RNA转录后的加工与修饰.docx

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RNA转录后的加工与修饰

第二节　RNA转录后的加工与修饰之马矢奏春创作

创作时间：

二零二一年六月三十日

　　不论原核或真核生物的rRNAs都是以更为复杂的低级转录本形式被合成的,然后再加工成为成熟的RNA分子.然而绝年夜大都原核生物转录和翻译是同时进行的,随着mRNA开始的DNA上合成,核卵白体即附着在mRNA上并以其为模板进行卵白质的合成,因此原核细胞的mRNA并没有特殊的转录后加工过程,相反,真核生物转录和翻译在时间和空间上是分天的,刚转录出来的mRNA是分子很年夜的前体,即核内不均一RNA.hnRNA分子中年夜约只有10%的部份转酿成成熟的mRNA,其余部份将在转录后的加工过程中被降解失落.

（一）mRNA的加工修饰

　　原核生物中转录生成的mRNA为多顺反子,即几个结构基因,利用共同的启动子和共同终止信号经转录生成一条mRNA,所以此mRNA分子编码几种分歧的卵白质.例如乳糖操纵子上的Z、Y及A基因,转录生成的mRNA可翻译生成三种酶,即半乳糖苷酶,透过酶和乙酰基转移酶.原核生物中没有核模,所以转录与翻译是连续进行的,往往转录还未完成,翻译已经开始了,因此原核生物中转录生成的mRNA没有特殊的转录后加工修饰过程.

　　真核生物转录生成的mRNA为单顺反子,即一个mRNA分子只为一种卵白质分子编码.

　　真核生物mRNA的加工修饰,主要包括对5’端和3’真个修饰以及对中间部份进行剪接.

　　1．在5’端加帽

　　成熟的真核生物mRNA,其结构的5’端都有一个m7GPPNmN结构,该结构被称为甲基鸟苷的帽子.如图179所示.鸟苷通过5’5’焦磷酸键与低级转录物的5’端相连.当鸟苷上第7位碳原子被甲基化形成m7GPPNmN时,此时形成的帽子被称为“帽0”,如果附m7GPPNmN外,这个核糖的第“2”号碳上也甲基化,形成m7GPPNm,称为“帽1”,如果5’末端N1和N2中的两个核糖均甲基化,成为m7GPPNmPNm2,称为“帽2”.从真核生物帽子结构形成的复杂可以看出,生物进化水平越高,其帽子结构越复杂.

图179　PosttranscriptionalmodificationofmRNashowingthe7methylguanosinecapandpolyAtail.

　　真核生物mRNA5’端帽子结构的重要性在于它是mRNa做为翻译起始的需要的结构,对核糖体对mRNA的识别提供了信号,这种帽子结构还可能增加mRNA的稳定性,呵护mRNa免遭5’外切核酸酶的攻击.

　　2．在3’端加尾

　　年夜大都的真核mRNA都有3’真个多聚尾巴（A）,多聚（A）尾巴年夜约为200bp.

　　多聚（A）屠巴不是由DNA编码的,而是转录后在核内加上去的.受polyA聚合酶催化,该酶能识别,mRNa的游离3’OH端,并加上约200个A残基.

　　近年来已知,在年夜大都真核基因的3’一端有一个AATAA序列,这个序列是mRNa3’端加polyA尾的信号.靠核酸酶在此信号下游1015碱基外切断磷酸二酯键,在polyA聚合酶催化下,在3’OH上逐一引入100200个A碱基.关于polyA尾巴的功能问题尽管经过极其广泛的探索,但还不完全清楚.有人推测polyA可能与mRNA从细胞核转送到细胞质有关,可是相当数量,的没有polyA屠巴的mRNA如组卵白mRNA,也照样通过核膜进入细胞质.还有人认为这种结构对真核mRNA的翻译效率具有某种作用,并能稳定mRNA结构,坚持一定的生物半衰期.

　　3.mRNA前体（hnRNA）的拼接

　　原核生物的结构基因是连续编码序列,而真核生物基因往往是断裂基因,即编码一个卵白质分子的核苷酸序列被多个拔出片断所隔开,一个真核生物结构基因中内含子的数量,往往与这个基因的年夜小有关,例如胰岛素是一个很小的卵白质,它结构基因只有两个内含子,而有些很年夜的卵白质,它的结构基因中可以有几十个内含子.经过复杂的过程后,切去内元,将有编码意义的核苷酸片段（Extron外元也叫外显子）连接起来（图1710）.

图1710　Primarypolymerase11transcriptofaeukaryotegeneshowing（a）intronsaftercappingandadditionofpolyAtail.（b）ExcisionofintronstoformthematuremRNAiscalledsplicing.

　　真核生物的结构的基因中具有可表达活性的外显子,也含有无表达活性的内含子,但内含子序列下是无意义的,越来越多的实验证明有许多基因中的内含子介入基因表达调控,在转录时,外显子及内含子均转录到hnRNA中.在细胞核中hnRNA进行剪接作用,首先在核酸内切酶作用下剪切失落内含子；然后在连接酶作用下,将外显子各部份连接起来,而酿成成熟的mRNA,这就是剪接作用,也有少数基因的hnRNA不需进行剪接作用,例如α干扰素基因,图1711以卵清卵白基因为例,介绍一个典范的转录及加工过程.

图1711　卵清卵白基因转录及加工过程

图中外显示以1、2、3、4……暗示,内含子以A、B、C、D…暗示

　　mRNA的拼接,需要在拼接部位有供拼接识另外守旧性强的一致顺序,通过对100多种真核细胞基因的分析,发现外元和内元拼接部位部份碱基顺序有一定的规律（见表174）.

表17－4　含有内元的转录产物其拼接处的碱基顺序

基因区域

Exon

Intron

Exon

卵清卵白内元2

UAAGGUGA

～～～～～～～

ACAGGUUG

卵清卵白内元3

UCAGGUAC

～～～～～～～

UCAGUCUG

β珠卵白内元1

GCAGGUUG

～～～～～～～

UCAGGCUG

β珠卵白内元2

CAGGGUGA

～～～～～～～

ACAGUCUC

Igλ内含子1

UCAGGUCA

～～～～～～～

GCAGGGGC

SV40病毒早期T抗原

UAAGGUAA

～～～～～～～

UUAGAUUC

　　表中划线的碱基对拼接识别有重要作用,如将兔的β珠卵白的拼接部位的GT改为AT后,拼接反应即受到影响.

　　mRNA前体拼机制

图1712　TheRNAsplicingmechanism.RNAsplicingiscatalyzedbyaspliceosomeformedfromtheassemblyofU1,U2,U5,andsnRNPs（shownasgreencircles）plusothercomponents（notshown）.Afterassemblyofthespliceosome,thereactionoccuresintwospeps:

instep1thebranchpointAnucleotideintheintronsequence,whichislocatedcolsetothe3'splicesite,attacksthe5'splicesiteandcleavesit;thecut5'endoftheintronsequencetherebybecomescovalentlylinkedtothisAnucleotide,formingthebranchednucleotideshowninFigure855.Instep2the3'OHendofthefirstexonsequence,whichwascreatedinthefirststep,addstothebeginningofthesecondexonsequence,cleqvingtheRNAmoleculeatthe3'splicesite;thetwoexonsequencesaretherebyjoinedtoeachotherandtheintronsequenceisreleasedadaribosone.ThesesplicingreactionsoccurimthenucleusandgengeratemRNamoleculesfromprimaryRNAtranscripts（mRNAprecursormolecules）.

　　mRNA拼接反应需要有核内小分子RNA介入它们与卵白质形成的复合物称为小核糖核卵白颗粒,SnRNA分别被命名为U1,U2,U3,U4,U5,和U6RNA.SnRNA中的U2RNA由与内元右端拼接部位附近的UACUAA顺序高度互补,形成一个环状结构,由特定的酶来识别切除该环状结构,完成拼接过程,如图1712所示.

图1713　MechanimofmRNasplicing.Notethat,forclarity,theprocessisshownintwostages;energyisnotrequiredfortheprocesssincetransesterificationreactionsareinvolved.

　　真核生物mRNA前体在剪接过程中,还可以形成套索样的结构,在内含子序列中常有一个分支部位的腺苷酸残基,它的2’OH可以自动攻击内含子5’端与外显子1连接的磷酸二酯键,切开了外噗子1,而腺苷酸原来已有3’,5’磷酸二酯键相连的两个相邻的核苷酸残基,加上此3’,5’磷酸二酯键连接后,在腺苷酸处呈现了一个套索,已被切下的外显子1的3’OH攻击内含子3’末端与外显子2之间的3’,5’磷酸二酯键,键断裂后,内含子以套索的形式被节下来,此时外显子1和外显子2可以连接起来（图1713）.

　　不论拼接过程如何,拼接必需极为精确,否则会招致遗传信息传递障碍,合成的卵白质可能丧失其正常的功能.我国南方广年夜地域是β地中海贫血的高发区,这是由于β珠卵白链的合成受到部份或完全抑制所引起的一种血红卵白病.实验标明β珠卵白基因元1中核苷酸的点突变改变了正常拼接部位的碱基顺序,结果造成毛病部位的拼接.加工成熟的mRNA虽能翻译,但产物不是正常的β珠卵白,结果引起血红卵白级结构和功能的改变.

（二）rRNA转录后加工

　　原核生物rRNA转录后加工,包括以下几方面：

①rRNA前体被年夜肠杆菌RNaseⅢ,RNaseE等剪切成一定链长的rRNA分子；②rRNA在修饰酶催化下进行碱基修饰；③rRNA与卵白质结合形成核糖体的年夜、小亚基（见图1714）

图1714　年夜肠杆菌rRNA前体的加工

　　真核生物rRNA前体比原核生物年夜,哺乳植物的低级转录产物为45s,高等真核生物的rRNA前体为38s,真核生物5sRNA前体自力于其他三种rRNA的基因转录（图1715）.

图1715　真核生物rRNA前体的加工

　　真核生物rRNA前体中含有拔出顺序,rRNA前体要形成成熟的rRNA,需要经过拼接反应.例如,四膜虫的rRNA前体的拼接是一种无酶催化的自动拼接过程.四膜虫基因组内,26srRNA编码的区域内有413bp的拔出顺序.该插放序列可以不用耗能量从rRNA前体中被除失落.用SDS煮沸和用卵白酶外理等破坏酶活性法子,都不能破坏拼接活性,但反应中Mg2+和鸟嘌呤核苷酸是必在的.用32PGTP进行追踪实验标明,起始过程是GTP在拔出顺序5’端发生亲核反应,同时GMP与5’端切点的切除段形成磷酸二酯键并使原RNA断开.第二步是5’切点的外元3’OH与3’切点的外元5’P共价连接,获得成熟的rRNA,被切除部份最后环化,形成一个环状结构,同时从5’端去失落一个15核苷酸啐片.剩余部份连接成399核苷酸的环状产物,再经过几步,最后切下一个19个核苷酸的线性内含子序列即L19,它具有催化活性,上面的剪接作用,是由内含子自己的催化性质决定的（图1716）.

图1716　四膜虫rRNA前体的自我剪接

　　这种rRNA的自身剪接反应给人们一个提示：

即RNA分子也有酶的催化活性.这向酶的化学实质是卵白质这一传统概念提出了挑战.这种有酶催化活性的RNA分子命名为Ribozyme.T.Cech和S.Altman各自分别发现RNA具有催化作用,他们的发现对了解生命进行过程有重要意义.很可能在原始生命中,RNA所催化的断裂一连接反应是最早呈现的催化过程.为此,他们共同获得了1989年Nobel化学奖.

　　从年夜大都Ribozymw的结构中发现一些特征,例如：

锤头状结构的RNA分子有13个守旧的核苷酸序列,如果它们中的碱基改变会使这种催化活性失去作用.根据这种特片,科学家们在体外没计并人工合成这种RNA分子,用于抗肿瘤及抗病毒的实验中（图1717）.

图1717　锤头结构模式图

　　（三）tRNA转录后的加工修饰

　　原核生物和真核生物刚转录生成的tRNA前体一般无生物活性,需要进行①剪切和拼接②碱基修饰③3’OH连接ACC结构（图1718）.

图1718　tRNA前体的加工

①tRNA前体在tRNA剪切酶的作用下,切成一定在小的tRNA分子.年夜肠杆菌RNaseP可特异剪切tRNA前体的5’旁顺序,因此,该酶被称为tRNA5’成熟酶.除RNaseP外,tRNA前体的剪切尚需要一个3’核酸内切酶,这可将tRNA前体3’真个一段核苷酸序列切下来.另外RNaseD是tRNA3’端成熟酶.近年来的研究标明年夜肠杆菌RNaseP是一种非常特殊的酶分子,它是由RNA和卵白质组成,最近发现RNAaseP分子中的RNA部份在某些条件下,可以独自地催化tRNA前体的加工成熟,这个发现和四膜虫tRNA能自我拼接被认为是近十年来生化领域内最令人鼓舞的发现之一.说明RNA分子确具有酶的催化活性.经过剪切后的tRNA分子还要在拼接酶作用下,将成熟tRNA分子所需的片段拼起来.

②成熟的tRNA分子中有许多的稀有碱基,因此tRNA在甲基转移酶催化下,某些嘌呤生成甲基嘌呤如A→mA,G→mA.有些尿嘧啶还原为双氢尿嘧啶.尿嘧啶核苷转变不假尿嘧啶核苷.某些腺苷酸脱氨基为成为次黄嘌呤核苷酸（Ⅰ）

③3’末端加上CCA：

在核苷酸转移酶作用下,3’末端除去个别碱基后,换上tRNA分子统一的CCAOH末端,完成tRNA分子中的氨基酸臂结构.

创作时间：

二零二一年六月三十日