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RNA转录后的加工与修饰

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不论原核或真核生物的rRNAs都是以更为复杂的初级转录本形式被合成的,然后再加工成为成熟的RNA分子。然而绝大多数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,核蛋白体即附着在mRNA上并以其为模板进行蛋白质的合成,因此原核细胞的mRNA并无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是分子很大的前体,即核内不均一RNA。hnRNA分子中大约只有10%的部分转变成成熟的mRNA,其余部分将在转录后的加工过程中被降解掉。

(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分子编码几种不同的蛋白质。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分子只为一种蛋白质分子编码。

真核生物mRNA的加工修饰,主要包括对5’端和3’端的修饰以及对中间部分进行剪接。

1.在5’端加帽

成熟的真核生物mRNA,其结构的5’端都有一个m7G-PPNmN结构,该结构被称为甲基鸟苷的帽子。如图17-9所示。鸟苷通过5’-5’焦磷酸键与初级转录物的5’端相连。当鸟苷上第7位碳原子被甲基化形成m7G-PPNmN时,此时形成的帽子被称为“帽0”,如果附m7G-PPNmN外,这个核糖的第“2”号碳上也甲基化,形成m7G-PPNm,称为“帽1”,如果5’末端N1和N2中的两个核糖均甲基化,成为m7G-PPNmPNm2,称为“帽2”。从真核生物帽子结构形成的复杂可以看出,生物进化程度越高,其帽子结构越复杂。

Post-transcriptional modification of mRNa showing the7-methylguanosine cap and poly-A tail.


图17-9 Post-transcriptional modification of mRNa showing the7-methylguanosine cap and poly-A tail.

真核生物mRNA 5’端帽子结构的重要性在于它是mRNa 做为翻译起始的必要的结构,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,保护mRNa 免遭5’外切核酸酶的攻击。

2.在3’端加尾

大多数的真核mRNA 都有3’端的多聚尾巴(A),多聚(A)尾巴大约为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。

Granqyh3.jpg


近年来已知,在大多数真核基因的3’一端有一个AATAA序列,这个序列是mRNa 3’-端加polyA尾的信号。靠核酸酶在此信号下游10-15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100-200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,但是相当数量,的没有polyA屠巴的mRNA如组蛋白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,保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,即编码一个蛋白质分子的核苷酸序列被多个插入片断所隔开,一个真核生物结构基因中内含子的数量,往往与这个基因的大小有关,例如胰岛素是一个很小的蛋白质,它结构基因只有两个内含子,而有些很大的蛋白质,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17-10)。

Primary polymerase 11transcript of a eukaryote gene showing


图17-10 Primary polymerase 11transcript of a eukaryote gene showing(a)introns after capping and addition of polyA tail.(b)Excision of introns toform the mature mRNA is called splicing.

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参与基因表达调控,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掉内含子;然后在连接酶作用下,将外显子各部分连接起来,而变为成熟的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17-11以卵清蛋白基因为例,介绍一个典型的转录及加工过程。

卵清蛋白基因转录及加工过程


图17-11 卵清蛋白基因转录及加工过程

图中外显示以1、2、3、4……表示,内含子以A、B、C、D…表示

mRNA的拼接,需要在拼接部位有供拼接识别的保守性强的一致顺序,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分碱基顺序有一定的规律(见表17-4)。

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
卵清蛋白内元2 UAAG GUGA ~~~~~~~ ACAGGUUG
卵清蛋白内元3 UCAG GUAC ~~~~~~~ UCAGUCUG
β-珠蛋白内元1 GCAG GUUG ~~~~~~~ UCAGGCUG
β-珠蛋白内元2 CAGG GUGA ~~~~~~~ ACAGUCUC
Igλ内含子1 UCAG GUCA ~~~~~~~ GCAGGGGC
SV40病毒早期T抗原 UAAG GUAA ~~~~~~~ UUAGAUUC

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

mRNA前体拼机制

Granrpaz.jpg


图17-12 The RNA splicing mechanism.RNA splicing is catalyzed by aspliceosome formed from the assembly of U1,U2,U5,and sn RNPs(shown as greencircles )plus other components (not shown).After assembly of the spliceosome,the reaction occures in two speps:in step 1the branch-point A nucleotide inthe intron sequence,which is located colse to the 3'splice site ,attacks the5'splice site and cleaves it;the cut 5'end of the intron sequence therebybecomes covalently linked to this A nucleotide,forming the branched nucleotideshown in Figure 8-55.In step 2 the 3'-OH end of the first exon sequence,whichwas created in the first step,adds to the beginning of the second exonsequence,cleqving the RNA molecule at the 3'splice site;the two exon sequencesare thereby joined to each other and the intron sequence is released ad aribosone.These splicing reactions occur im the nucleus and gengerate mRNamolecules from primary RNA transcripts (mRNA precursor molecules).

mRNA拼接反应需要有核内小分子RNA参与它们与蛋白质形成的复合物称为小核糖核蛋白颗粒,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17-12所示。

Mechanim of mRNa splicing.Note that,for clarity,the process is shownin two stages;energy is not required for the process since transesterificationreactions are involved.


图17-13 Mechanim of mRNa splicing.Note that,for clarity,the process is shownin two stages;energy is not required for the process since transesterificationreactions are involved.

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,在腺苷酸处出现了一个套索,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17-13)。

不论拼接过程如何,拼接必须极为精确,否则会导致遗传信息传递障碍,合成的蛋白质可能丧失其正常的功能。我国南方广大地区是β-地中海贫血的高发区,这是由于β-珠蛋白链的合成受到部分或完全抑制所引起的一种血红蛋白病。实验表明β-珠蛋白基因元1中核苷酸的点突变改变了正常拼接部位的碱基顺序,结果造成错误部位的拼接。加工成熟的mRNA虽能翻译,但产物不是正常的β-珠蛋白,结果引起血红蛋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前体被大肠杆菌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与蛋白质结合形成核糖体的大、小亚基(见图17-14)

大肠杆菌rRNA前体的加工


图17-14 大肠杆菌rRNA前体的加工

真核生物rRNA前体比原核生物大,哺乳动物的初级转录产物为45s,低等真核生物的rRNA前体为38s,真核生物5sRNA前体独立于其他三种rRNA的基因转录(图17-15)。

真核生物rRNA前体的加工


图17-15 真核生物rRNA前体的加工

真核生物rRNA前体中含有插入顺序,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的插入顺序。该插放序列可以不消耗能量从rRNA前体中被除掉。用SDS煮沸和用蛋白酶外理等破坏酶活性办法,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32P-GTP进行追踪实验表明,起始过程是GTP在插入顺序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,被切除部分最后环化,形成一个环状结构,同时从5’端去掉一个核苷酸啐片。剩余部分连接成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L-19,它具有催化活性,上面的剪接作用,是由内含子本身的催化性质决定的(图17-16)。

四膜虫rRNA前体的自我剪接


图17-16 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。这向酶的化学本质是蛋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,他们的发现对于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出现的催化过程。为此,他们共同获得了1989年Nobel化学奖。

从大多数Ribozymw的结构中发现一些特征,例如:锤头状结构的RNA分子有13个保守的核苷酸序列,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17-17)。

锤头结构模式图


图17-17 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17-18)。

tRNA前体的加工


图17-18 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。大肠杆菌RNase P可特异剪切tRNA前体的5’旁顺序,因此,该酶被称为tRNA5’成熟酶。除了RNaseP外,tRNA前体的剪切尚需要一个’-核酸内切酶,这可将tRNA前体3’端的一段核苷酸序列切下来。此外RNaseD是tRNA3’端成熟酶。近年来的研究表明大肠杆菌RNaseP是一种非常特殊的酶分子,它是由RNA和蛋白质组成,最近发现RNAaseP分子中的RNA部分在某些条件下,可以单独地催化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CCA-OH末端,完成tRNA分子中的氨基酸臂结构。

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