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RNA干渉（RNAi ）は、二本鎖RNA分子が翻訳または転写抑制を介して、配列特異的に遺伝子発現を抑制する生物学的プロセスです。歴史的に、RNAiは共抑制、転写後遺伝子サイレンシング（PTGS）、クエリングなど、他の名称でも知られていました。これらの一見異なるプロセスを詳細に研究した結果、これらの現象の正体はすべてRNAiであることが明らかになりました。アンドリュー・ファイアとクレイグ・メロは、1998年に発表した線虫Caenorhabditis elegansにおけるRNAiの研究で、 2006年のノーベル生理学・医学賞を共同受賞しました。RNAiとその制御能力が発見されて以来、RNAiが目的遺伝子の抑制において計り知れない可能性を秘めていることが明らかになりました。RNAiは現在、遺伝子抑制において、正確で効率的、安定しており、アンチセンス療法よりも優れていることが知られています。[ 1 ]発現ベクターによって細胞内で産生されるアンチセンスRNAが開発され、新しい治療薬として有用となる可能性がある。 [ 2 ]
RNAi経路の構成要素として中心的な役割を果たすのは、マイクロRNA（miRNA）と低分子干渉RNA （siRNA）という2種類の小型リボ核酸（RNA）分子です。mRNAが分解されると、タンパク質の翻訳が阻害され、転写後サイレンシングが起こります。転写は、RNAiの転写前サイレンシング機構によっても阻害されます。この機構では、酵素複合体が、複合体化したsiRNAまたはmiRNAに相補的なゲノム位置でDNAメチル化を触媒します。RNAiは、寄生的なヌクレオチド配列（ウイルスやトランスポゾンなど）から細胞を守る上で重要な役割を果たしており、生物の発生にも影響を与えます。
RNAi経路は、多くの真核生物に見られる自然発生的なプロセスです。このプロセスは、長い二本鎖RNA（dsRNA）分子を約21～23ヌクレオチドの短い二本鎖siRNA断片に切断する酵素Dicerによって開始されます。各siRNAは、パッセンジャー（センス）鎖とガイド（アンチセンス）鎖という2つの一本鎖RNA（ssRNA）にほどかれます。パッセンジャー鎖は、タンパク質Argonaute 2（Ago2）によって切断されます。パッセンジャー鎖は分解され、ガイド鎖はRNA誘導サイレンシング複合体（RISC）に組み込まれます。RISC複合体は標的mRNAに結合して分解します。具体的には、ガイド鎖がmRNA分子内の相補配列と対合し、RISCの触媒成分であるAgo2による切断を誘導することで、この分解が起こります。一部の生物では、siRNAの初期モル濃度が限られているにもかかわらず、このプロセスは全身に広がる。[ 3 ]
RNAiは、細胞培養と生体内両方において貴重な研究ツールです。なぜなら、細胞に導入された合成dsRNAは、特定の目的遺伝子の選択的かつ強力な抑制を誘導できるからです。RNAiは、細胞内の各遺伝子（およびそれがコードするタンパク質）を系統的に停止させる大規模スクリーニングに使用でき、特定の細胞プロセスや細胞分裂などのイベントに必要な構成要素を特定するのに役立ちます。この経路は、食品、医薬品、殺虫剤の実用的なツールとしても使用されています。[ 4 ]
RNAiは、 RISCによって制御されるRNA依存性遺伝子サイレンシングプロセスであり、細胞質内の短い二本鎖RNA分子がRISCの触媒成分であるアルゴノートと相互作用することによって開始されます。[ 6 ] dsRNAが外因性（RNAゲノムを持つウイルス感染や実験室での操作に由来）の場合、RNAは直接細胞質に取り込まれ、Dicerによって短い断片に切断されます。開始dsRNAは、ゲノム内のRNAコード遺伝子から発現されるpre-miRNAのように、内因性（細胞内で発生する）である場合もあります。このような遺伝子からの一次転写産物は、まず核内でpre-miRNAの特徴的なステムループ構造を形成するように処理され、その後細胞質に輸送されます。このように、外因性と内因性の2つのdsRNA経路はRISCで収束します。[ 7 ]
外来性dsRNAは、リボヌクレアーゼタンパク質Dicerを活性化することでRNAiを開始し[ 8 ]、Dicerは植物ではdsRNAに結合して切断し、ヒトでは短鎖ヘアピンRNA（shRNA）を切断して、3'末端に2ヌクレオチドの突出部を持つ20～25塩基対の二本鎖断片を生成する[ 9 ] 。複数の生物のゲノムに関するバイオインフォマティクス研究では、この長さが標的遺伝子の特異性を最大化し、非特異的な影響を最小化することを示唆している[ 10 ] 。これらの短い二本鎖断片はsiRNAと呼ばれる。これらのsiRNAは、RISCローディング複合体（RLC）によって一本鎖に分離され、活性RISCに組み込まれる。RLCはDicer-2とR2D2を含み、Ago2とRISCを結合させるのに不可欠である。[ 11 ] TATA結合タンパク質関連因子11（TAF11）は、Dcr-2-R2D2四量体化を促進することでRLCを組み立て、siRNAへの結合親和性を10倍に高めます。TAF11との結合により、R2-D2-イニシエーター（RDI）複合体はRLCに変換されます。[ 12 ] R2D2は、siRNA二重鎖の熱力学的に安定な末端を認識するためにタンデム二本鎖RNA結合ドメインを持ち、Dicer-2はもう一方の不安定な末端を認識します。ローディングは非対称です。Ago2のMIDドメインはsiRNAの熱力学的に安定な末端を認識します。したがって、5'末端がMIDによって破棄された「パッセンジャー」（センス）鎖は排出され、保存された「ガイド」（アンチセンス）鎖はAGOと協力しRISCを形成します。[ 11 ]
RISCに組み込まれた後、siRNAは標的mRNAと塩基対を形成して切断し、それによって翻訳テンプレートとして使用されるのを阻止します。[ 13 ] siRNAとは異なり、miRNAを搭載したRISC複合体は、細胞質mRNAをスキャンして相補性の可能性を探ります。破壊的な切断（Ago2による）の代わりに、miRNAはmRNAの3'非翻訳領域（UTR）を標的とし、そこで通常は不完全な相補性で結合し、リボソームの翻訳へのアクセスをブロックします。[ 14 ]
外来性dsRNAは、 C. elegansではRDE-4、 DrosophilaではR2D2として知られるエフェクタータンパク質によって検出され結合し、Dicer活性を刺激する。[ 15 ]この長さ特異性を生み出すメカニズムは不明であり、このタンパク質は長いdsRNAにのみ結合する。[ 15 ]
C. elegansでは、この開始応答は、Dicerによって生成された開始siRNAまたは「プライマリー」siRNAをテンプレートとして用いて、「セカンダリー」siRNA群を合成することによって増幅される。[ 16 ]これらの「セカンダリー」siRNAは、Dicerによって生成されたsiRNAとは構造的に異なり、RNA依存性RNAポリメラーゼ（RdRP）によって生成されると考えられる。[ 17 ]
マイクロRNA（miRNA）は、ゲノムにコードされた非コードRNAであり、特に発生過程において遺伝子発現の調節に役立っています。[ 18 ]広義のRNAi現象には、miRNAによる内因的に誘導される遺伝子サイレンシング効果と、外来dsRNAによって引き起こされるサイレンシングが含まれます。成熟miRNAは、外因性dsRNAから生成されるsiRNAと構造的に類似していますが、成熟する前に、miRNAはまず広範な転写後修飾を受けなければなりません。miRNAは、はるかに長いRNAコード遺伝子から、 pri-miRNAと呼ばれる一次転写産物として発現され、細胞核内でマイクロプロセッサー複合体によって、 pre-miRNAと呼ばれる70ヌクレオチドのステムループ構造に処理されます。この複合体は、 Droshaと呼ばれるRNase III酵素とdsRNA結合タンパク質DGCR8で構成されています。このpre-miRNAのdsRNA部分はDicerによって結合および切断され、RISC複合体に組み込まれる成熟miRNA分子が生成されます。したがって、miRNAとsiRNAは同じ下流の細胞機構を共有しています。[ 19 ]最初に、ウイルス由来のmiRNAはエプスタイン・バーウイルス（EBV）で記述されました。[ 20 ]その後、ウイルスで記述されるマイクロRNAの数は増加しています。VIRmiRNAは、ウイルスマイクロRNA、その標的、および抗ウイルスmiRNAを網羅した包括的なカタログです[ 21 ]（VIRmiRNAリソースも参照：http://crdd.osdd.net/servers/virmirna/）。
長いdsRNA前駆体から誘導されるsiRNAは、miRNAとは異なり、miRNA、特に動物のmiRNAは、通常、標的との塩基対形成が不完全であり、類似した配列を持つ多くの異なるmRNAの翻訳を阻害します。対照的に、siRNAは通常、完全に塩基対形成し、単一の特定の標的でのみmRNAの切断を誘導します。[ 22 ]ショウジョウバエとC. elegansでは、miRNAとsiRNAは、異なるArgonauteタンパク質とDicer酵素によって処理されます。[ 23 ] [ 24 ]
mRNAの3'非翻訳領域（3'UTR）には、転写後RNA干渉（RNAi）を引き起こす調節配列が含まれていることが多い。このような3'UTRには、 miRNAと調節タンパク質の両方の結合部位が存在することが多い。miRNAは3'UTR内の特定の部位に結合することで、翻訳を阻害したり、転写産物を直接分解したりすることによって、様々なmRNAの遺伝子発現を低下させることができる。また、3'UTRには、mRNAの発現を阻害する抑制タンパク質が結合するサイレンサー領域が存在する場合もある。
3'-UTRには、マイクロRNA応答エレメント（MRE）がしばしば含まれています。MREは、主に進化的に保存された6～8塩基長のシード配列を介してmiRNAが結合する配列です。これらは3'-UTR内に広く存在するモチーフです。3'-UTR内のすべての調節モチーフ（サイレンサー領域などを含む）のうち、MREは約半分を占めています。
2023年現在、miRNA配列と注釈のアーカイブであるmiRBaseウェブサイト[ 25 ]には、271の生物種で28,645のエントリが掲載されています。これらのうち、1,917のmiRNAは注釈付きヒトmiRNA遺伝子座にありました。miRNAは平均約400の標的mRNA（数百の遺伝子の発現に影響を与える）を持つと予測されています。[ 26 ] Friedmanら[ 26 ]は、ヒトmRNA 3'UTR内の45,000を超えるmiRNA標的部位が背景レベルを超えて保存されており、ヒトタンパク質コード遺伝子の60%以上がmiRNAとのペアリングを維持する選択圧を受けていると推定しています。
直接実験では、1つのmiRNAが数百種類のmRNAの安定性を低下させることが示されている。[ 27 ]他の実験では、1つのmiRNAが数百種類のタンパク質の産生を抑制する可能性があるが、この抑制は比較的軽度であることが多い（2倍未満）ことが示されている。[ 28 ] [ 29 ]
miRNAによる遺伝子発現の調節異常の影響は、癌において重要であると思われる。[ 30 ]例えば、消化器癌では、9つのmiRNAがエピジェネティックに変化し、DNA修復酵素のダウンレギュレーションに効果的であることが確認されている。[ 31 ]
let-7ファミリーのmiRNAは、がんにおけるmiRNA調節異常のよく特徴づけられた例である。let-7-5pアイソフォームは、肝細胞癌や他のいくつかの悪性腫瘍において最も一貫してダウンレギュレーションされているmiRNAの一つであり、その抑制は、c-MYC、CDK6、RNA結合タンパク質LIN28Bなどの癌遺伝子、および多剤耐性を制御する排出ATP結合カセット（ABC）トランスポーターのアップレギュレーションと関連している。[ 32 ]
let-7活性の喪失は自己強化回路を確立し、LIN28Bがlet-7成熟を積極的に抑制し、let-7標的遺伝子の発現をさらに維持し、化学療法耐性表現型に寄与する。そのため、枯渇した腫瘍抑制性miRNAの再導入は、発がん性標的の自然な転写後調節を回復し、耐性癌細胞を治療に再び感受性にする戦略として検討されてきた。[ 32 ] let-7ファミリーは、保存されたシード配列を共有するが、それ以外の部分が異なる複数のアイソフォームから構成されているため、アイソフォームの選択は、どの標的が最も効果的にどの程度調節されるかに影響を与え、密接に関連するmiRNAファミリーメンバーでさえ機能的に互換性がないことを強調している。[ 32 ]
miRNAによる遺伝子発現の調節異常の影響は、統合失調症、双極性障害、大うつ病、パーキンソン病、アルツハイマー病、自閉症スペクトラム障害などの神経精神疾患においても重要であると思われる。[ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]
miRNA研究における長年の制約は、化学合成されたmiRNA模倣体またはバイオシミラーに依存してきたことであり、これらはリボースサブユニットや主鎖結合の変更など、非天然の化学修飾を広範囲に及ぼしており、その物理化学的および生物学的特性は、内因性のゲノム由来miRNA種の特性を忠実に再現しない可能性がある。[ 36 ]
化学修飾によって代謝安定性や結合親和性が向上する可能性がある一方で、それらの導入は天然miRNAからの構造的差異をもたらし、免疫原性リスクを高める可能性があり、市販の模倣品が内因性miRNAの生物学をどの程度正確にモデル化しているかという疑問が生じる。[ 36 ]
これらの懸念に対処するため、ヒトトランスファーRNA（htRNA）融合前駆体miRNAキャリアを用いた細菌内発酵により組換えmiRNA分子（バイオエンジニアリングRNA（BioRNA）と呼ばれる）を生成するRNA分子バイオエンジニアリングプラットフォームが開発されました。[ 36 ]このアプローチにより、高純度、低エンドトキシン含有量、および生細胞内での生合成中に獲得される転写後修飾を含む、自然に処理された内因性miRNAの構造的および化学的特性により近い特性を持つ薬剤が得られます。[ 36 ] BioRNA薬剤は、多様なmiRNA配列にわたって正常に生産されており、ヒト癌細胞株において、EGFR、MRP1、VDAC1などの既知の癌関連標的を含む標的遺伝子発現の調節において、市販のLNA模倣体と同等またはそれ以上の機能を発揮することが実証されています。[ 36 ]
バイオRNAエージェントは、研究ツールとしての有用性に加えて、miRNA補充療法にも応用されています。miRNA補充療法は、疾患組織で減少した腫瘍抑制性miRNAを再導入し、内因性RNAi機構を利用して治療を行う戦略です。[ 36 ] [ 32 ]前臨床がんモデルでは、バイオエンジニアリングされたmiRNAエージェントは、抗腫瘍活性、排出トランスポーター発現のダウンレギュレーションによる多剤耐性の抑制能力、および併用化学療法薬との薬理学的相乗効果を示しており、併用療法としての開発のメカニズム的根拠を提供しています。[ 32 ]
外来性dsRNAは、 C. elegansではRDE-4、 DrosophilaではR2D2として知られるエフェクタータンパク質によって検出され結合し、Dicer活性を刺激する。[ 15 ]このタンパク質は長いdsRNAにのみ結合するが、この長さ特異性を生み出すメカニズムは不明である。[ 15 ]このRNA結合タンパク質は、切断されたsiRNAのRISC複合体への転送を促進する。 [ 37 ]
C. elegansでは、この開始応答は、Dicerによって生成された開始siRNAまたは「プライマリー」siRNAをテンプレートとして用いて、「セカンダリー」siRNA群を合成することによって増幅される。[ 16 ]これらの「セカンダリー」siRNAは、Dicerによって生成されたsiRNAとは構造的に異なり、RNA依存性RNAポリメラーゼ（RdRP）によって生成されると考えられる。[ 17 ]
RNA誘導サイレンシング複合体（RISC）の活性成分は、アルゴノートタンパク質と呼ばれるエンドヌクレアーゼであり、結合したsiRNAに相補的な標的mRNA鎖を切断します。 [ 6 ] Dicerによって生成される断片は二本鎖であるため、理論的にはそれぞれが機能的なsiRNAを生成する可能性があります。しかし、2本の鎖のうち、ガイド鎖として知られる1本だけがアルゴノートに結合し、遺伝子サイレンシングを誘導します。もう一方のアンチガイド鎖またはパッセンジャー鎖は、RISCの活性化中に分解されます。[ 38 ]当初はATP依存性ヘリカーゼがこれら2本の鎖を分離すると考えられていましたが、[ 39 ]このプロセスはATP非依存性であり、RISCのタンパク質成分によって直接実行されることが証明されました。[ 3 ] [ 40 ]しかし、ATPの存在下および非存在下でのRNAiのin vitro速度論的解析では、触媒作用後に切断されたmRNA鎖をRISC複合体から巻き戻して除去するにはATPが必要であることが示された。 [ 41 ]ガイド鎖は、5'末端が相補鎖と不安定に対合している方である傾向があるが、[ 42 ]鎖の選択は、RISCへの組み込み前にDicerがdsRNAを切断する方向には影響されない。[ 43 ]その代わりに、R2D2タンパク質は、パッセンジャー鎖のより安定した5'末端に結合することによって、識別因子として機能する可能性がある。[ 44 ]
RNAがアルゴノートタンパク質に結合する構造的基盤は、RNA結合型アルゴノートの結合ドメインのX線結晶構造解析によって調べられた。この構造では、 RNA鎖のリン酸化された5'末端が保存された塩基性表面ポケットに入り込み、マグネシウムなどの二価陽イオン（2つの正電荷を持つ原子）を介して、またsiRNAの5'ヌクレオチドと保存されたチロシン残基との間で芳香族スタッキング（複数の原子が電子をやり取りすることで共有できるプロセス）によって接触する。この部位は、siRNAが標的mRNAに結合するための核形成部位を形成すると考えられている。[ 45 ]ガイド鎖の5'末端または3'末端のミスマッチによる阻害効果の解析により、ガイド鎖の5'末端は標的mRNAとのマッチングと結合に関与し、3'末端は標的mRNAを切断に有利なRISC領域に物理的に配置する役割を担っていることが示された。[ 41 ]
活性化されたRISC複合体が細胞内で相補的なmRNAをどのように見つけるかは理解されていません。切断プロセスは翻訳と関連していると考えられていますが、mRNA標的の翻訳はRNAiを介した分解に必須ではありません。[ 46 ]実際、RNAiは翻訳されないmRNA標的に対してより効果的である可能性があります。[ 47 ]アルゴノートタンパク質は、mRNA分解率が高い領域であるPボディ（細胞質ボディまたはGWボディとも呼ばれる）と呼ばれる細胞質内の特定の領域に局在しています。 [ 48 ] miRNA活性もPボディに集中しています。[ 49 ] Pボディの破壊はRNAiの効率を低下させるため、PボディはRNAiプロセスにおける重要な部位であることが示唆されます。[ 50 ]
RNAi経路の構成要素は、多くの真核生物においてゲノムの組織と構造の維持に利用されている。ヒストンの修飾とそれに伴うヘテロクロマチン形成の誘導は、転写前に遺伝子を下方制御する働きをする。[ 52 ]このプロセスはRNA誘導転写サイレンシング（RITS）と呼ばれ、RITS複合体と呼ばれるタンパク質の複合体によって実行される。分裂酵母では、この複合体にはアルゴノート、クロモドメインタンパク質Chp1、および機能が不明なTas3と呼ばれるタンパク質が含まれる。[ 53 ]その結果、ヘテロクロマチン領域の誘導と拡散にはアルゴノートとRdRPタンパク質が必要となる。[ 54 ]実際、分裂酵母S. pombeでこれらの遺伝子を欠失させると、ヒストンメチル化とセントロメア形成が阻害され、[ 55 ]細胞分裂中に後期が遅くなったり停止したりする。[ 56 ]場合によっては、ヒストン修飾に関連する同様のプロセスが遺伝子の転写を上方制御することが観察されている。[ 57 ]
RITS複合体がヘテロクロマチンの形成と組織化を誘導するメカニズムはよく理解されていません。ほとんどの研究は分裂酵母の接合型領域に焦点を当てており、これは他のゲノム領域/生物の活動を代表するものではない可能性があります。既存のヘテロクロマチン領域の維持において、RITSは局所遺伝子に相補的なsiRNAと複合体を形成し、局所のメチル化ヒストンに安定的に結合し、 RNAポリメラーゼによって開始される新生pre-mRNA転写産物を共転写的に分解します。このようなヘテロクロマチン領域の形成は、その維持とは異なり、Dicerに依存しています。これはおそらく、Dicerが後続の転写産物を標的とするsiRNAの初期セットを生成するために必要であるためです。[ 58 ]ヘテロクロマチンの維持は、RdRPによって時折発生する新生転写産物から新しいsiRNAが形成され、局所RITS複合体に組み込まれるため、自己強化フィードバックループとして機能することが示唆されています。[ 59 ]分裂酵母の接合型領域とセントロメアからの観察結果が哺乳類にどれほど関連しているかは明らかではない。哺乳類細胞におけるヘテロクロマチンの維持は、RNAi経路の構成要素とは独立している可能性があるからである。[ 60 ]
高等真核生物で最も一般的なRNA編集は、アデノシンデアミナーゼ（ADAR）という酵素を介してdsRNA中のアデノシンヌクレオチドをイノシンに変換するものである。[ 61 ] RNAiとA → I RNA編集経路は共通のdsRNA基質をめぐって競合する可能性があると、2000年に最初に提唱された。[ 62 ]一部のpre-miRNAはA→I RNA編集を受けており[ 63 ] [ 64 ]、このメカニズムは成熟miRNAの処理と発現を調節する可能性がある。[ 64 ]さらに、少なくとも1つの哺乳類ADARはsiRNAをRNAi経路の構成要素から隔離することができる。[ 65 ]このモデルをさらに裏付けるものとして、ADAR欠損C. elegans株の研究があり、A→I RNA編集が内因性遺伝子とトランスジーンのRNAiサイレンシングに対抗する可能性があることが示されている。[ 66 ]
生物によって、外来のdsRNAを取り込んでRNAi経路で利用する能力に違いがある。RNAiの効果は、ショウジョウバエや哺乳類ではそうではないが、植物やC. elegansでは全身性で遺伝性である。植物では、RNAiは、細胞壁にあるコミュニケーションと輸送を可能にするチャネルである原形質連絡を介してsiRNAが細胞間で伝達されることで伝播すると考えられている。 [ 39 ]遺伝性は、RNAiによって標的とされるプロモーターのメチル化に由来し、新しいメチル化パターンは、細胞の新しい世代ごとにコピーされる。[ 68 ]植物と動物の一般的な大きな違いは、内因的に産生されるmiRNAの標的化にある。植物では、miRNAは通常、標的遺伝子と完全にまたはほぼ完全に相補的であり、RISCによる直接的なmRNA切断を誘導するが、動物のmiRNAは配列がより多様であり、翻訳抑制を誘導する傾向がある。[ 67 ]この翻訳効果は、翻訳開始因子とmRNAのポリアデニンテールとの相互作用を阻害することによって生じる可能性がある。[ 69 ]
リーシュマニア・メジャーやトリパノソーマ・クルージなどの一部の真核原生動物は、RNAi経路を完全に欠いている。[ 70 ] [ 71 ]また、モデル生物であるサッカロミセス・セレビシエをはじめとする一部の真菌類でも、構成要素のほとんどまたはすべてが欠落している。[ 72 ]サッカロミセス・カステリやカンジダ・アルビカンスなどの他の出芽酵母種にRNAiが存在することは、 S. カステリから2つのRNAi関連タンパク質を誘導するとS. セレビシエのRNAiが促進されることをさらに示している。[ 73 ]特定の子嚢菌類や担子菌類にRNAi経路が欠落していることは、RNAサイレンシングに必要なタンパク質が多くの真菌系統から独立して失われたことを示しており、これはおそらく同様の機能を持つ新しい経路の進化、または特定のニッチにおける選択的利点の欠如によるものと考えられる。[ 74 ]
原核生物の遺伝子発現は、RNAi といくつかの点で類似した RNA ベースのシステムによって影響を受けます。ここでは、RNA をコードする遺伝子が、mRNA にアニーリングする相補的 RNA を生成することによって、mRNA の量または翻訳を制御します。しかし、これらの制御 RNA は、Dicer 酵素が関与していないため、一般的に miRNA と類似しているとは考えられていません。[ 75 ]原核生物のCRISPR 干渉システムは、タンパク質成分のいずれも相同ではないものの、真核生物の RNAi システムに類似していると示唆されています。[ 76 ]
RNAi は、ウイルスやその他の外来遺伝物質に対する免疫応答の重要な部分であり、特に植物では、トランスポゾンの自己増殖を防ぐ可能性もあります。[ 77 ]シロイヌナズナなどの植物は、さまざまなウイルスに曝されたときに異なる反応を示すように特化した複数の Dicerホモログを発現します。 [ 78 ] RNAi 経路が完全に理解される前から、植物における誘導遺伝子サイレンシングが全身効果で植物全体に広がり、接ぎ木によって親株から穂木に伝達されることが知られていました。[ 79 ]この現象は、その後、植物の免疫システムの特徴として認識され、最初の局所的な遭遇の後、植物全体がウイルスに反応することを可能にします。[ 80 ]これに対応して、多くの植物ウイルスは RNAi 応答を抑制するための精巧なメカニズムを進化させてきました。[ 81 ]これらには、Dicer によって生成されるような、一本鎖オーバーハング末端を持つ短い二本鎖 RNA 断片に結合するウイルス タンパク質が含まれます。[ 82 ]一部の植物ゲノムは、特定の種類の細菌による感染に応答して内因性siRNAを発現する。[ 83 ]これらの効果は、感染プロセスを助ける宿主内の代謝プロセスを抑制する病原体に対する一般的な応答の一部である可能性がある。[ 84 ]
動物は一般的に植物よりもDicer酵素の変異体の発現が少ないが、一部の動物ではRNAiが抗ウイルス応答を引き起こす。ショウジョウバエの幼生と成虫の両方で、RNAiは抗ウイルス自然免疫において重要であり、ショウジョウバエXウイルスなどの病原体に対して活性を示す。[ 85 ] [ 86 ]同様の免疫における役割はC. elegansでも機能している可能性があり、アルゴノートタンパク質はウイルスに応答してアップレギュレーションされ、RNAi経路の構成要素を過剰発現する線虫はウイルス感染に抵抗性を示す。[ 87 ] [ 88 ]
哺乳類の自然免疫におけるRNAiの役割はよく理解されておらず、データも比較的少ない。しかし、哺乳類細胞でRNAi応答を抑制できる遺伝子をコードするウイルスの存在は、RNAi依存性の哺乳類免疫応答を支持する証拠となる可能性があるが、[ 89 ] [ 90 ]この仮説は根拠が不十分であるとして異議を唱えられている。[ 91 ] 哺乳類細胞に機能的な抗ウイルスRNAi経路が存在するという証拠が提示されている。[ 92 ] [ 93 ]
哺乳類ウイルスにおけるRNAiの他の機能も存在し、例えばヘルペスウイルスによって発現されるmiRNAは、ウイルス潜伏を媒介するヘテロクロマチン構造のトリガーとして機能する可能性がある。[ 94 ]
イントロンmiRNAとインタージェニックmiRNAの両方を含む内因的に発現するmiRNAは、翻訳抑制[ 67 ]と発生の調節、特に形態形成のタイミングと幹細胞などの未分化または不完全に分化した細胞タイプの維持において最も重要である。[ 95 ]内因的に発現するmiRNAが遺伝子発現を下方制御する役割は、1993年にC. elegansで初めて記述された。[ 96 ]植物では、この機能は、シロイヌナズナの「JAWマイクロRNA」が植物の形状を制御するいくつかの遺伝子の調節に関与していることが示されたときに発見された。 [ 97 ]植物では、miRNAによって調節される遺伝子の大部分は転写因子である。[ 98 ]そのため、miRNAの活性は特に広範囲にわたり、転写因子やFボックスタンパク質を含む主要な調節遺伝子の発現を調節することにより、発生中に遺伝子ネットワーク全体を調節する。[ 99 ]ヒトを含む多くの生物において、miRNAは腫瘍の形成や細胞周期の調節異常と関連している。ここで、miRNAは癌遺伝子と腫瘍抑制因子の両方として機能する可能性がある。[ 100 ]
最小進化に基づく系統解析によれば、すべての真核生物の最近共通祖先は、おそらく既に初期のRNAi経路を持っていたと考えられ、特定の真核生物におけるこの経路の欠如は派生的な特徴であると考えられている。[ 101 ]この祖先のRNAiシステムには、おそらく少なくとも1つのDicer様タンパク質、1つのArgonaute、1つのPIWIタンパク質、および他の細胞機能も担っていた可能性のあるRNA依存性RNAポリメラーゼが含まれていた。大規模な比較ゲノム研究も同様に、真核生物の冠群が既にこれらの構成要素を持っていたことを示しており、その後、エクソソームなどの一般的なRNA分解システムとより密接な機能的関連性を持っていた可能性がある。[ 102 ]この研究はまた、真核生物、ほとんどの古細菌、そして少なくとも一部の細菌（ Aquifex aeolicusなど）に共通するRNA結合アルゴノートタンパク質ファミリーが、翻訳開始システムの構成要素と相同であり、元々はそこから進化してきたことを示唆している。
遺伝子ノックダウンは、生物の特定の遺伝子の発現を減少させるために使用される方法です。これは、RNAi という自然発生的なプロセスを利用して行われます。[ 6 ]この遺伝子ノックダウン技術では、目的の遺伝子に相補的な配列で合成された二本鎖 siRNA 分子を使用します。RNAi カスケードは、Dicer酵素が siRNA の処理を開始すると始まります。このプロセスの最終結果は、mRNA の分解につながり、特定のタンパク質を構築するために必要な指示を破壊します。この方法を使用すると、研究者は標的遺伝子の発現を減少させることができます (ただし、完全に除去することはできません)。この発現の減少の影響を研究することで、標的遺伝子産物の生理的役割や影響が明らかになる可能性があります。[ 103 ] [ 104 ]
計算生物学では、遺伝子ノックダウンを最大化しつつ「オフターゲット」効果を最小限に抑える効果的なdsRNA試薬の設計に多大な努力が注がれてきました。オフターゲット効果は、導入されたRNAが複数の遺伝子と対合してその発現を減少させる塩基配列を持つ場合に発生します。dsRNAに反復配列が含まれている場合、このような問題はより頻繁に発生します。ヒト、C. elegans、S. pombeのゲノムを研究した結果、可能なsiRNAの約10%がかなりのオフターゲット効果を持つと推定されています。[ 10 ]一般的な[ 105 ] [ 106 ]哺乳類特異的[ 107 ]およびウイルス特異的[ 108 ] siRNAの設計アルゴリズムを実装した多数のソフトウェアツールが開発されており、交差反応の可能性が自動的にチェックされます。
生物種や実験システムによって、外来RNAはDicerによって切断されるように設計された長い鎖、またはsiRNA基質として機能するように設計された短いRNAである。ほとんどの哺乳類細胞では、長い二本鎖RNA分子が外来遺伝物質に非特異的に反応する先天性免疫の一形態である哺乳類インターフェロン応答を誘導するため、短いRNAが使用される。 [ 109 ]マウス卵母細胞および初期マウス胚の細胞は、外来dsRNAに対するこの反応を欠いているため、哺乳類の遺伝子ノックダウン効果を研究するための一般的なモデルシステムである。[ 110 ]また、siRNAを直接導入することを避けることで哺乳類システムにおけるRNAiの有用性を向上させるための特殊な実験技術も開発されており、例えば、siRNAが転写される適切な配列をコードするプラスミドによる安定的なトランスフェクション[ 111 ] 、あるいは条件付きRNAiとして知られる、転写の誘導的な活性化または不活性化を可能にするより精巧なレンチウイルスベクターシステム[ 112 ] [ 113 ]などがある。
RNAi治療薬を用いた遺伝子ノックダウン技術は、ランダム化比較臨床試験で成功を収めている。これらの薬剤は、特定の遺伝子によってコードされるタンパク質の発現を減少させるsiRNAベースの薬剤として成長している。現在までに、米国と欧州の規制当局によって承認されたRNAi薬剤は5種類ある。パチシラン（2018年）、ギボシラン（2019年）、ルマシラン（2020年）、インクリシラン（欧州では2020年、米国では2021年に承認予定）、およびヴトリシラン（2022年）である。[ 114 ] [ 115 ] [ 116 ] [ 117 ]
現在、規制当局の承認を受けているRNAi治療薬はすべて肝臓を起源とする疾患を対象としているが、現在研究中の薬剤は、心血管疾患、出血性疾患、アルコール使用障害、嚢胞性線維症、痛風、癌、眼疾患など、幅広い疾患領域を対象としている。
パチシランは、2018年に承認された初の二本鎖siRNAベースの薬剤で、アルニラム・ファーマシューティカルズ社によって開発されました。パチシランはRNAiカスケードを利用して、TTR（トランスサイレチン）をコードする遺伝子を抑制します。この遺伝子の変異は、遺伝性ATTRアミロイドーシスの原因となるタンパク質のミスフォールディングを引き起こす可能性があります。治療効果を得るために、パチシランは脂質ナノ粒子膜に包まれており、細胞質への通過を促進します。細胞内に入ると、siRNAは酵素ダイサーによって処理されます。パチシランは、体重に基づいて投与量を調整し、医療従事者によって静脈内投与されます。警告および注意事項には、輸液関連反応およびビタミンAレベル（血清）の低下のリスクが含まれます。[ 118 ]
2019年、FDAとEMAは、急性肝性ポルフィリン症（AHP）の成人患者の治療薬としてギボシランを承認しました。 [ 119 ] FDAはまた、 2019年11月に、急性肝性ポルフィリン症（AHP）の治療薬としてギボシランに画期的治療薬指定、優先審査指定、希少疾病用医薬品指定を与えました。 [ 120 ] 2020年までに、ギボシランはEMAの承認を受けました。[ 121 ]ギボシランは、肝臓のアミノレブリン酸シンターゼ1（ALAS1）mRNAを分解するsiRNAです。ALAS1 mRNAを分解することで、アミノレブリン酸（ALA）やポルホビリノーゲン（PBG）などの毒素（神経内臓発作やAHP疾患の原因）の蓄積を防ぎます。[ 122 ] [ 123 ] [ 124 ] [ 125 ]細胞質への侵入を容易にするため、ギボシランはGalNAcリガンドを使用し、肝細胞に侵入します。この薬剤は、体重に基づいて投与量が決定され、医療従事者によって皮下投与されます。警告および注意事項には、アナフィラキシー反応、肝毒性、腎毒性、および注射部位反応のリスクが含まれます。[ 126 ]
ルマシランは、2020年に欧州連合と米国の両方でsiRNAベースの薬剤として承認されました。[ 127 ] [ 128 ]この薬剤は、小児および成人の原発性高シュウ酸尿症1型（PH1）の治療に使用されます。この薬剤は、ヒドロキシ酸オキシダーゼ1（HAO1）mRNAを標的として分解することで、RNAiを介して肝臓のシュウ酸産生と尿中シュウ酸レベルを低下させるように設計されています。HAO1酵素レベルを低下させることで、グリコール酸からグリオキシル酸（シュウ酸の基質）への酸化が減少します。ルマシランは、体重に基づいて投与量を調整して、医療従事者によって皮下投与されます。[ 129 ]ランダム化比較臨床試験のデータによると、報告された最も一般的な副作用は注射部位反応でした。これらの反応は軽度で、ルマシランで治療された患者の38%に見られました。[ 130 ]
2022年、FDAとEMAは、多発神経障害ステージ1または2の遺伝性トランスサイレチン介在性アミロイドーシスの成人患者の治療薬として、ブトリシランを承認した。 [ 131 ] [ 132 ]ブトリシランは、トランスサイレチンをコードするmRNAを分解するように設計されている。
現在FDAが承認しているRNAi療法は、適応症、送達戦略、投与経路とともに以下にまとめられています。[ 133 ]
アローヘッド・ファーマシューティカルズ、ディセルナ、アルニラム・ファーマシューティカルズ、アムジェン、サイレンティスなどの製薬会社が開発中のRNAiを用いたその他の治験薬。これらの薬剤は、RNAiを介して様々な標的や疾患を対象としている。
開発中の治験段階のRNAi治療薬：
現在、miRNAとsiRNAはどちらも化学合成されており、EUと米国では「単純な」医薬品として法的に分類されています。しかし、バイオエンジニアリングされたsiRNA（BERA）が開発中であるため、少なくともEUでは生物学的医薬品として分類されるでしょう。BERA技術の開発は、同じ作用機序を持つが化学的または生物学的に製造される医薬品の分類に関する問題を提起しています。この一貫性の欠如に対処する必要があります。[ 134 ]
承認されたRNAi治療薬の数は増加し、2025年には7種類（パチシラン、ギボシラン、ルマシラン、インクリシラン、ヴトリシラン、ネドシラン、フィツシラン）に達するが、この薬物クラスの薬物間相互作用（DDI）を評価する上で、明確な課題が生じている。[ 135 ]
低分子医薬品とは異なり、siRNA治療薬はチトクロムP450酵素の主要な基質ではなく、古典的な肝臓または腎臓の取り込みトランスポーターに依存しません。代わりに、内因性のエンドヌクレアーゼおよびエキソヌクレアーゼによって短いオリゴヌクレオチド鎖に代謝され、その全身薬物動態パラメータは標的組織分布や薬力学的（PD）結果を反映しないことがよくあります。[ 135 ]
予期せぬ薬物相互作用の臨床的例として、急性間欠性ポルフィリン症患者において、シトクロムP450基質であるデキストロメトルファン（CYP2D6）およびカフェイン（CYP1A2）の全身曝露を2～3倍増加させたギボシランが挙げられる。この効果は、標準的なin vitro CYP酵素研究では予測されなかった。[ 135 ]提案されているメカニズムは、直接的な酵素阻害ではなく、アミノレブリン酸シンターゼ1（ALAS1）の標的抑制を介した肝臓ヘム生合成への間接的な干渉である。
より広義には、siRNA 薬剤は、RNA 誘導サイレンシング複合体 (RISC) の共通構成要素、特にアルゴノート (AGO) タンパク質をめぐって内因性マイクロ RNA (miRNA) と競合する可能性があります。この競合により、ADME 関連遺伝子の転写後遺伝子制御 (PTGR) が変化し、薬物代謝酵素またはトランスポーターの発現の間接的な調節につながり、併用薬との DDI を引き起こす可能性があります。[ 135 ]短鎖ヘアピン RNA (shRNA) は、核外輸送タンパク質 Exportin-5 (XPO5) および細胞質リボヌクレアーゼ Dicer をめぐって pre-miRNA と競合し、全体的な miRNA 生合成を阻害し、さらなる DDI リスクをもたらす可能性があります。[ 135 ]
米国食品医薬品局は、オリゴヌクレオチド治療薬に特化したガイダンスを発行し、この薬剤クラスのDDIリスクフレームワークの一部として、QTc間隔延長、免疫原性、PDエンドポイントに対する臓器障害効果、およびRNAi機構競合の可能性を評価することを推奨している。[ 135 ]
RNAiの臨床的可能性を実現するには、siRNAを標的組織の細胞に効率的に輸送する必要があります。しかし、臨床的に使用できるようになる前に解決しなければならないさまざまな障壁があります。たとえば、「裸の」siRNAは、治療効果を低下させるいくつかの障害を受けやすいです。[ 136 ]さらに、siRNAが血流に入ると、裸のRNAは血清ヌクレアーゼによって分解され、自然免疫系を刺激する可能性があります。[ 136 ]そのサイズと高度に多陰イオン性（複数の部位に負電荷を含む）の性質のため、未修飾のsiRNA分子は細胞膜を容易に通過して細胞内に入ることができません。したがって、人工またはナノ粒子でカプセル化されたsiRNAを使用する必要があります。siRNAが細胞膜を通過すると、治療用量が最適化されていない場合、意図しない毒性が発生する可能性があり、siRNAはオフターゲット効果（たとえば、部分的な配列相補性を持つ遺伝子の意図しないダウンレギュレーション）を示す可能性があります。[ 137 ]細胞内に入った後も、細胞分裂のたびに効果が希釈されるため、繰り返し投与する必要がある。これらの潜在的な問題や障壁に対応するため、脂質ナノ粒子と複合体という2つのアプローチがsiRNAの標的細胞への送達を促進する。[ 138 ]
脂質ナノ粒子（LNP）は、通常、脂質シェルに囲まれた水性中心部からなるリポソーム様構造に基づいています。[ 139 ]組織への薬物送達に使用されるリポソーム構造の一部は、100 nm サイズの大型単層小胞（LUV）に存在します。LNP 送達メカニズムは、核酸を封入する手段としてますます普及しており、プラスミド、CRISPR、mRNAなどが含まれる場合があります。[ 140 ]
脂質ナノ粒子を薬剤送達メカニズムとして初めて承認された使用例は、2018年にAlnylam Pharmaceuticalsが開発したsiRNA薬剤パチシランから始まった。Dicerna Pharmaceuticals、Persomics、Sanofi、Sirna TherapeuticsもRNAi療法を市場に投入するために協力した。[ 141 ] [ 142 ]
その他の最近の応用例としては、FDA が承認した 2 つの COVID-19 ワクチン、Modernaが開発した mRNA-1273と、PfizerとBioNtechの共同開発によるBNT162bがある。[ 143 ]これらの 2 つのワクチンは、脂質ナノ粒子を使用して抗原 mRNA を送達する。mRNA 分子を脂質ナノ粒子に封入することは、有効な mRNA ワクチンを製造する上で重要なブレークスルーであり、低密度リポタンパク質受容体 (LDLR) 内のアポリポタンパク質 E (apoE) を介して分布する mRNA 分子を宿主細胞に送達する際の多くの重要な技術的障壁を解決した。2020 年 12 月、Novartis は、第 III 相有効性試験の良好な結果により、インクリシランがヘテロ接合型家族性高コレステロール血症 ( HeFH) およびアテローム性動脈硬化性心血管疾患(ASCVD)の治療薬であると判断されたと発表した。[ 144 ]
LNPに加えて、RNAi治療薬はsiRNA複合体（例えば、GalNAc、炭水化物、ペプチド、アプタマー、抗体）を介して標的送達されている。[ 145 ] siRNA複合体を用いた治療薬は、急性肝性ポルフィリン症（AHP）、血友病、原発性高シュウ酸尿症（PH）、遺伝性ATTRアミロイドーシスなどの希少疾患や遺伝性疾患、および高血圧や非アルコール性脂肪性肝炎（NASH）などの他の心血管代謝疾患向けに開発されている。[ 146 ]
抗ウイルス治療は、RNAi に基づく医療応用として最初に提案されたものの 1 つであり、2 種類の異なる方法が開発されています。1 つ目の方法は、ウイルス RNA を標的とするものです。多くの研究により、ウイルス RNA を標的にすることで、HIV [ 147 ] 、 HPV [ 148 ] 、 A 型肝炎[ 149 ]、B 型肝炎[ 150 ]、インフルエンザ ウイルス[ 151 ] [ 152 ] [ 153 ] [ 154 ]、呼吸器合胞体ウイルス (RSV) [ 154 ]、 SARS コロナウイルス (SARS-CoV) [ 154 ]、アデノウイルス[ 154 ] 、麻疹ウイルス[ 155 ]など、多数のウイルスの複製を抑制できることが示されています。もう 1 つの戦略は、宿主細胞の遺伝子を標的にすることで、ウイルスの初期侵入をブロックすることです。[ 156 ]例えば、宿主細胞上のケモカイン受容体（CXCR4およびCCR5）の抑制は、HIVウイルスの侵入を防ぐことができる。[ 157 ]
従来の化学療法は癌細胞を効果的に殺すことができますが、これらの治療法では正常細胞と癌細胞を区別する特異性が低いため、通常は深刻な副作用を引き起こします。数多くの研究により、RNAiは癌関連遺伝子（すなわち癌遺伝子）を標的とすることで腫瘍の増殖を抑制するより特異的なアプローチを提供できることが実証されています。[ 158 ]また、RNAiは癌細胞の化学療法剤に対する感受性を高め、化学療法との併用療法アプローチを提供できることも提案されています。[ 159 ] RNAiに基づくもう1つの潜在的な治療法は、細胞の浸潤と移動を抑制することです。[ 160 ]
化学療法や他の抗がん剤と比較して、siRNA 薬には多くの利点があります。[ 161 ] siRNA は遺伝子発現の転写後段階で作用するため、有害な影響で DNA を修飾または変化させることはありません。[ 161 ] siRNA は、遺伝子発現の抑制を弱めるなど、特定の方法で特定の反応を引き起こすためにも使用できます。[ 161 ]単一のがん細胞では、siRNA はわずか数コピーで遺伝子発現を劇的に抑制することができます。[ 161 ]これは、RNAi でがん促進遺伝子をサイレンシングし、mRNA 配列を標的にすることによって起こります。[ 161 ]
RNAi薬は、特定の癌促進遺伝子の発現を抑制することで癌を治療します。[ 161 ]これは、mRNA配列をRNAi薬に合わせて維持するなど、癌遺伝子をRNAiで補完することによって行われます。[ 161 ]理想的には、RNAiは注射または化学的に修飾され、RNAiが癌細胞に効率的に到達できるようにする必要があります。[ 161 ] RNAiの取り込みと調節は腎臓によって制御されます。[ 161 ]
RNAi戦略は神経変性疾患の治療にも有望であることが示されている。細胞およびマウスでの研究では、RNAiによってアミロイドβ産生遺伝子（BACE1やAPPなど）を特異的に標的とすることで、アルツハイマー病の原因と相関するAβペプチドの量を大幅に減少させることができることが示されている。[ 162 ] [ 163 ] [ 164 ]さらに、このサイレンシングに基づくアプローチは、パーキンソン病やポリグルタミン病の治療にも有望な結果をもたらしている。[ 165 ] [ 166 ] [ 167 ]
ヒトの免疫システムは、自然免疫システムと獲得免疫システムの2つの独立した系統に分かれています。[ 168 ]自然免疫システムは感染に対する最初の防御であり、病原体に対して一般的な方法で反応します。[ 168 ]一方、獲得免疫システムは、自然免疫システムよりも後に進化したシステムであり、主に病原性分子の特定の部分に反応するように訓練された高度に特殊化されたB細胞とT細胞で構成されています。[ 168 ]
古い病原体と新しい病原体の間の競争は、安全フレームワークと呼ばれる保護された細胞と粒子のシステムを作り出すのに役立ってきました。[ 168 ]このフレームワークは、病原体、微生物、寄生虫、感染症などの侵入粒子を探し出して破壊するシステムの軍隊を人間に与えました。[ 168 ]哺乳類の安全フレームワークは、ウイルス感染を示すツールとしてsiRNAを組み込むように進化し、siRNAが強力な自然免疫応答を引き起こすことを可能にしました。[ 168 ]
siRNAは、急性炎症反応と抗ウイルス反応に分けられる自然免疫系によって制御されます。[ 168 ]炎症反応は、小さなシグナル伝達分子、すなわちサイトカインからのシグナルによって生じます。[ 168 ]これらには、インターロイキン-1（IL-1）、インターロイキン-6（IL-6）、インターロイキン-12（IL-12）、および腫瘍壊死因子α（TNF-α）が含まれます。[ 168 ]自然免疫系は、炎症反応と抗ウイルス反応を生成し、パターン認識受容体（PRR）の放出を引き起こします。[ 168 ]これらの受容体は、どの病原体がウイルス、真菌、または細菌であるかを識別するのに役立ちます。[ 168 ]さらに、siRNAと自然免疫系の重要性は、さまざまなRNA構造を認識するのに役立つPRRをより多く含めることです。[ 168 ]これにより、病原体の場合にsiRNAが免疫刺激反応を引き起こす可能性が高くなります。[ 168 ]
RNAiは、遺伝子組み換え作物や殺虫剤など、さまざまな農業用途に利用されてきました。RNAi経路の利用により、北極リンゴ、ニコチンフリータバコ、カフェインレスコーヒー、栄養強化植物、低アレルゲン作物などの食品をはじめとする数多くの製品が開発されました。[ 169 ] [ 170 ] [ 171 ] RNAiの新たな利用は、将来的にさらに多くの製品を開発する可能性を秘めています。
RNAiは、植物の天然毒素の生成量を減らすように植物を遺伝子操作するために使用されてきました。このような技術は、植物株における安定して遺伝するRNAi表現型を利用しています。綿の種子は食物タンパク質が豊富ですが、天然には毒性のあるテルペノイドであるゴシポールが含まれているため、人間の食用には適していません。RNAiは、ゴシポール生成の主要酵素であるデルタカジネンシンターゼのレベルを低下させた種子を持つ綿株を生産するために使用されてきました。この酵素は、植物の他の部分での生産には影響を与えず、ゴシポール自体は植物害虫による被害を防ぐ上で重要な役割を果たしています。[ 172 ]
開発努力により、トマト植物のアレルゲンのレベルが低減され[ 173 ]、トマトなどの植物に食事性抗酸化物質が強化されている[ 174 ]。α-アミラーゼのRNAiサイレンシングは、トウモロコシの粒を危険なアフラトキシンで汚染する可能性のあるアスペルギルス・フラバス菌の増殖を減少させるためにも使用されている[ 175 ]。タマネギの催涙因子合成酵素のサイレンシングにより涙の出ないタマネギが作られ、ナタネのBP1遺伝子にRNAiを使用して光合成を改善している[ 176 ] 。小麦のSBEIIaおよびSBEIIb遺伝子は、腸機能を改善するためにアミロースのレベルを高める目的で小麦で標的にされており[ 177 ]、Travellaらは、 2006年には、六倍体パン品種の機能ゲノミクス調査にRNAiが用いられた一方、ウイルス誘導遺伝子サイレンシング（VIGS、RNAiのサブタイプ）は、Scofieldらによって2005年に六倍体コムギのコムギ葉さび病に対するLr21の抵抗性のメカニズムを調査するために使用された。[ 178 ]
RNAiは、遺伝子工学や局所適用など複数のアプローチを用いて殺虫剤として開発が進められている。 [ 4 ]一部の昆虫の中腸の細胞は、環境RNAiと呼ばれるプロセスでdsRNA分子を取り込む。[ 179 ]一部の昆虫では、シグナルが昆虫の体全体に広がるため、その効果は全身性である（全身性RNAiと呼ばれる）。[ 180 ]
予想されるヒトの曝露レベルの数百万倍の用量でRNAiに曝露された動物は、有害な影響を示しません。[ 181 ] RNAiは、鱗翅目（チョウやガ）の異なる種で異なる影響を示します。[ 182 ]
ショウジョウバエspp.、 Bombyx mori、 Locusta spp.、 Spodoptera spp.、 Tribolium Castaneum、 Nilaparvata lugens、 Helicoverpa armigera、およびApis melliferaは、昆虫の特定の分類群内で RNAi がどのように機能するかを学習するために広く使用されているモデルです。Lewisらによって発見されたように、 Muscadomesticaには2つのAgo2遺伝子があり、 Glossinamorsitansには3つのAgo2遺伝子があります。 2016 および Hain et al. miRNA経路の場合、 Diuraphis noxiaは 2 つのAgo1 、 M.domesticaは2つのDcr1、 Acyrthosiphon pisum はAgo1、 Loqs、 Dcr1をそれぞれ 2 つ、 Pashaを 4 つ持ちます。 piRNAでは、 G. morsitansとA. pisum はそれぞれ2 つまたは 3 つのAgo3を持っています。 [ 184 ]これにより、将来の殺虫剤開発のターゲット、および他の殺虫剤の作用機序と殺虫剤耐性の理由が特定されました。 [ 184 ]
遺伝子組み換え作物は、標的害虫の重要な遺伝子をサイレンシングするために慎重に選択されたdsRNAを発現するように作られています。これらのdsRNAは、特定の遺伝子配列を発現する昆虫のみに影響を与えるように設計されています。原理実証として、2009年の研究では、4種のミバエのうち1種を殺すことができ、他の3種には害を与えないRNAが示されました。[ 4 ]
あるいは、dsRNAは遺伝子工学を用いずに供給することもできる。一つの方法は、灌漑用水に添加することである。分子は植物の維管束系に吸収され、植物を摂食する昆虫を毒する。別の方法としては、dsRNAを従来の農薬のように散布する方法がある。これにより、耐性への適応が早まる可能性がある。このような方法には、現在存在しない低コストのdsRNA供給源が必要となる。[ 4 ]
ゲノムワイドRNAiライブラリーの設計アプローチは、特定の実験条件に対して単一のsiRNAを設計する場合よりも高度な技術を必要とする場合があります。人工ニューラルネットワークは、siRNAライブラリーの設計[ 185 ]や遺伝子ノックダウンにおけるその効率予測[ 186 ]によく使用されます。大規模ゲノムスクリーニングは、ゲノムアノテーションの有望な方法として広く認識されており、マイクロアレイに基づくハイスループットスクリーニング方法の開発を促しました[ 187 ] [ 188 ]。
ゲノム規模のRNAi研究は、ハイスループットスクリーニング（HTS）技術に依存しています。RNAi HTS技術は、ゲノムワイドな機能喪失スクリーニングを可能にし、特定の表現型に関連する遺伝子の同定に広く使用されています。この技術は、遺伝子発現マイクロアレイと一塩基多型発見プラットフォームによる最初のゲノム波に続く、潜在的な第2のゲノム波として称賛されています。[ 189 ] ゲノム規模のRNAiスクリーニングの大きな利点の1つは、数千の遺伝子を同時に調査できることです。実験ごとに大量のデータを生成できるため、ゲノム規模のRNAiスクリーニングは、データ生成速度の爆発的な増加につながっています。このような大規模なデータセットを活用することは根本的な課題であり、適切な統計/バイオインフォマティクス手法が必要です。細胞ベースのRNAiスクリーニングの基本的なプロセスには、RNAiライブラリーの選択、堅牢で安定した細胞タイプの選択、RNAi剤によるトランスフェクション、処理/インキュベーション、シグナル検出、分析、重要な遺伝子または治療標的の同定が含まれます。[ 190 ]
RNAi のプロセスは、RNA 関連のメカニズムが知られる以前に観察されたときは「共抑制」や「抑制」と呼ばれていました。RNAi の発見に先立って、まず遺伝子組み換え植物で発現したアンチセンスRNAによる転写抑制が観察され[ 192 ]、さらに直接的には1990 年代初頭に米国とオランダの植物科学者によって行われた実験で予期せぬ結果が報告されました[ 193 ] 。ペチュニアの花の色を変えようとして、研究者らは、花の色素沈着の主要酵素であるカルコン合成酵素をコードする遺伝子の追加コピーを、通常はピンクまたは紫色の花を咲かせるペチュニア植物に導入しました。過剰発現した遺伝子は花の色を濃くすると予想されていましたが、実際には、一部の花では紫色の色素が目立たなくなり、時には斑模様が現れました。これは、カルコン合成酵素の活性が大幅に低下したか、状況に応じて抑制されたことを示しています。 RNAiの初期の観察結果の一つは、真菌Neurospora crassaの研究から得られたものであるが[ 194 ]、すぐに関連性があるとは認識されなかった。植物におけるこの現象のさらなる調査により、ダウンレギュレーションはmRNA分解速度の増加による遺伝子発現の転写後抑制によるものであることが示された[ 195 ] 。この現象は遺伝子発現の共抑制と呼ばれたが、分子メカニズムは不明のままであった[ 196 ] 。
その後間もなく、植物のウイルス病に対する抵抗性を向上させる研究を行っていた植物ウイルス学者は、同様の予期せぬ現象を観察した。ウイルス特異的タンパク質を発現する植物はウイルス感染に対する耐性または抵抗性が向上することは知られていたが、ウイルスRNA配列の短い非コード領域のみを持つ植物が同様のレベルの保護を示すとは予想されていなかった。研究者らは、トランスジーンによって生成されたウイルスRNAがウイルス複製を阻害する可能性もあると考えた。[ 197 ]逆の実験では、植物遺伝子の短い配列をウイルスに導入したところ、標的遺伝子が感染した植物で抑制されることが示された。[ 198 ]この現象は「ウイルス誘導遺伝子サイレンシング」（VIGS）と名付けられ、[ 178 ]このような現象の集合はまとめて転写後遺伝子サイレンシングと呼ばれた。[ 199 ]
植物におけるこれらの最初の観察の後、研究室は他の生物でこの現象を探した。[ 200 ] [ 201 ]動物におけるRNAサイレンシングの最初の事例は1996年に記録され、GuoとKemphuesは、Caenorhabditis elegansのpar-1 mRNAにセンスRNAとアンチセンスRNAを導入するとpar-1メッセージの分解が起こることを観察した。[ 202 ]この分解は一本鎖RNA（ssRNA）によって引き起こされると考えられていたが、2年後の1998年にFireとMelloは、par-1遺伝子発現をサイレンシングするこの能力は実際には二本鎖RNA（dsRNA）によって引き起こされることを発見した。[ 202 ] Craig C. MelloとAndrew Fireの1998年のNature論文は、C. elegansに二本鎖RNAを注入した後の強力な遺伝子サイレンシング効果を報告した。[ 203 ]筋肉タンパク質産生の調節を調査する中で、mRNAもアンチセンスRNAも注入してもタンパク質産生に影響はないが、二本鎖RNAは標的遺伝子をうまくサイレンシングできることがわかった。この研究の結果、彼らはRNAiという用語を作り出した。この発見は、この現象の原因物質を初めて特定したものであった。ファイアとメロは2006年のノーベル生理学・医学賞を受賞した。[ 6 ] [ 204 ]
FireとMelloの画期的な発見の直後、Elbashirらは、合成siRNAを使用することで、遺伝子全体をサイレンシングするのではなく、遺伝子内の特定の配列のサイレンシングを標的にできることを発見した。[ 205 ]わずか1年後、McCaffreyらは、トランスジェニックマウスのC型肝炎ウイルスの配列を標的にすることで、この配列特異的サイレンシングが治療に応用できることを実証した。 [ 206 ]それ以来、複数の研究者がRNAiの治療応用を拡大しようと試みており、特に様々な種類の癌を引き起こす遺伝子を標的にしようとしている。[ 207 ] [ 208 ] 2006年までに、臨床試験に到達した最初の応用例は、加齢黄斑変性症と呼吸器合胞体ウイルスの治療であった。[ 209 ] 4年後、固形腫瘍を標的とするナノ粒子送達システムを使用したヒトを対象とした最初の第I相臨床試験が開始された。[ 210 ]
FDAは2018年に最初のsiRNAベースの薬剤（パチシラン）を承認した。その後、ギボシランとルマシランはそれぞれ2019年と2020年にAHPとPH1の治療薬としてFDAの承認を得た。 [ 114 ]インクリシランは2020年に高コレステロールの治療薬としてEMAの承認を受け、現在FDAによる審査中である。[ 211 ]
