全基因组RNA干涉技术功能研究将后基因组研究推向新高度

　　

BioMedNet News 2002年1月9日报道：从基因序列到功能，揭开线虫基因组的面纱

——C.elegans研究者利用线虫基因组的序列信息和RNA干涉技术（RNA interference）进行大规模基因功能研究

随着各种模式生物体的基因组计划的完成，生物学家们已经可以方便的从数据库中获得全基因组序列，如何将基因序列转化成功能信息已成为一个急待解决的问题。RNAi是一项快速、高效、便于操作的使靶基因失活的技术。最近，几个研究小组成功的将该技术应用于线虫功能基因组的研究，本文把他们的工作介绍给大家。

两个研究组不约而同的使用了RNAi技术分别对两条线虫染色体上的全部基因进行大规模的功能研究，并正在利用该技术对线虫全基因组进行研究，他们的结果发表在Nature杂志上。

Max Planck分子细胞生物及遗传研究所的Tony Hyman小组研究了线虫3号染色体上的2，174个基因，他们发现其中281 (12.9%)个基因的失活引起了异常的表型。

英国剑桥大学的Julie Ahringer研究组则对线虫1号染色体上的2,445个基因进行了研究，他们的实验发现了339的基因的失活导致了可观察到变异。

Hyman对该技术倍加推崇：“现在人们可以方便的应用RNAi对线虫进行大规模的功能筛选，这也是人类第一次在一次研究中获得了某一生物体内与特定表型相关的全部基因的信息。”此前，其他研究者也试图利用基因剔除技术对酵母进行类似的大规模研究，但只能局限于非致死表型的研究。

尽管一些科学家认为他们的研究只是一种类似于编目录的工作，Hyman很快便指出这个目录只是一个开始。他认为，在此之前，一个博士生要花上数年时间才能找到一个基因，但现在学生们能够很快地发现与某一特定性状（如纺锤体组装）相关的30个基因，这显然更符合现代功能组的要求。

Dana-Farber癌症研究所的Marc Vidal正在试图通过实验构建线虫全蛋白组的蛋白相互作用网络，他对Hyman和Tony Hyman的工作给予了高度评价。他说后两者的研究迈出了人类从整体上理解基因功能的很重要的一步。十年前，一个遗传学家只能从某两个基因的突变导致相似表型的现象中推断这两个基因可能参与了相同的功能途径。但现在通过RNAi，研究者可以一次研究上百个基因是否具相关功能。

当谈到他自己的蛋白组工作和RNAi技术的关系时，Vidal告诉BioMedNet记者说：“我们都在试图利用不同技术建立不同的功能网络，这也是后基因组时代的要求。我想重要的不是这些技术或结果的本身，而是我们如何将不同的实验中得到的数据结合起来从而形成一个统一的基因功能网络。”Vidal上周刚在Science杂志上发表了一项关于DNA损伤的研究工作[Boulton et al.]，基于他自己的结果，Vidal认为他们之间的数据吻合的很好。

RNAi的研究者认为现在还没有什么实验能够一次完成一个完整的功能网络。例如，Ahringer称他们的初筛工作只检测了线虫19，000个基因中的88%，剩下的12%现在还未能成功克隆，等新的引物合成好后才能对其进行研究。尽管如此，那时研究者也只能对大约20种表型进行研究，而这是全部功能性状中的一小部分。

然而，这些大规模的功能筛选所得到的结果还是可以帮助完成一些小型的、目的性更明确的研究，而这些研究将大大有助于填补现在的一些空缺（gap）。现在已经有大约50个实验室在使用Ahringer提供的线虫1号染色体E. Coli基因库进行遗传筛选。例如，EMS (ethyl methanesulfonate)技术是一种线虫基因打靶技术，研究者可以通过观察是否引起报告基因表达改变来确定是否有相关基因被突变，该技术曾被广泛使用。但现在研究者已经不再趋向于使用EMS技术来引入突变，而是利用Ahringer提供的线虫E. Coli基因库。研究者只须让线虫食用不同的细菌株（共有2，445种）来抑制某基因的表达。这两项技术的差别在于当研究者发现报告基因表达改变时，他们已经克隆到了引起这种变化的基因，因为该靶基因就在所喂食的细菌株中。

同样，Hyman公布在网上的数据也在帮助着其他的研究者，这些研究者试图对某些Hyman实验所涉及的部分进行更深入的研究。Hyman说：“就在昨天还有人来告诉我，我们的关于某一性状的一整套数据给了他很大提示。”

同时，还有一些研究组并不是以整条染色体为研究对象，而是利用RNAi技术进行较小范围的筛选工作。Cornell大学（Ithaca, New York）的Ken Kemphues实验室与其他合作者结合RNAi和基因芯片技术对可能参与了卵子发生和早期胚胎建成的650个基因进行了分析。在他们应用RNAi技术研究这些基因时，发现有30%的基因会引起胚胎死亡，而在Hyman和Ahringer的全基因组筛选工作只发现有8-9%的基因的失活会引起此性状。

而Kemphues并不认为他们之间的结果有显著的差别。他说：“如果我们3家实验室比谁能更快、更多的发现胚胎发生过程中的关键基因，我想我们的方法会比全基因组扫描更好，因为我们的目标更集中。但这并不说明什么，因为线虫的基因是有限的，当他们完成了全基因组扫描时，他们也会得到与我们相似的结果。”

这些由不同小组获得的实验数据使Kemphues能够分析出为什么不同的实验方法会得到不同的结果。Kemphues和Hyman实验室都是用显微注射的方法将RNA注射入野生型线虫的性腺；而Ahringer小组则是将可转录成相应RNA的DNA克隆入细菌体内，建立成一个E. coli文库，然后用这种细菌做为野生型线虫的食物，从而达到实验目的。Kemphues小组的研究结果现在还未发表，他希望能够解释他们实验结果之间的差异。

Ahringer认为他们的大规模功能筛选技术为从全基因组水平上研究基因功能提供了一种有效的工具。在她们实验室已获得的数据的基础上，她和其他科学家已经开始向以上目标努力了。她们计划研究参与不同功能途径的一系列基因之间差异、研究同一系列基因所包含的结构域信息，她认为这些数据将有助于研究者从基因组进化的角度考虑某些生物学现象。

也许你会问为什么这些研究都是在线虫体内进行的呢？研究者们做出了以下的解释：

首先，RNAi现象最早是在线虫体内发现的。尽管现在这项技术已成功的应用于其它一些生物，但线虫生殖腺的独特结构使得这项技术能够更有效的应用于线虫。具体的说就是：当研究者将针对某种蛋白的mRNA设计双链RNA注射入线虫生殖腺后，等待16-24小时（RNA干涉发挥作用所须时间）之后再开始收集胚胎进行研究，这时这些胚胎体内已无这种野生型蛋白了，说明双链RNA已经显著的抑制了该蛋白的表达。

而在其它生物体或细胞中，注射入的RNA只能抑制该新蛋白的表达，而无法除去原来已存在的蛋白。在这种情况下，除非待研究的蛋白的半衰期非常短，否则RNAi将无法完全去除该蛋白，因此也降低的研究的价值。

此外，线虫自身的结构也便于人们对其进行研究。研究者可以使用微分干涉显微镜直接观察线虫的每一个细胞，这一特点在现有的模式生物中是绝无仅有的。也就是说：尽管现在有多种生物的基因组计划已完成，线虫仍具有其它生物所无法比拟的优点，这也是为什么研究者更愿意使用线虫作为他们的研究对象。

(基因潮)