺旋区),并能组成核酶的核心序列(13个或11个保守核苷酸序列),就可在锤头右上方产生剪切反应。,1.核酶的设计,核酶是通
14、过靶RNA分子与核酶分子共同组成酶活性结构域,要从靶分子和核酶分子两个方面来设计核酶。,(1)选择合适的靶部位,该部位具有核酶切割位点,能与核酶分子结合并组成酶活性结构域。,(2)核酶的基本组成:用于基因治疗的核酶分子由三个部分组成,中间是保守序列(能够组成酶活性结构域),两端是引导序列。,在基因治疗中,主要是根据治疗的靶基因序列的特点,设计和合成特定的核酶。设计的基本原则是核酶分子与靶部位结合后能形成酶活性结构域。,核酶的作用机制,2.核酶的应用,与一般的反义RNA相比,核酶具有较稳定的空间结构,不易受到RNA酶的攻击。更重要的是,核酶在切断mRNA后,又可从杂交链上解脱下来,重新结合和切割
15、其它的mRNA分子。,四、治疗基因的受控表达,Regulated Expression of Therapeutic Gene,时间:,要实现治疗基因的受控表达,必须建立完善的基因表达调控体系。基因调控策略大致有以下几种:基因内部调节机制、基因外部调节机制、利用病灶微环境使治疗基因特异性表达以及治疗基因的诱导表达等。,治疗基因的受控表达包括控制治疗基因表达的时间、空间和水平三个方面。,空间:,表达水平:希望治疗基因能在一个适当的水平表达。,1.控制治疗的基因在患者需要实施治疗时才表达,而平时不需要进行治疗时则处于关闭状态;2.根据不同疾病的治疗要求,控制治疗基因持续表达的时间跨度。,是指为了提
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