转基因沉默（transgene silencing），又称转基因失活，即当向生物体内导入外源基因时，引起相应序列的内源基因的表达被特异性抑制的一种基因调控现象。转基因沉默发生在转基因与同源的内源基因之间，不影响其他基因的表达，转基因与内源基因经重组发生分离或减数分裂分离后，沉默的转基因表达得以恢复。
基因沉默大体可以分为两类：位置效应（effect position）引起的基因沉默和同源依赖的基因沉默（homology-dependent gene silencing，HDGS）。位置效应是指基因在基因组中的位置对基因表达的影响，当外源基因整合到高度甲基化、转录活性低的异染色质区域时，外源基因一般表现沉默。位置效应造成的转基因沉默并不需要基因组中有同源序列。同源依赖的基因沉默又可以分为两类：转录水平上的基因沉默（transcriptional gene silencing，TGS）和转录后水平上的基因沉默（post-transcriptional gene silencing，PTGS）。
1）位置效应引起的基因沉默
位置效应也称为发生在染色体DNA水平的转基因沉默。当导入的外源基因随机地插入到宿主基因组时，如果被导入到转录活跃区，就有可能进行高水平的转录，如果外源基因插入转录不活跃区，则只能进行低水平的转录或不能转录。目前通用的转染方法是使外源基因在宿主细胞基因组中随机整合，整合位点周围基因组序列与外源基因能否稳定表达密切相关。
2）转录水平基因沉默
发生在转录水平上的转基因沉默叫做转录失活。转录水平的基因沉默是由于某种原因造成启动子失活，从而不能正常合成DNA，使基因失活，现在也把位置效应引起的基因沉默归到转录水平。一般来说，同一染色体上的两个同源基因相互作用所产生顺式转录基因沉默（cis-TGS）、不同染色体的两个同源基因所产生的反式转录基因沉默（trans-TGS）以及DNA甲基化所造成的沉默都属于转录水平的基因沉默。其中DNA甲基化过程发生在DNA合成之后，通常以半保留方式进行DNA修饰，即在双链DNA中仅对新合成链的相应位点——胞嘧啶残基进行甲基化修饰。DNA甲基化对基因沉默影响较大。
转录水平基因沉默的表现形式有：①重复引起的基因沉默（repeat induced gene silencing，RIGS）：是指多拷贝的外源基因以正向或反向串联的形式整合在植物基因组上而导致的外源基因不同程度的失活，包括两种作用方式：顺式失活（cis-inactivation）和反式失活（trans-inactivation）。顺式失活是指相互串联或紧密连锁的重复基因失活，反式失活是指某一基因的失活状态引起同源的等位或非等位基因的失活，反式失活可以借助有性生殖过程的基因分离重组而逆转。一个位点插入的外源基因拷贝数越多，基因沉默现象越严重。②甲基化作用：DNA甲基化都是从启动子区域开始的，主要发生在基因5′端启动子区域。甲基化通常发生在DNA的GC和CNG序列的C碱基上，C碱基甲基化不是转基因沉默的前提，但对维持基因沉默是必需的，甲基化基因序列通过抑制甲基化DNA结合蛋白的结合进而抑制转录。③RNA介导的DNA甲基化（RNA-directed DNA methylation，Rd-DM）：当外源基因转录水平过高时，过剩的RNA与同源的DNA配对，使外源基因甲基化或异染色质化，诱发转录水平沉默。
3）转录后水平基因沉默
转录后水平的基因沉默是RNA水平基因调控的结果，比转录水平的基因沉默更普遍。转录后基因沉默表现为一种序列特异性的RNA降解过程，主要作用于同源性较高的转录产物，包括具有同源性的内源基因的转录产物。
关于转录后基因沉默的产生机理，主要有下面几种解释模型：
（1）RNA阈值模型。认为在细胞质中可能存在mRNA的监控系统。细胞只能容纳和处理一个特定阈值以下的转基因转录物，一旦细胞内的转基因转录物超过这个阈值后，就引发该监控系统用以排除过量的RNA，内源RNA依赖下的RNA聚合酶以过多的转基因mRNA为模板，通过反转录合成拷贝RNA，这些拷贝RNA能与转基因和内源基因的mRNA杂交，而配对的双链RNA可被细胞内RNA酶识别降解。
（2）异常RNA模型。转录后基因沉默并不总是表现出较高的转录水平，而是有一种不同于正常mRNA的异常的RNA（aRNA）存在。该模型认为aRNA一旦产生并进入细胞质后，就会激活依赖于RNA的RNA聚合酶（RdRp）的活性，RdRp再以aRNA为模板合成大量约25 bp的互补RNA（cRNA）。这些cRNA如果与同源的mRNA相遇就会结合上去形成部分双链结构——dsRNA，而后被双链特异性的Rnase识别、降解。在该过程中，内源基因的同源转录产物也可能被cRNA结合，并被同时降解。这样外源基因的导入，会最终导致内源和外源基因的表达共同受阻，即出现共抑制现象。
（3）双链RNA模型。认为转基因沉默的原因在于外源基因插入受体基因组中的方向不同，会导致正义RNA和反义RNA的合成。这些转录产物将形成dsRNA。核糖核酸酶（Rnase）Ⅲ家族中具有特异识别双链RNA的dicer酶，在ATP存在下，逐步切割由外源导入或者由转基因、病毒感染等各种方式引入的dsRNA，并将RNA降解为19～23 bp的双链小分子干扰RNA（siRNA）。siRNA 双链结构解旋并与蛋白质形成蛋白-RNA诱导沉默复合物（RISC）。RISC在一个ATP的作用下被激活，激活的RISC通过碱基配对定位到同源mRNA上，并在距离siRNA的3′端12个碱基的位置切割mRNA，进而使转基因不能表达。
（4）异位配对模型。认为异位配对的DNA转录出正常RNA与异常RNA。正常RNA与异常RNA相互作用，共同降低了正常RNA的加工和翻译。由于多拷贝的存在，引起DNA的反向连接，从正链转录的反义RNA与从负链转录的RNA形成双链RNA，干扰mRNA的正常加工和翻译。减数分裂后，细胞内mRNA水平下降，RNA-RNA相互减弱，随后转录因mRNA水平开始上升。一定时间后，RNA-RNA作用加强，转基因又发生转录后沉默。
（5）未成熟翻译终止模型。由于任何一类生物细胞都对密码子剂量有一定偏爱性，即密码子使用频率与细胞内相应tRNA丰度是相对匹配的。个别基因在细胞内的优势表达将造成稀有tRNA的严重缺失，相应氨酰tRNA的缺失将造成翻译复合体中核糖体的空载，当空载时间过长将会引起相应mRNA的降解，从而造成相应基因的沉默。降解mRNA片段依然与核糖体相连，此时核糖体A位处于空置状态，并随时准备接受稀有氨酰tRNA，使细胞内稀有氨酰tRNA维持在一个非常低的水平（共抑制状态），此模型可以合理地解释RNA特异降解和与共抑制相关的其他现象。
至今为止，没有一种通用的模型可以解释所有的转基因沉默现象。
4）解决基因沉默的策略
（1）去甲基化。DNA甲基化是基因沉默的直接原因，转基因DNA甲基化程度与基因沉默程度成正相关，因此消除DNA甲基化将有利于基因的表达。增强子效应：利用具有组织和发育特异性调控作用的增强子能消除DNA甲基化，确保外源基因有效表达。现已知动物免疫球蛋白K链基因的增强子可在细胞发育的特定阶段指导该基因区段去甲基化，从而启动基因转录。密码子优化策略：外源DNA序列与植物基因组DNA碱基组成差异是引发DNA甲基化的重要原因，外源基因由于其碱基组成和整合位点处不同而被识别发生甲基化，因此在遗传转化之前，应对外源基因密码子进行修饰优化，尽量使外源基因组成与受体植物碱基组成相一致，并采用植物偏爱的密码子，也可采用定点插入的方式将外源基因插入到与其组成相似的染色体区域。其他策略：甲基必须在一定条件下才可以去甲基化，用5-氮胞嘧啶处理植株可以很好地一致甲基化和脱甲基化，但其价格昂贵，且具有致癌作用，因此使用价值不大。
（2）减少重复或同源序列。由于重复和同源序列是植物基因沉默的普遍诱因，因此在构建表达载体时，应尽量降低所设计的序列与内源序列的同源性，以减少或避免配对；不同的基因转化应尽量使用不同的启动子；应使用不同的选择标记来标记不同的基因；选用不同的转基因方法可减少重复或同源。基因枪往往与多拷贝整合位点随机性及沉默现象相连，而农杆菌介导法则多表现为低拷贝或单拷贝，因此应尽量使用农杆菌介导法，但它易受寄主限制，能利用的宿主范围窄。
（3）核基质结合序列（matrix attachment regions，MARs）。MARs是染色质上一段特异的DNA序列，长度为300～1 000 bp，可与核骨架结合，两个MAR之间的染色质区域可形成一个5～200 bp的DNA，利用此特性，将MAR构建到外源基因的两侧，形成MAR -基因-MAR形式，使之在转基因植物染色质区形成独立的区域，以避免位置效应的影响，且有利于转录因子的结合，能提高外源基因的表达水平和稳定性。
（4）合理使用强启动子。在转录水平上，外源基因启动子强弱是影响外源基因表达的一个关键因素，科学研究中大多使用组成型强启动子。
（5）其他策略。使用诱导性启动子、消除反义RNA等。
Ahmad R，Kim Y H，Kim M D，et al.Development of selection marker-free transgenic potato plants with enhanced tolerance to oxidative stress［J］.Journal of Plant Biology，2008，51（6）：401-407.
Arruda P，Bright S W，Kueh J S，et al.Regulation of aspartate kinase isoenzymes in barley mutants resistant to lysine plus threonine：construction and analysis of combinations of the Lt1a，Lt1b，and Lt2 mutant genes［J］.Plant Physiology，1984，76：442-446.
Chan M T，Chang H H，Ho S L，et al.Agrobacterium-mediated production of transgenic rice plants expressing a chimericαamylase promoter/βglucuronidase gene［J］.Plant Molecular Biology，1993，22（3）：491-506.
Christou P，Ford T L，Kofrom M.Production of transgenic rice（Oryza sativa L.）plants from agronomically important indica and japonica varieties via electric discharge particle acceleration of exogenous DNA into immature zygotic embryos［J］.Nature Biotechnology，1991，9（10）：957-962.
Cotsaftis O，Sallaud C，Breitler JC，et al.Transposon-mediated generation of T-DNA and marker-free rice plants expressing a Bt endotoxin gene［J］.Molecular Breeding，2002，10：165-180.
De Vetten N，Wolters A M，Raemakers K，et al.A transformation method for obtaining marker-free plants of a cross-pollinating and vegetatively propagated crop［J］.Nature Biotechnology，2003，21（4）：439-442.
Finnegan J，MeElroy D.Transgene inactivation：Plants fight back！［J］.Nature Biotechnology，1994，12（9）：883-888.
Hiei Y，Ohta S，Komari T，et al.Efficient transformation of rice mediated by Agrobacterium and sequence analysis of the boundaries of the T- DNA［J］.Plant Journal，1994，6（2）：271-282.
Hoque M，Mansfield J，Bennett M.Agrobacterium-mediated transformation of indica rice genotypes：an assessment of factors affecting the transformation efficiency［J］.Plant Cell，Tissue and Organ Culture，2005，82（1）：45-55.
Horsch R B，Fraley R T，Rogers S G，et al.Inheritance of function foreign genes in plants［J］.Science，1984，223：496-498.
Joersbo M，Okkels F T.A novel principle for selection of transgenic plant cells：Positive selection［J］.Plant Cell Reports，1996，16：219-221.
Katia H L J，Brown T A.Enhance transformation of tomato co-cultivated with Agrobacterium tumefaciens C58cl Rifr：：pGS R1161 in the presence of acetosyringone［J］.Plant cell report，1993，12（7-8）：422-425.
Liu Y，Kong X，Pan J，et al.VIP1：Linking Agrobacterium-mediated transformation to plant immunity？［J］.Plant Cell Reports，2010，29：905-812.
Mitten D H，Redenbaugh M K，Sovero M，et al.Safety assessment and commercialization of transgenic fresh tomato food products，transgenic cotton products and transgenic rapeseed oil products［C］.In：Casper R，Landsmann J（eds）Proc 2nd Int Symp on the biosafety results of field tests of genetically modified plants and microorganisms.BBA，Braunschweig，1992：179-184.
Morgan A J，Cox P N，Turner D A，et al.Transformation of tomato using an Ri plasmid vector［J］.Plant science，1987，49：37-49.
Tumer N E，O'connell K M，Nelson R S，et al.Expression of alfalfa mosaic virus coat protein gene confers cross-protection in transgenic tobacco and tomato plants［J］.The EMBO Journal，1987，6（5）：1181-1188.
Vasil V，Castillo A M，Fromm M E，et al.Herbicide resistant fertile transgenic wheat plants obtained by microprojectile bombardment of regenerable embryogenic callus［J］.Nature Biotechnology，1992，10（6）：667-674.
Wang Y C，Klein T M，Fromm M，et al.Transient expression of foreign genes in rice，wheat and soybean cells following particle bombardment［J］.Plant Molecular Biology，1988，11（4）：433-439.
Zambryski P.Basic processes underlying Agrobacterium-mediated DNA transfer to plant cells［J］.Annual Review of Genetics，1988，22：1-30.
Zubko E，Scutt C，Meyer P.Intrachromosomal recombination between attP regions as a tool to remove selectable marker genes from tobacco transgenes［J］.Nature Biotechnology，2000，18（4）：442-445.
Yashon R K，Cummings M R.Human genetics and society［M］.Brooks/Cole，Cengage Learning，Belmont，CA.2009.
陈火英，张建华，庄天明，等.利用花粉管通道技术培育番茄耐盐新种质［J］.西北植物学报，2004，24（1）：12-16.
陈火英，庄天明，张晓宁，等.HVA1基因转化番茄及转基因番茄耐盐性的初步鉴定［J］.上海交通大学学报（农业科学版），2006，24（1）：1-6.
段晓岚，陈善葆.外源DNA导入水稻引起性状变异［J］.中国农业科学，1985，18（3）：6-10.
何迎春，高必达.含烟草几丁质酶基因的质粒PBG1121的构建及水稻转化研究［J］.湖南农业大学学报（自然科学版），2002，28（2）：93.
洪德峰，张学舜，刘俊恒，等.花粉管通道法在玉米转基因中的应用［J］.中国种业，2009，4：11-13.
旷仁平，姜孝成，张春来，等.基因枪法导入cycl At和GUS基因获得转基因水稻［J］.湖南师范大学自然科学学报，2006，9（3）：80-85.
王关林，方宏筠.植物基因工程（第二版）［M］.北京：科学出版社，2008.
武长剑，范云六.水稻广亲和品种“02428”抗除草剂转基因植株的获得［J］.农业生物技术学报，1994（2）：32-38.
吴福彪.基因工程与植物的遗传改良［J］.生物学通报，2010，45（5）：7-10.
徐云碧.分子植物育种［M］.陈建国，华金平，闫双勇，等译.北京：科学出版社，2016.
严其成，王光清，葛扣麟，等.外源DNA通过花粉管通道法导入水稻的研究［J］.中国农业科学，1997，30（1）：94.
叶兴国，王新敏，王珂，等.提高植物农杆菌转化效率辅助策略研究进展［J］.中国农业科学，2012，45（15）：3007-3019.
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