RNAi技术在昆虫学中的研究进展及展望_田宏刚-2012
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
应用昆虫学报 Chinese Journal of Applied Entomology
2012 ， 49 （ 2 ） ： 309 — 316
RNAi 技术在昆虫学中的研究进展及展望 *
田宏刚
1
张文庆
2＊ ＊ 杨凌 712100 ； 510275 ）
（ 1. 西北农林科技大学应用昆虫学重点实验室
2. 中山大学有害生物控制与资源利用国家重点实验室
Advances and prospects of RNAi technology in entomology
TIAN Hong-Gang 1
＊ ZHANG Wen-Qing 2 ＊
（ 1. Key Laboratory of Applied Entomology ，Northwest A＆F University ，Yangling 2. State Key Laboratory of Biocontrol ，Sun Yat-sen University ，Guangzhou
同区域设 计 dsRNA 可 以 有 效 避 免 OTEs 的 产 生， 这将会为我们 在 其 它 昆 虫 中 实 施 RNAi 起 到 一 定 的参考作用， 有助于我们在研究中得到较准确的 结果 。 我们知道 昆 虫 为 天 然 免 疫 系 统， 包括体液免 疫和细胞免疫 2 种方 式， 主 要 用 来 攻 击、 消灭入侵 从而为昆虫的发育提供保障 （ 王 英 和 黄 复 病原体， 生，2008 ） 。 RNAi 作 为 基 因 功 能 研 究 的 重 要 工 具， 研究发现 其 也 是 昆 虫 抵 抗 外 源 病 毒 的 一 种 重 要的天然免疫反应， 主 要 包 括 siRNA 和 miRNA 介 导的 2 种方式 。 siRNA 介 导 方 式 主 要 是 由 外 源 病 以病毒作为模板合成 毒进入生物 体 细 胞 内 以 后， 与病毒 RNA 相 对 应 的 dsRNA ， 然 后 进 入 到 RNAi 途径被 Dicer 切 割 成 siRNA ， 并 使 RNAi 信 号 在 入 从而导致病毒 RNA 的降解以 起 侵外细胞间传递， 到抵御病 毒 的 影 响 。 例 如 Dicer 基 因 突 变 的 果 蝇 与其野生型 相 比 对 病 毒 的 感 染 能 力 更 为 敏 感， 且 随着 病 毒 滴 度 的 提 高 其 死 亡 率 也 逐 渐 增 加 （ Galiana-Arnoux et al． ，2006 ） 。 这即说明了 RNAi 参与了抵抗病毒的免 疫 反 应 。 研 究 还 发 现 细 胞 内 源性的 miRNA 也 参 与 了 维 护 和 调 节 免 疫 反 应 的 其 作 用 方 式 与 siRNA 的 抗 病 毒 方 式 相 似 。 过程， RNAi 抵抗病毒的功能 在 植 物 中 最 初 发 现， 但是目 前的研究表 明 在 昆 虫 、 线虫和哺乳动物细胞中这 是一种 种抵抗病毒 的 天 然 免 疫 方 式 亦 广 泛 存 在， 古老 的 抵 抗 外 源 核 酸 的 保 护 机 制 （ Berkhout and Haasnoot ，2006 ； Ulvila et al． ，2010 ； Blair ，2011 ； Siu et al． ，2011 ） 。 在 这 些 生 物 体 中， 正是由于这 种免疫机制的存在， 才使我们通过 RNAi 对生物基 因功能的研究成为现实 。
转录后基因沉默现象（ post transcriptional gene silencing ，PTGS ） 是最初在植物中被发现的（ Napoli et al． ，1990 ） ， — — 但是导致基因沉默的真正原因 — 由 dsRNA （ double-strand RNA ） 介 导 产 生 的 RNAi 现象 直 到 1998 年 才 在 线 虫 Caenorhabditis elegans 1998 ） 。 现 已 在 真 菌 、 中得以 阐 明 （ Fire et al． ， 植 物、 线虫 、 昆虫 、 小鼠等许多真核生物体内都发现 了这种现象， 目前的研究认为 RNAi 是生物进化过 程 中 保 留 下 来 的 一 种 抵 抗 病 毒 侵 入 （ viral invasion ） 、 转 座 子 扩 展 （ transposon expansion ） 和 对 基因 表 达 的 转 录 后 调 节 的 强 有 力 机 制 （ Buckingham et al． ， 2004 ； Tijsterman et al． ，
2004 ） 。 由于 RNAi 诱导基因沉默的特异性和高效 性， 特别是在非模式生 物 之 中 操 作 的 简 便 性， 现已 广泛的用于 多 种 生 物 的 基 因 功 能 研 究 之 中， 而且 在基于 RNAi 技术 的 有 害 生 物 控 制 和 疾 病 医 疗 方 面 也 都 展 现 出 良 好 的 应 用 前 景 （ Auer and Frederick ，2009 ； Perrimon et al． ，2010 ） 。 在昆虫学研究中， 现在已经采用注射 、 饲喂导 入 dsRNA 或 siRNA （ small interfering RNA ） 的 方 法 在 多 种 昆 虫 之 中 发 现 可 以 诱 导 RNAi 的 产 生 （ Terenius et al． ， 2011 ） 。 这些昆虫包括鞘翅目 、 鳞 翅目 、 膜翅目 、 双 翅 目 和 直 翅 目 等 种 类 的 昆 虫， 而 且研究还发现 在 大 多 数 昆 虫 之 中 RNAi 是 系 统 性
广州
摘
要
RNAi 是一种对抗外源病毒的天然免疫方式， 在昆虫中， 基于生物体中的这种内Fra Baidu bibliotek机制 而 建 立 的 RNAi 技
术已经被广泛用来研究多种昆虫基因的功能 。 近年的研 究 结 果 表 明 RNAi 技 术 在 抵 御 害 虫 和 防 治 益 虫 疾 病 方 面 具有潜在的应用价值， 有可能对农业有害生物的控制 起 到 巨 大 的 推 动 作 用 。 本 文 综 述 了 RNAi 与 昆 虫 免 疫 、 及其 在昆虫基因功能研究 、 害虫控制 、 益虫疾病控制和昆虫系统生物学方面的最新研究进展， 并展望了 RNAi 在 昆 虫 学 研究中的发展趋势 。 关键词 RNAi ，昆虫，基因功能，害虫控制
* 资助项目： 国家自然科学基金（ 31101432 ） 、 西北农林科技大学博士科研启动基金（ 2010 BSJJ064 ） 。 E-mail ： lsszwq@ mail． sysu． edu． cn ＊ ＊通讯作者， 12 05 ， 12 20 收稿日期： 2011 接受日期： 2011-
· 310 ·
1
RNAi 与昆虫免疫
RNAi 一般由 dsRNA 介导， 然后被细胞内一种
称之 为 Dicer 的 酶 切 割 成 21 ～ 25 nt 的 siRNA ， siRNA 与 RISC （ RNA-induced silencing complex ） 结 合， 在 ATP 供能的情况下， 寻找到与 siRNA 序列互 补的靶 mRNA 进行切割， 使其降解， 最终达到了降 导 低 mRNA 表达 水 平 的 作 用 。 现 在 的 研 究 发 现， 致靶标基因沉默的小 分 子 RNA 除 了 siRNA 以 外， 还 有 miRNA （ microRNA ） 和 endo-siRNA （ endogenous small interfering RNAs ） （ Okamura and Lai ，2008 ； Ulvila et al． ，2010 ； Yamaguchi et al． ， 2011 ） 。 在昆 虫 基 因 功 能 研 究 中， 导入虫体的长链 dsRNA 进 入 细 胞 内 即 会 被 Dicer 切 割 成 许 多 小 片 段的 siRNA ， 而 这 些 siRNA 除 了 会 与 互 补 mRNA 结合外， 还有 一 些 siRNA 可 能 会 与 某 些 非 靶 标 基 即导 致 非 靶 标 基 因 沉 默 而 产 生 脱 靶 效 应 因结合， （ off-target effects ， OTEs ） （ Seinen et al． ，2010 ） 。 在果 蝇 Drosophila melanogaster 之 中 的 研 究 发 现 RNAi 筛 选 时 dsRNA 设 计 不 恰 当 会 产 生 许 多 OTEs ， 而且当 siRNA 分子中有大于 19 以上的碱基 与非靶标基因互补时， 那么 OTEs 的几率则会快速 2006 ） 。 由 增加（ Kulkarni et al． ，2006 ； Ma et al． ， OTEs 对 于 我 们 通 过 RNAi 来 鉴 定 基 此可以看出， 所 以 设 计 合 适 的 dsRNA 因功能会有 较 大 的 影 响， 以避免 OTEs 的 产 生 对 我 们 得 到 准 确 的 实 验 结 果 显得尤为重要 。 Seinen （ 2010 ） 和 Booker （ 2011 ） 通 发现针对基因不 过对果蝇进 行 生 物 信 息 学 分 析，
712100 ，China ；
510275 ，China ）
Abstract
RNAi has been recognized as an innate immune mechanism against extracellular viruses ， based on this
biological mechanism ，RNAi technology has been established in insects and used widely to investigate kinds of insects ’ gene functions． In the past years ，researchers have found that RNAi has a potential use against insect pests and control beneficial insects ’disease ，and which may will provide a huge boost for agricultural pest control． We reviewed recent advances focusing on RNAi and insect immunology ， as well as its use in gene function study ， insect pest control ， beneficial insects ’disease control along with the insect system biology ，we also prospect the future development of RNAi applied in entomology． Key words RNAi ，insect ，gene function ，insect pest control
应用昆虫学报 Chinese Journal of Applied Entomology
49 卷
的， 在某些 昆 虫 如 赤 拟 谷 盗 Tribolium castaeum 和 蟋蟀 Gryllus bimaculatus 之 中 还 发 现， 对亲本实施 RNAi 在 其 子 代 中 仍 可 观 察 到 基 因 沉 默 现 象 （ Bucher et al． ，2002 ； Ronco et al． ，2008 ） 。 随 着 利用 研究的深入 和 多 种 昆 虫 基 因 组 序 列 的 公 布， RNAi 方法对 单 个 基 因 功 能 的 分 析 已 发 展 到 对 多 个基因 乃 至 整 个 基 因 组 水 平 基 因 功 能 的 研 究 之 中 。 近年来， 利用 RNAi 介导的转基因植物控制害 虫， 以及在野 外 控 制 益 虫 病 害 的 研 究 方 面 亦 有 了 2007 ； Mao et al． ， 2007 ； 成 功的报道（ Baum et al． ， Hunter et al． ， 2010 ； Mao et al． ， 2010 ） 。 本文重点 就 RNAi 与昆 虫 免 疫 和 RNAi 技 术 在 昆 虫 学 中 的 应用， 以及 RNAi 在昆虫系统生物学研究中的最新 进展进行综述 。
2012 ， 49 （ 2 ） ： 309 — 316
RNAi 技术在昆虫学中的研究进展及展望 *
田宏刚
1
张文庆
2＊ ＊ 杨凌 712100 ； 510275 ）
（ 1. 西北农林科技大学应用昆虫学重点实验室
2. 中山大学有害生物控制与资源利用国家重点实验室
Advances and prospects of RNAi technology in entomology
TIAN Hong-Gang 1
＊ ZHANG Wen-Qing 2 ＊
（ 1. Key Laboratory of Applied Entomology ，Northwest A＆F University ，Yangling 2. State Key Laboratory of Biocontrol ，Sun Yat-sen University ，Guangzhou
同区域设 计 dsRNA 可 以 有 效 避 免 OTEs 的 产 生， 这将会为我们 在 其 它 昆 虫 中 实 施 RNAi 起 到 一 定 的参考作用， 有助于我们在研究中得到较准确的 结果 。 我们知道 昆 虫 为 天 然 免 疫 系 统， 包括体液免 疫和细胞免疫 2 种方 式， 主 要 用 来 攻 击、 消灭入侵 从而为昆虫的发育提供保障 （ 王 英 和 黄 复 病原体， 生，2008 ） 。 RNAi 作 为 基 因 功 能 研 究 的 重 要 工 具， 研究发现 其 也 是 昆 虫 抵 抗 外 源 病 毒 的 一 种 重 要的天然免疫反应， 主 要 包 括 siRNA 和 miRNA 介 导的 2 种方式 。 siRNA 介 导 方 式 主 要 是 由 外 源 病 以病毒作为模板合成 毒进入生物 体 细 胞 内 以 后， 与病毒 RNA 相 对 应 的 dsRNA ， 然 后 进 入 到 RNAi 途径被 Dicer 切 割 成 siRNA ， 并 使 RNAi 信 号 在 入 从而导致病毒 RNA 的降解以 起 侵外细胞间传递， 到抵御病 毒 的 影 响 。 例 如 Dicer 基 因 突 变 的 果 蝇 与其野生型 相 比 对 病 毒 的 感 染 能 力 更 为 敏 感， 且 随着 病 毒 滴 度 的 提 高 其 死 亡 率 也 逐 渐 增 加 （ Galiana-Arnoux et al． ，2006 ） 。 这即说明了 RNAi 参与了抵抗病毒的免 疫 反 应 。 研 究 还 发 现 细 胞 内 源性的 miRNA 也 参 与 了 维 护 和 调 节 免 疫 反 应 的 其 作 用 方 式 与 siRNA 的 抗 病 毒 方 式 相 似 。 过程， RNAi 抵抗病毒的功能 在 植 物 中 最 初 发 现， 但是目 前的研究表 明 在 昆 虫 、 线虫和哺乳动物细胞中这 是一种 种抵抗病毒 的 天 然 免 疫 方 式 亦 广 泛 存 在， 古老 的 抵 抗 外 源 核 酸 的 保 护 机 制 （ Berkhout and Haasnoot ，2006 ； Ulvila et al． ，2010 ； Blair ，2011 ； Siu et al． ，2011 ） 。 在 这 些 生 物 体 中， 正是由于这 种免疫机制的存在， 才使我们通过 RNAi 对生物基 因功能的研究成为现实 。
转录后基因沉默现象（ post transcriptional gene silencing ，PTGS ） 是最初在植物中被发现的（ Napoli et al． ，1990 ） ， — — 但是导致基因沉默的真正原因 — 由 dsRNA （ double-strand RNA ） 介 导 产 生 的 RNAi 现象 直 到 1998 年 才 在 线 虫 Caenorhabditis elegans 1998 ） 。 现 已 在 真 菌 、 中得以 阐 明 （ Fire et al． ， 植 物、 线虫 、 昆虫 、 小鼠等许多真核生物体内都发现 了这种现象， 目前的研究认为 RNAi 是生物进化过 程 中 保 留 下 来 的 一 种 抵 抗 病 毒 侵 入 （ viral invasion ） 、 转 座 子 扩 展 （ transposon expansion ） 和 对 基因 表 达 的 转 录 后 调 节 的 强 有 力 机 制 （ Buckingham et al． ， 2004 ； Tijsterman et al． ，
2004 ） 。 由于 RNAi 诱导基因沉默的特异性和高效 性， 特别是在非模式生 物 之 中 操 作 的 简 便 性， 现已 广泛的用于 多 种 生 物 的 基 因 功 能 研 究 之 中， 而且 在基于 RNAi 技术 的 有 害 生 物 控 制 和 疾 病 医 疗 方 面 也 都 展 现 出 良 好 的 应 用 前 景 （ Auer and Frederick ，2009 ； Perrimon et al． ，2010 ） 。 在昆虫学研究中， 现在已经采用注射 、 饲喂导 入 dsRNA 或 siRNA （ small interfering RNA ） 的 方 法 在 多 种 昆 虫 之 中 发 现 可 以 诱 导 RNAi 的 产 生 （ Terenius et al． ， 2011 ） 。 这些昆虫包括鞘翅目 、 鳞 翅目 、 膜翅目 、 双 翅 目 和 直 翅 目 等 种 类 的 昆 虫， 而 且研究还发现 在 大 多 数 昆 虫 之 中 RNAi 是 系 统 性
广州
摘
要
RNAi 是一种对抗外源病毒的天然免疫方式， 在昆虫中， 基于生物体中的这种内Fra Baidu bibliotek机制 而 建 立 的 RNAi 技
术已经被广泛用来研究多种昆虫基因的功能 。 近年的研 究 结 果 表 明 RNAi 技 术 在 抵 御 害 虫 和 防 治 益 虫 疾 病 方 面 具有潜在的应用价值， 有可能对农业有害生物的控制 起 到 巨 大 的 推 动 作 用 。 本 文 综 述 了 RNAi 与 昆 虫 免 疫 、 及其 在昆虫基因功能研究 、 害虫控制 、 益虫疾病控制和昆虫系统生物学方面的最新研究进展， 并展望了 RNAi 在 昆 虫 学 研究中的发展趋势 。 关键词 RNAi ，昆虫，基因功能，害虫控制
* 资助项目： 国家自然科学基金（ 31101432 ） 、 西北农林科技大学博士科研启动基金（ 2010 BSJJ064 ） 。 E-mail ： lsszwq@ mail． sysu． edu． cn ＊ ＊通讯作者， 12 05 ， 12 20 收稿日期： 2011 接受日期： 2011-
· 310 ·
1
RNAi 与昆虫免疫
RNAi 一般由 dsRNA 介导， 然后被细胞内一种
称之 为 Dicer 的 酶 切 割 成 21 ～ 25 nt 的 siRNA ， siRNA 与 RISC （ RNA-induced silencing complex ） 结 合， 在 ATP 供能的情况下， 寻找到与 siRNA 序列互 补的靶 mRNA 进行切割， 使其降解， 最终达到了降 导 低 mRNA 表达 水 平 的 作 用 。 现 在 的 研 究 发 现， 致靶标基因沉默的小 分 子 RNA 除 了 siRNA 以 外， 还 有 miRNA （ microRNA ） 和 endo-siRNA （ endogenous small interfering RNAs ） （ Okamura and Lai ，2008 ； Ulvila et al． ，2010 ； Yamaguchi et al． ， 2011 ） 。 在昆 虫 基 因 功 能 研 究 中， 导入虫体的长链 dsRNA 进 入 细 胞 内 即 会 被 Dicer 切 割 成 许 多 小 片 段的 siRNA ， 而 这 些 siRNA 除 了 会 与 互 补 mRNA 结合外， 还有 一 些 siRNA 可 能 会 与 某 些 非 靶 标 基 即导 致 非 靶 标 基 因 沉 默 而 产 生 脱 靶 效 应 因结合， （ off-target effects ， OTEs ） （ Seinen et al． ，2010 ） 。 在果 蝇 Drosophila melanogaster 之 中 的 研 究 发 现 RNAi 筛 选 时 dsRNA 设 计 不 恰 当 会 产 生 许 多 OTEs ， 而且当 siRNA 分子中有大于 19 以上的碱基 与非靶标基因互补时， 那么 OTEs 的几率则会快速 2006 ） 。 由 增加（ Kulkarni et al． ，2006 ； Ma et al． ， OTEs 对 于 我 们 通 过 RNAi 来 鉴 定 基 此可以看出， 所 以 设 计 合 适 的 dsRNA 因功能会有 较 大 的 影 响， 以避免 OTEs 的 产 生 对 我 们 得 到 准 确 的 实 验 结 果 显得尤为重要 。 Seinen （ 2010 ） 和 Booker （ 2011 ） 通 发现针对基因不 过对果蝇进 行 生 物 信 息 学 分 析，
712100 ，China ；
510275 ，China ）
Abstract
RNAi has been recognized as an innate immune mechanism against extracellular viruses ， based on this
biological mechanism ，RNAi technology has been established in insects and used widely to investigate kinds of insects ’ gene functions． In the past years ，researchers have found that RNAi has a potential use against insect pests and control beneficial insects ’disease ，and which may will provide a huge boost for agricultural pest control． We reviewed recent advances focusing on RNAi and insect immunology ， as well as its use in gene function study ， insect pest control ， beneficial insects ’disease control along with the insect system biology ，we also prospect the future development of RNAi applied in entomology． Key words RNAi ，insect ，gene function ，insect pest control
应用昆虫学报 Chinese Journal of Applied Entomology
49 卷
的， 在某些 昆 虫 如 赤 拟 谷 盗 Tribolium castaeum 和 蟋蟀 Gryllus bimaculatus 之 中 还 发 现， 对亲本实施 RNAi 在 其 子 代 中 仍 可 观 察 到 基 因 沉 默 现 象 （ Bucher et al． ，2002 ； Ronco et al． ，2008 ） 。 随 着 利用 研究的深入 和 多 种 昆 虫 基 因 组 序 列 的 公 布， RNAi 方法对 单 个 基 因 功 能 的 分 析 已 发 展 到 对 多 个基因 乃 至 整 个 基 因 组 水 平 基 因 功 能 的 研 究 之 中 。 近年来， 利用 RNAi 介导的转基因植物控制害 虫， 以及在野 外 控 制 益 虫 病 害 的 研 究 方 面 亦 有 了 2007 ； Mao et al． ， 2007 ； 成 功的报道（ Baum et al． ， Hunter et al． ， 2010 ； Mao et al． ， 2010 ） 。 本文重点 就 RNAi 与昆 虫 免 疫 和 RNAi 技 术 在 昆 虫 学 中 的 应用， 以及 RNAi 在昆虫系统生物学研究中的最新 进展进行综述 。