RNA轉(zhuǎn)錄后的加工與修飾

1、第二節(jié) RNA轉(zhuǎn)錄后的加工與修飾不論原核或真核生物的rRNAs都是以更為復(fù)雜的初級(jí)轉(zhuǎn)錄本形式被合成的，然后再加工成為成熟的 RNA分子。然而絕大多數(shù)原核生物轉(zhuǎn)錄和翻譯是同時(shí)進(jìn)行的， mRNAh并以其為模板進(jìn)行蛋白質(zhì)的合成，因此原核細(xì)胞的 生物轉(zhuǎn)錄和翻譯在時(shí)間和空間上是分天的，剛轉(zhuǎn)錄出來(lái)的隨著mRNA開(kāi)始的DNA上合成，核蛋白體即附著在 mRNA并無(wú)特殊的轉(zhuǎn)錄后加工過(guò)程，相反，真核 mRN堤分子很大的前體，即核內(nèi)不均一 RNAhnRNA分子中大約只有10%勺部分轉(zhuǎn)變成成熟的 mRNA其余部分將在轉(zhuǎn)錄后的加工過(guò)程中被降解掉。（一） mRNA勺加工修飾原核生物中轉(zhuǎn)錄生成的 mRNA為多順?lè)醋?，即幾個(gè)

2、結(jié)構(gòu)基因，利用共同的啟動(dòng)子和共同終止信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)錄 生成一條mRNA所以此mRNA分子編碼幾種不同的蛋白質(zhì)。例如乳糖操縱子上的Z、Y及A基因，轉(zhuǎn)錄生成的mRNA可翻譯生成三種酶，即半乳糖苷酶，透過(guò)酶和乙?；D(zhuǎn)移酶。原核生物中沒(méi)有核模，所以轉(zhuǎn)錄與翻 譯是連續(xù)進(jìn)行的，往往轉(zhuǎn)錄還未完成，翻譯已經(jīng)開(kāi)始了，因此原核生物中轉(zhuǎn)錄生成的mRNA沒(méi)有特殊的轉(zhuǎn)錄后加工修飾過(guò)程。真核生物轉(zhuǎn)錄生成的 mRNA為單順?lè)醋?，即一個(gè) mRNA分子只為一種蛋白質(zhì)分子編碼。真核生物mRNA的加工修飾，主要包括對(duì) 5端和3端的修飾以及對(duì)中間部分進(jìn)行剪接。1.在5端加帽成熟的真核生物 mRNA其結(jié)構(gòu)的5端都有一個(gè) m7G-PPNm結(jié)構(gòu)

3、，該結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為甲基鳥(niǎo)苷的帽子。如 圖17-9所示。鳥(niǎo)苷通過(guò)5 -5 焦磷酸鍵與初級(jí)轉(zhuǎn)錄物的5端相連。當(dāng)鳥(niǎo)苷上第 7位碳原子被甲基化形成m7G-PPNm時(shí)，此時(shí)形成的帽子被稱(chēng)為“帽 0”，如果附m7G-PPNm外，這個(gè)核糖的第“ 2”號(hào)碳上也甲 基化，形成m7G-PPNm稱(chēng)為“帽1 ”，如果5末端N1和N2中的兩個(gè)核糖均甲基化，成為 m7G-PPNmPNm2 稱(chēng)為“帽2”。從真核生物帽子結(jié)構(gòu)形成的復(fù)雜可以看出，生物進(jìn)化程度越高，其帽子結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。5 5y yItiptopiiateItiptopiiate-、 -NTNT9N N? ? ? ? ? ? 0_F-OT-00_F-OT-0 - - P

4、-P-O1O1 or oror y y0-0-BaseBase0(E0(E OHOHiH0-P-00-P-0圖 17-9Post-transcri ptional modification EndEndL- - -7 - - - -7-McU)7-McU)腫jatftfsjatftfs計(jì)：triptwsphaittriptwsphait “capR“capR.r-Firir-FiriI IpApApApApApApApApApApApA 斥 ”tWv-AtWv-A twitwiof mRNa showing the 7-methylguanosine cap and poly-A tail.精

5、選文庫(kù)3真核生物mRNA 5端帽子結(jié)構(gòu)的重要性在于它是 mRNa做為翻譯起始的必要的結(jié)構(gòu)，對(duì)核糖體對(duì)mRNA的識(shí)別提供了信號(hào)，這種帽子結(jié)構(gòu)還可能增加mRNA勺穩(wěn)定性，保護(hù) mRNa免遭5外切核酸酶的攻擊。2.在3端加尾大多數(shù)的真核 mRNA都有3端的多聚尾巴（A），多聚（A）尾巴大約為200bp。多聚（A）屠巴不是由DNA編碼的，而是轉(zhuǎn)錄后在核內(nèi)加上去的。受polyA聚合酶催化，該酶能識(shí)別,mRNa的游離3 -OH端，并加上約200個(gè)A殘基。精選文庫(kù)4多恢昔gS+jiATFgS+jiATF多核甘厳十nPPinPPi近年來(lái)已知，在大多數(shù)真核基因的 信號(hào)?？亢怂崦冈诖诵盘?hào)下游 10-15 入100

6、-200個(gè)A堿基。關(guān)于polyA尾巴的功能問(wèn)題盡管經(jīng)過(guò)極其廣泛的探索，但還不完全清楚。有人推測(cè) polyA可能與mRNA從細(xì)胞核轉(zhuǎn)送到細(xì)胞質(zhì)有關(guān)，但是相當(dāng)數(shù)量，的沒(méi)有polyA屠巴的mRNA如組蛋白mRNA也照樣通過(guò)核膜進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)。還有人認(rèn)為這種結(jié)構(gòu)對(duì)真核mRNA勺翻譯效率具有某種作用，并能穩(wěn)定mRNA結(jié)構(gòu)，保持一定的生物半衰期。3 一端有一個(gè) AATAA序列，這個(gè)序列是 mRNaj -端加polyA尾的堿基外切斷磷酸二酯鍵，在polyA聚合酶催化下，在3 -OH上逐一引3.mRNA前體（hnRNA的拼接原核生物的結(jié)構(gòu)基因是連續(xù)編碼序列，而真核生物基因往往是斷裂基因，即編碼一個(gè)蛋白質(zhì)分子的核

7、苷酸序列被多個(gè)插入片斷所隔開(kāi)，一個(gè)真核生物結(jié)構(gòu)基因中內(nèi)含子的數(shù)量，往往與這個(gè)基因的大小有關(guān)， 例如胰島素是一個(gè)很小的蛋白質(zhì)，它結(jié)構(gòu)基因只有兩個(gè)內(nèi)含子，而有些很大的蛋白質(zhì)，它的結(jié)構(gòu)基因中可 以有幾十個(gè)內(nèi)含子。經(jīng)過(guò)復(fù)雜的過(guò)程后，切去內(nèi)元，將有編碼意義的核苷酸片段 （Extron外元也叫外顯子） 連接起來(lái)（圖17-10 ）。熾JnlAnDFrimaiyFrimaiy innficnptinnficnpt I I E EACJACJE E i i I I EjgnEjgn I IAAAAAAIAAAAAAI AmAmb)iiE)ocii ipaflipafl 1|1|AAAAAAA)AAAAAAA)H

8、 HTnusUioTnusUio n n ；PodnPodn圖 17-10P rimary poly merase lltranscri pt of a eukaryote gene showing (a)introns after cappingand addition of polyA tail.(b)Excision of introns to form the mature mRNA is called sp licing.精選文庫(kù)5基因區(qū)域ExonIntronExon卵清蛋白內(nèi)元2UAAG GUGAACAGGUUG卵清蛋白內(nèi)元3UCAG GUACUCAGUCUGP-珠蛋白內(nèi)元1GCA

9、G GUUGUCAGGCUGmRNA這就是剪接作用，也有少數(shù)基因的17-11以卵清蛋白基因?yàn)槔?，介紹一個(gè)典型的轉(zhuǎn)錄及加工過(guò)程。 IM cibii內(nèi)I I含護(hù)蚪晁于3 34 4i i 0 0mrmrL L|flfl宙羅腺科議化HBII乙|p|p【 E E 【FTFT【戌熟卵清3 3白廿他RNA圖 17-11卵清蛋白基因轉(zhuǎn)錄及加工過(guò)程圖中外顯示以1、2、表示，內(nèi)含子以 A、B、C、D表示mRNA勺拼接，需要在拼接部位有供拼接識(shí)別的保守性強(qiáng)的一致順序，通過(guò)對(duì) 分析，發(fā)現(xiàn)外元和內(nèi)元拼接部位部分堿基順序有一定的規(guī)律（見(jiàn)表17-4 ）。表17 - 4含有內(nèi)元的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物其拼接處的堿基順序100多種真核細(xì)胞基

10、因的真核生物的結(jié)構(gòu)的基因中具有可表達(dá)活性的外顯子，也含有無(wú)表達(dá)活性的內(nèi)含子，但內(nèi)含子序列下是 無(wú)意義的，越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)證明有許多基因中的內(nèi)含子參與基因表達(dá)調(diào)控，在轉(zhuǎn)錄時(shí)，外顯子及內(nèi)含子均 轉(zhuǎn)錄到hnRNA中。在細(xì)胞核中hnRNA進(jìn)行剪接作用，首先在核酸內(nèi)切酶作用下剪切掉內(nèi)含子；然后在連接 酶作用下，將外顯子各部分連接起來(lái)，而變?yōu)槌墒斓膍RNA這就是剪接作用，也有少數(shù)基因的hnRNA不需進(jìn)行剪接作用，例如a -干擾素基因，圖精選文庫(kù)6P-珠蛋白內(nèi)元2CAGG GUGAACAGUCUCIg入內(nèi)含子1UCAG GUCAGCAGGGGCSV40病毒早期T抗原UAAG GUAAUUAGAUUC表中劃線的

11、堿基對(duì)拼接識(shí)別有重要作用,如將兔的P -珠蛋白的拼接部位的 GT改為AT后，拼接反應(yīng)即受到影響。mRN/前體拼機(jī)制U3U3 atiRhJPatiRhJPintTPHintTPHASMHLASMHLY Y OFOF SPLICBSPLICBOSOMEOSOMESTEPSTEP 1 1tAjlltAjllATAT HJRMAnHJRMAnONON : :AmAm y y spiJCEspiJCE sratsratCLHAVCLHAVACACT TE EU4U4圖 17-12assemblySTEPSTEP 2 2 T T spucEspucE firmfirm CLEAVAGECLEAVAGE A

12、NDAND tXDNtXDN SECyUENCJSECyUENCJ ucAntwucAntw護(hù)ii*ijii*ij intmnintmn 楓WTHSWTHS UlUl 血 ftarnftarn 就 a a LuiMLuiM 總、科曲1 1 & & liVerJdWliVerJdW inin uidtetuidtet創(chuàng)OHOHU5U5* *d d : :rifltur:rifltur: mRNAmRNAseqiinues)seqiinues)The RNA sp licing mechanism.RNA sp licing is catalyzed by a sp liceosome forme

13、d from theof U1,U2,U5,and sn RNPs(shown as green circles )plus other components (notshown).Afterthe 5spliceof the secondassembly of the sp liceosome ,the reaction occures in two spep s:in ste p 1the branch-po int A nucleotide in the intron sequence,which is located colse to the 3splice site ,attacks

14、 site and cleaves it;the cut 5end of the intron sequence thereby becomes covalently linked to this A nucleotide,forming the branched nucleotide shown in Figure 8-55.In ste p 2 the 3-OH endof the first exon sequence,which was created in the firststep,adds to the beginning exon sequence,cleqving the R

15、NA molecule at the 3s plice site;the two exon sequences are thereby joined to each other and the intron sequence is released ad a ribosone.These sp licing reactionsUlUl卻A AU UHlHl精選文庫(kù)7occur im the nucleus and gengerate mRNa molecules from p rimary RNA transcri pts （mRNA p recursormolecules）.mRNA拼接反應(yīng)

16、需要有核內(nèi)小分子RNA參與它們與蛋白質(zhì)形成的復(fù)合物稱(chēng)為小核糖核蛋白顆粒，分別被命名為 U1,U2,U3,U4,U5,和U6RNA SnRNA中的U2RNA由與內(nèi)元右端拼接部位附近的UACUA順序高度互補(bǔ)，形成一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)，由特定的酶來(lái)識(shí)別切除該環(huán)狀結(jié)構(gòu)，完成拼接過(guò)程，如圖17-12所示。SnRNA圖 17-13stages;energyEJtoAEJtoA 1 1 pGpGPrniiiyPrniiiy R R NANA cmtisoripicmtisoripi5HI IA AAGpAGp ExonExon 2TriRNATriRNAAGpAGpUnUn A AAOAOMechanim of m

17、RNa sp licing.Note that,for clarity,the p rocess is shown in twois not required for the process since transesterificationreactions are involved.真核生物1，而3 , 5-磷酸二酯鍵連接3末端與外顯子2之間的3， 和外顯子2可以連接起來(lái)（圖mRNA前體在剪接過(guò)程中，還可以形成套索樣的結(jié)構(gòu)，在內(nèi)含子序列中常有一個(gè)分支部位的 腺苷酸殘基，它的2 -OH可以自動(dòng)攻擊內(nèi)含子 5端與外顯子1連接的磷酸二酯鍵，切開(kāi)了外噗子 腺苷酸原來(lái)已有3，5-磷酸二酯鍵相連的兩個(gè)

18、相鄰的核苷酸殘基，加上此 后，在腺苷酸處出現(xiàn)了一個(gè)套索，已被切下的外顯子1的3 -OH攻擊內(nèi)含子5-磷酸二酯鍵，鍵斷裂后，內(nèi)含子以套索的形式被節(jié)下來(lái)，此時(shí)外顯子 17-13 ）。不論拼接過(guò)程如何，拼接必須極為精確，否則會(huì)導(dǎo)致遺傳信息傳遞障礙，合成的蛋白質(zhì)可能喪失其正 常的功能。我國(guó)南方廣大地區(qū)是P-地中海貧血的高發(fā)區(qū)，這是由于P -珠蛋白鏈的合成受到部分或完全抑制所引起的一種血紅蛋白病。 實(shí)驗(yàn)表明P -珠蛋白基因兀1中核苷酸的點(diǎn)突變改變了正常拼接部位的堿基順 序，結(jié)果造成錯(cuò)誤部位的拼接。加工成熟的mRNAI能翻譯，但產(chǎn)物不是正常的P -珠蛋白，結(jié)果引起血紅蛋白級(jí)結(jié)構(gòu)和功能的改變。（二） rRN

19、A轉(zhuǎn)錄后加工原核生物rRNA轉(zhuǎn)錄后加工，包括以下幾方面： rRNA前體被大腸桿菌 RNaseffl ,RNaseE等剪切成一定 鏈長(zhǎng)的rRNA分子；rRNA在修飾酶催化下進(jìn)行堿基修飾；rRNA與蛋白質(zhì)結(jié)合形成核糖體的大、小亞基（見(jiàn)圖 17-14 ）P PUMUMg精選文庫(kù)84040仏前體號(hào)-H H =_1-5s-5s KhlAKhlAittNAittNA風(fēng)RNARNAiRrfAiRrfARN3MRN3M n nAHN/ksAHN/ksI I 血 RNARNAIKNIKNA AI-!23s23s RIVARIVA 鼬 RNARNAI I _n_n5i5i rRNArRNA5151 rRNArRN

20、A40s40s鬣里如種盍口嗔:圖17-14 大腸桿菌rRNA前體的加工真核生物rRNA前體比原核生物大，哺乳動(dòng)物的初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為45s，低等真核生物的rRNA前體為38s,真核生物5SRNA前體獨(dú)立于其他三種 rRNA的基因轉(zhuǎn)錄（圖17-15）。4s4s rRNArRNA 酮 ttttI I甲站優(yōu)申基化45S45S rRNArRNA1 1水M M323323圖17-15 真核生物rRNA前體的加工真核生物rRNA前體中含有插入順序，rRNA前體要形成成熟的rRNA,需要經(jīng)過(guò)拼接反應(yīng)。例如，四膜蟲(chóng)的rRNA前體的拼接是一種無(wú)酶催化的自動(dòng)拼接過(guò)程。四膜蟲(chóng)基因組內(nèi)，26srRNA編碼的區(qū)域內(nèi)有413

21、bp的插入順序。該插放序列可以不消耗能量從 rRNA前體中被除掉。用SDS煮沸和用蛋白酶外理等破壞酶活性 辦法，都不能破壞拼接活性，但反應(yīng)中Mg2+和鳥(niǎo)嘌吟核苷酸是必在的。用32P-GTP進(jìn)行追蹤實(shí)驗(yàn)表明，起始過(guò)程是GTP在插入順序5端發(fā)生親核反應(yīng)，同時(shí) GMP與 5端切點(diǎn)的切除段形成磷酸二酯鍵并使原RNA斷開(kāi)。第二步是5 切點(diǎn)的外元3 -OH與3 切點(diǎn)的外元5 -P共價(jià)連接，獲得成熟的rRNA被切除部分 最后環(huán)化，形成一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)從5 端去掉一個(gè)15核苷酸啐片。剩余部分連接成 399核苷酸的環(huán)狀精選文庫(kù)9個(gè)核苷酸的線性?xún)?nèi)含子序列即L-19，它具有催化活性，上面的剪接（圖 17-16 ）

22、。內(nèi)含子外于1I1I外S S子2 2G-QHG-QHy y - y并&子1 1外顯子2 2-G G6 6414414y r +L L 舊 RNARNA圖17-16 四膜蟲(chóng)rRNA前體的自我剪接這種rRNA的自身剪接反應(yīng)給人們一個(gè)提示：即RNA分子也有酶的催化活性。這向酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)這一傳統(tǒng)概念提出了挑戰(zhàn)。這種有酶催化活性的別發(fā)現(xiàn)RNA具有催化作用，他們的發(fā)現(xiàn)對(duì)于了解生命進(jìn)行過(guò)程有重要意義。 催化的斷裂一連接反應(yīng)是最早出現(xiàn)的催化過(guò)程。為此，他們共同獲得了RNA分子命名為Ribozyme。很可能在原始生命中，1989年Nobel化學(xué)獎(jiǎng)。T.Cech 和 S.AItman 各自分RNA所從大多數(shù)Ribozymw的結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)一些特征， 例如：錘頭狀結(jié)構(gòu)的如果它們中的堿基改變會(huì)使這種催化活性失去作用。根據(jù)這種特片，科學(xué)家們?cè)隗w外沒(méi)計(jì)并人工合成這種 RNA分子，用于抗腫瘤及抗病毒的實(shí)驗(yàn)中（圖RNA分子有13個(gè)保守的核苷酸序列,17-17 ）。C呼唸國(guó)? JXO圖17-17 錘頭結(jié)構(gòu)模式圖