最初,siRNA序列的選擇是基於實驗經驗而獲得的(Elbashir et al. 2001,2002)。最近,生物信息學工具被用來設計siRNA(表18-1),目前多個資料庫收錄了經過實驗確證的siRNA和shRNA。值得推薦的是,在設計新的siRNA之前可以通過搜尋已有的siRNA資料庫和科研文獻來尋找已確證的siRNA。如果不能獲得已確證的siRNA,則應該為每個靶基因設計3~5條候選siRNA(Pei and Tuschl 2006)。以下將介紹如何挑選有效和特異性強的siRNA。有關siRNA設計的詳細過程請參考Birmingham等(2007)的研究。
2、長度和非配對結構。儘管20~25個核苷酸長度、包含2個非配對鹼基形成的3'端突出“尾巴”的雙鏈siRNA顯示出了與常規siRNA相當的效率,但常規的雙鏈siRNA依然是長度為21個核苷酸、兩端包含2個非配對鹼基形成的3'端突出“尾巴”,模擬了Dicer酶體內切割的主要產物。長度超過30個鹼基的雙鏈RNA能夠在哺乳動物體細胞中誘導干擾素反應。一些長度超過23個鹼基的RNA雙鏈體能夠誘導細胞特異性的干擾素反應(Reynolds et al. 2006)。
3、熱力學不對稱性。進入RISC的siRNA鏈被稱為“嚮導鏈”(圖18-2)。這一siRNA鏈的5'端鹼基配對較為鬆弛(動力學穩定性稍差),被RNA干擾機器識別為嚮導(Khvorova et al. 2003;Schwarz et al. 2003)。嚮導鏈進入RISC,兩者之間的這種結合會通過5'端的G∶U錯配得到加強。反之,也可以通過化學修飾減弱信使鏈(嚮導鏈的反義鏈,目標mRNA的同義鏈)與RISC的結合(Nykanen et al.2001;Chen et al. 2008)。
4、GC含量和核苷酸偏好。有關siRNA設計的大量分析顯示:具有生物學功能的siRNA不能含有回文(palindromic)序列和內在重複序列,並且GC含量達到30%~52%。迴文序列或者內在重複序列會形成二級結構,干擾與RISC以及目標mRNA的結合(Patzel et al. 2005)。GC含量過高或者過低會干擾兩條siRNA鏈的分離,減慢與RISC的結合。此外,成熟RISC與目標mRNA的強烈結合會妨礙切割產物的釋放,使酶的轉換效率降低(Haley and Zamore2004;Tang and Zamore2004)。有關高效siRNA性質的多因素分析顯示:嚮導鏈的第1~第7個鹼基應該是U或者A,第10個鹼基應為A或者U,第19個鹼基應為G或者C(Pei and Tuschl 2006)。這些“規律”預示了嚮導鏈的結合喜好,使其與靶標保持適當的親和力,促進對靶標的多輪切割。
5、RNA干擾介導的脫靶效應。RNA干擾介導的脫靶效應是指雙鏈siRNA的嚮導鏈或信使鏈介導的對基因表達的非特異性抑制,具有濃度依賴性(圖18-3)(Jackson et al. 2006a)。RNA干擾介導的脫靶效應通常會在siRNA發揮類似內源性miRNA的作用時發生,即通過小RNA嚮導鏈的“種子序列”(2~7位或2~8位核苷酸)與其目標mRNA結合(Lim et al. 2005;Lin et al. 2005;Birmingham et al. 2006)。目前已經有多種消除這種脫靶效應的方法。儘管通過同源性搜尋(如BLASTn或者Smith-Waterman算法)來減少可能存在脫靶效應的siRNA的方法套用比較廣泛,但這一方法仍不能消除大多數的脫靶效應,這是因為無法避免第6位和第7位核苷酸與細胞內mRNA匹配的偶然情況。通過將針對同一mRNA的多個無相關性siRNA混合使用以降低每一種siRNA濃度的方法可提高RNA干擾的特異性(Kittler et al. 2007),但是這種方法有著嚴格的適用要求。對siRNA嚮導鏈的第2位核苷酸進行不依賴於序列的化學修飾同樣可以提高效率,這一方法減少了siRNA對既定靶標以及靶標之外mRNA的親和力(Jackson et al. 2006b)。唯一被證實的可提高RNA干擾特異性的方法是設計siRNA分子,使其正確的RNA鏈進入有功能的RNAi酶複合體,或者可以對信使鏈進行化學修飾,以阻止其通過RNA干擾途徑發揮作用(Elménet al. 2005)。
6、天然免疫反應和毒性。在哺乳動物中,如果siRNA包含富含G和U的序列基序,如GUCCUUCAA或者UGUGU,那么此siRNA有可能通過Toll樣受體激活細胞內的天然免疫通路(Hornung et al. 2005;Judge et al. 2005;Marques and Williams 2005;Sioud 2005)。然而,其他的免疫刺激因素仍然有待鑑定,因為有一些siRNA雖富含G和U卻不能激活免疫受體,而另一些缺少GUCCUUCAA或者UGUGU基序的siRNA反而具有免疫刺激活性。針對176個隨機挑選的siRNA進行比較研究,鑑定出UGGC是一個毒性基序,能引發細胞死亡(Fedorov et al. 2006)。已知的免疫刺激活性和毒性基序可以通過計算預測而避免。另外,化學修飾,如鎖狀核酸(locked nucleic acid,LNA)(圖18-4)和對免疫刺激活性和毒性基序進行2'-O-甲基化核酸修飾可以用於抑制其天然免疫刺激活性(Judge et al. 2006)。
利用重組Dicer酶或者細菌RNase Ⅲ對體外轉錄獲得的長鏈dsRNA進行酶學消化也可以獲得雙鏈siRNA(Yang et al. 2002)。與合成siRNA相比,對長鏈dsRNA酶消化可以生成不同種類的siRNA,提高了生成功能性siRNA的可能性。然而,體外酶學反應生成siRNA的主要不足之處在於:這些siRNA在使用時不易選擇對照。理論上,對照siRNA不應該與實驗siRNA具備相同的種子序列。由於體外酶切生成的確切siRNA無從得知,那么也就無法選擇精確的對照,因此,無法區分究竟是既定靶標mRNA還是脫靶基因的特定表型表達發生下調。