2002年12月，美国《科学》杂志评选出了2002年度的十大科技突破，其中名列榜首的一项称之为小分子双链RNA干扰技术。而时隔仅一年，这项技术又被《科学》杂志评为2003年度世界十大科技突破之一。

科学家们认为小分子RNA干扰现象的发现和作为一项高效、高特异性地关闭特定基因表达的新技术，将为基因功能的研究提供一种快速、简便的全新方法，对功能基因组研究与人类疾病的基因治疗带来革命性的变革。那么，什么是小分子双链RNA干扰呢？

从反义RNA谈起

大肠杆菌是我们所熟知的与人类生活息息相关的肠道细菌。每个大肠杆菌都只有一个细胞，细胞的内外屏障是一层称作细胞膜的结构。更确切地说，这种细胞膜是由两层脂类物质并合在一起构成的，膜上有许多蛋白质或附着或贯穿于这两层脂类物质之上或之中，就好像一座座蛋白质小岛漂浮在脂类的海洋中，这就是著名的“细胞膜流动镶嵌理论”所展现的一幅绝美的科学景象图。

在大肠杆菌细胞膜的外层有两种重要的蛋白质，它们分别被称作OMPF和OMPC。20世纪80年代初期，科学研究发现，在培养大肠杆菌的培养液中的渗透压可以调节OMPF和OMPC的含量，当渗透压升高时，OMPF的合成下降，而OMPC的合成增加，从而使OMPF和OMPC的总量保持不变。我们知道，蛋白质的合成是由基因决定的，也就是说，大肠杆菌之所以能够合成OMPF和OMPC，是因为在大肠杆菌的基因组中存在着决定合成这两种蛋白质的基因ompf和ompc。

随后的研究发现，基因ompf和ompc又是受基因ompr和基因envz所调控的。基因envz的表达产物就是ENVZ蛋白，这种蛋白是一种横跨细胞膜脂类物质双层结构的跨膜蛋白质，它可以感受到环境渗透压变化的信号，并将这种信号传递给基因ompr。ompr的表达产物OMPR蛋白可作为促进物调节ompf和ompc基因的转录。基因ompc一方面可转录出信使RNA（mRNA），并进而以这条mRNA为模板翻译合成OMPC蛋白；另一方面也可以转录出一种有174个碱基的小分子RNA。这种小分子RNA可与基因ompf转录出的mRNA的部分碱基序列互补配对，形成双链结构，从而抑制ompf的mRNA翻译出OMPF蛋白。

由于这种小分子的RNA可以通过与目标基因的mRNA形成互补双链而抑制基因的表达（或者说是抑制蛋白质的合成），因此，被称作反义RNA，而与反义RNA互补的RNA链有时也被称为正义RNA。细菌体内存在这种反义RNA的生理意义在于，反义RNA可以通过直接干扰mRNA翻译成蛋白质的能力，而准确有效地控制细菌外膜蛋白的总量。反义RNA也是20世纪80年代生命科学研究中的重大发现，并在科学史上具有深远的意义。

基因的现代分子生物学诠释就是细胞中染色体上具有遗传效应的DNA片段，每个基因都可以决定着一种蛋白质。DNA是由两条互相缠绕的脱氧核糖核酸链构成的，两条脱氧核糖核酸链中共有4种不同的碱基，它们分别是A、T、C和G。这4种碱基可以通过氢键使A与T、C与G相互连接，这种连接被称为碱基的互补配对。

RNA是一条核糖核酸长链，它也有4种碱基A、T、C和U。在RNA与RNA之间，也可以形成碱基A与T、C与U之间的互补配对。现在的一个重要问题是：如果有一条RNA链上的部分碱基排列顺序与一条DNA链上的部分碱基排列顺序恰好互补，那么，这部分互补的碱基是否也能通过氢键相互连接而配对呢？答案是肯定的。联系到前面所讲的反义RNA，我们马上可以意识到，如果利用反义RNA可以与基因（DNA）互补配对的性质，就可以找到一种抑制和封闭基因表达的新方法，这种思想最终被发展成了对当代基因工程技术具有重大影响的反义技术。

利用反义技术向植物细胞中引入反义RNA或反义DNA就可以抑制植物体内某些基因的表达，从而改变植物的某些性状。如利用反义技术抑制咖啡豆中咖啡因基因的表达，而培育一种脱咖啡因的咖啡豆。又如，利用反义RNA来抑制植物病毒，培育抗病新品种。而利用反义技术大规模商业化生产的第一个农产品就是延迟软化的耐贮转基因番茄。此外，利用反义RNA也可抑制某些致病基因的表达，并已经成为新药研发的热点。

小分子RNA干扰

科学家们的最大痛苦也许就在于当他历经千辛所得到的一个无懈可击的实验结果与传统理论相悖的时候。1995年，对于美国康乃尔大学的一些生物学家来说，正是在这种矛盾的痛苦中徘徊的一年。他们在利用反义RNA技术进行特异性抑制线虫体内Par-1基因表达的研究中，作为对照，给另一些线虫注射了正义RNA。按照传统的理论，注射了反义RNA的线虫将抑制Par-1基因的表达，而注射了正义RNA的线虫将增强Par-1基因的表达。但实验却产生了一个意想不到的结果：无论反义RNA还是正义RNA，二者都同样地抑制了Par-1基因的表达。这一与传统反义RNA理论相悖的结果深深地震惊了这些科学家们。

早在20世纪90年代初期，在转基因植物的研究中，科学家们就曾发现当向矮牵牛花中转导编码色素合成的基因时，不仅转入的基因未表达，而且，矮牵牛花体内的色素合成基因也受到了抑制，其结果是这种转基因的矮牵牛花产生了花色相间的现象。当时，这种现象被称为“基因沉默”。

1998年，美国华盛顿卡耐基研究院的费尔（Fire）和麻省理工学院的米勒（Melle）在线虫的“基因沉默”研究中，将正义RNA、反义RNA和双链RNA分别导入线虫体内，结果三者都能抑制相应基因的表达。如果将单链的正、反义RNA纯化后再注射入线虫体内，结果基因的抑制效应则变得十分微弱，而经过纯化后的双链RNA却能高效、特异性地抑制相应基因的表达。他们将小分子双链RNA抑制基因表达这一现象称为RNA干扰。

双链RNA抑制基因表达现象的发现，揭开了人类重新认识RNA调控基因表达机制的新一页。仅仅在1999年，科学家就在细菌、真菌、线虫、植物、哺乳动物直至人类的多种细胞中发现了RNA干扰现象。

在随后一些更深入的研究中，科学家们认识到RNA干扰现象是细胞为保护自身基因免遭诸如病毒入侵或转座子插入编码基因诱发突变等损害而采取的一种使入侵的外源基因失活、却不影响细胞内基因正常表达的保护性调控机制。长度为21～25个核苷酸的小分子双链RNA干扰具有高效率、高稳定性及高特异性等特性。当转基因细胞中存在与外源基因同源的内源基因时，小分子双链RNA不仅能使外源基因在转录水平上失活，而且，也诱导与之同源的内源基因沉默。

那么，RNA干扰的分子机制是什么呢？目前，一般认为细胞中较长序列的双链RNA被核糖核酸酶3所识别并被降解成21～23个核苷酸的小干扰RNA（siRNA），siRNA与一种核酸酶结合形成RNA诱导沉默复合体，最后，siRNA中的反义链与细胞内特异的靶mRNA互补结合，核酸酶切割被结合的mRNA，从而产生特异性抑制基因表达的作用。

目前，科学家们已能在体外针对所要抑制的目的基因，人工合成21个核苷酸长度的双链siRNA，通过适当的载体将这种siRNA导入细胞后，就会产生RNA干扰、特异性地抑制相应基因表达的作用。而利用基因工程技术在细胞内合成siRNA也已取得了很大的进展。

利用小分子双链RNA的这些特性，人们就可以更方便地关闭特定的基因，从而得到有关该基因表达与调控的信息。

对于人类的某些遗传性疾病或病原微生物引起的疾病，如果能针对性地设计出相应致病关键基因的小分子双链RNA，那么，就可以在基因水平上抑制疾病的发生与发展。比如，针对引起“非典型肺炎”的冠状病毒，若能设计出一种与病毒RNA互补的小分子RNA，也许就会从根本上抑制这种冠状病毒对人体的侵害，而成为治疗“非典型肺炎”的一种特效新药。事实上，科学家们已在利用siRNA抑制艾滋病病毒及一些癌基因的表达方面做出了初步的成果。