Science Advances | 美国加州大学科研人员开发碳纳米载体无需辅助实现siRNA传递至植物细胞

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转录后基因沉默（Posttranscriptional Gene Silencing, PTGS）是研究和控制植物代谢途径的重要手段，如表型鉴定，生物合成途径调控，植物工厂生产，验证基因和蛋白质的功能以及并病虫害抗性等方面均有应用。通常PTGS通过传递小干扰RNA（small interfering RNA, siRNA）来实现，常规植物siRNA传递方法主要是将siRNA编码为DNA载体利用农杆菌和病毒转入植物当中，该方法往往受限于植物种类及相关基因型。（点击话题：跨界RNA干扰和植物-病原微生物互作）

近日，加州大学科研人员在Science Advances发表“Carbon nanocarriers deliver siRNA to intact plant cells for efficient gene knockdown”研究论文。研究人员开发在植物细胞中传递siRNA的纳米管平台，保护siRNA免受核酸酶降解，有效实现植物细胞内递送siRNA和沉默内源基因，进而建立依靠纳米管传递RNA至完整细胞的植物生物技术。

纳米材料介导的RNA和治疗药物的递送已经在动物中进行了广泛的探索，其对植物系统的潜力仍未充分研究。植物细胞壁的存在有效阻碍外源生物分子对植物细胞的侵害及细胞间的传递，但依然存在〜5到20 nm的传递间隙。研究人员利用单壁碳纳米管（single-walled carbon nanotubes, SWNT）——具有高长径比的生物相容性碳同素异形体：直径为0.8至1.2 nm长度500至1000 nm 的圆柱形纳米结构，较小的直径使SWNT能够被动穿越叶绿体包膜和植物细胞膜，同时提供大的体表面积以装载相当数量的siRNA，出色的生物相容性保护RNA分子免于降解。同时，通过投放量及投放时间的控制，有效实现多基因定时定量调控。

图1. siRNA-SWNT的制备和表征。

（A）两组针对转基因GFP基因的siRNA序列。（B）SWNTs与正义和反义ssRNA序列整合。（C）RNA-SWNT悬浮液的吸收光谱。（D）RNA-SWNT悬浮液的nIR光谱。

图2. ssRNA-SWNT内化到转基因烟草细胞中。

（A）样品内化到转GFP5 烟草叶片示意图（以Cy3标记的RNA-SWNT和以Cy3标记的游离RNA作为对照）。（B）Cy3-RNA-SWNT和Cy3-RNA浸润的烟草叶片的共聚焦图像。

图3.单壁碳纳米管解吸RNA的热力学分析

（A）在细胞外由于裸露的单壁碳纳米管的自由能较高，因此在叶片组织区域中，RNA解吸和杂交在热力学上并不理想。（B）细胞内部，RNA-SWNT的解吸和杂交在热力学上是有利解离的，同时细胞内成分占据SWNT的裸露表面，最终实现内源基因沉默。

图4. 不同条件下dsRNA杂交与解吸特性研究。

图5. RNA-SWNT在转录和蛋白质水平上对GFP基因沉默效果。

图6. SWNT保护RNA免受酶促降解和生物相容性分析。

纳米材料已经在质粒和蛋白递送植物研究中取得很多进展，该研究证明高纵横比的单壁碳纳米管可以成功递送siRNA分子并有效沉默GFP基因并有效降低siRNA降解速率进而提高沉默兄效果。同时，常用的阳离子纳米颗粒通常有明显细胞毒性。不带电的SWNT表面消除了此问题，并可以进行更高剂量或更大范围的siRNA递送，有望应用于单子叶植物，非模式和难以转化的物种。未来，SWNTs可应用于基于核酸酶的基因组编辑——在植物中通过递送sgRNA或瞬时核酸酶用于后续基因组编辑。甚至基于SWNT的RNA传递抑制或竞争非同源修复途径相关基因进而提高同源修复效率。（点击话题：跨界RNA干扰和植物-病原微生物互作）

原文链接：

https://advances.sciencemag.org/content/6/26/eaaz0495

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