RNA轉錄后的加工與修

飾Documentserialnumber【UU89WT-UU98YT-UU8CB-UUUT-UUT108】

第二節RNA轉錄后的加工與修飾不論原核或真核生物的rRNAs都是以更為復雜的初級轉錄本形式被合成的，然后再加工成為成熟的RNA分子。然而絕大多數原核生物轉錄和翻譯是同時進行的，隨著mRNA開始的DNA上合成，核蛋白體即附著在mRNA上并以其為模板進行蛋白質的合成，因此原核細胞的mRNA并無特殊的轉錄后加工過程，相反，真核生物轉錄和翻譯在時間和空間上是分天的，剛轉錄出來的mRNA是分子很大的前體，即核內不均一RNA。hnRNA分子中大約只有10%的部分轉變成成熟的mRNA，其余部分將在轉錄后的加工過程中被降解掉。（一）mRNA的加工修飾原核生物中轉錄生成的mRNA為多順反子，即幾個結構基因，利用共同的啟動子和共同終止信號經轉錄生成一條mRNA，所以此mRNA分子編碼幾種不同的蛋白質。例如乳糖操縱子上的Z、Y及A基因，轉錄生成的mRNA可翻譯生成三種酶，即半乳糖苷酶，透過酶和乙酰基轉移酶。原核生物中沒有核模，所以轉錄與翻譯是連續進行的，往往轉錄還未完成，翻譯已經開始了，因此原核生物中轉錄生成的mRNA沒有特殊的轉錄后加工修飾過程。真核生物轉錄生成的mRNA為單順反子，即一個mRNA分子只為一種蛋白質分子編碼。

真核生物mRNA的加工修飾，主要包括對5'端和3'端的修飾以及對中間部分進行剪接。1．在5'端加帽成熟的真核生物mRNA，其結構的5'端都有一個m7G-PPNmN結構，該結構被稱為甲基鳥苷的帽子。如圖17-9所示。鳥苷通過5'-5'焦磷酸鍵與初級轉錄物的5'端相連。當鳥苷上第7位碳原子被甲基化形成m7G-PPNmN時，此時形成的帽子被稱為“帽0”，如果附m7G-PPNmN外，這個核糖的第“2”號碳上也甲基化，形成m7G-PPNm，稱為“帽1”，如果5'末端N1和N2中的兩個核糖均甲基化，成為m7G-PPNmPNm2，稱為“帽2”。從真核生物帽子結構形成的復雜可以看出，生物進化程度越高，其帽子結構越復雜。圖17-9Post-transcriptionalmodificationofmRNashowingthe圖17-9Post-transcriptionalmodificationofmRNashowingthe7-methylguanosinecapandpoly-Atail.真核生物mRNA5'端帽子結構的重要性在于它是mRNa做為翻譯起始的必要的結構，對核糖體對mRNA的識別提供了信號，這種帽子結構還可能增加mRNA的穩定性，保護mRNa免遭5'外切核酸酶的攻擊。2．在3'端加尾大多數的真核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，而是轉錄后在核內加上去的。受polyA聚合酶催化，該酶能識別，mRNa的游離3'-OH端，并加上約200個A殘基。事核昔K+iiATP—盹壬唱?導核昔酸＜AJn+aPPi近年來已知，在大多數真核基因的3'—端有一個AATAA序列，這個序列是mRNa3'-端加polyA尾的信號。靠核酸酶在此信號下游10T5堿基外切斷磷酸二酯鍵，在polyA聚合酶催化下，在3'-0H上逐一引入100-200個A堿基。關于polyA尾巴的功能問題盡管經過極其廣泛的探索，但還不完全清楚。有人推測polyA可能與mRNA從細胞核轉送到細胞質有關，但是相當數量，的沒有polyA屠巴的mRNA如組蛋白mRNA，也照樣通過核膜進入細胞質。還有人認為這種結構對真核mRNA的翻譯效率具有某種作用，并能穩定mRNA結構，保持一定的生物半衰期。前體（hnRNA）的拼接原核生物的結構基因是連續編碼序列，而真核生物基因往往是斷裂基因，即編碼一個蛋白質分子的核苷酸序列被多個插入片斷所隔開，一個真核生物結構基因中內含子的數量，往往與這個基因的大小有關，例如胰島素是一個很小的蛋白質，它結構基因只有兩個內含子，而有些很大的蛋白質，它的結構基因中可以有幾十個內含子。經過復雜的過程后，切去內元，將有編碼意義的核苷酸片段（Extron外元也叫外顯子）連接起來（圖17-10）。JnUDtu尹jimiry(rtESCripr,JnUDtu尹jimiry(rtESCripr,「、Tnus國lionPtabeinSplicdng\Inirnrwrarw?(b)JttRNRj二￥5也0「IEmotiI^a^i?〕AAAAAA(Am圖17-10Primarypolymerase11transcriptofaeukaryotegene

showing(a)intronsaftercappingandadditionofpolyA

tail.(b)ExcisionofintronstoformthematuremRNAiscalled

splicing.真核生物的結構的基因中具有可表達活性的外顯子，也含有無表達活性的內含子，但內含子序列下是無意義的，越來越多的實驗證明有許

多基因中的內含子參與基因表達調控，在轉錄時，外顯子及內含子均轉錄到hnRNA中。在細胞核中hnRNA進行剪接作用，首先在核酸內切酶作用下剪切掉內含子；然后在連接酶作用下，將外顯子各部分連接起來，而變為成熟的mRNA，這就是剪接作用，也有少數基因的hnRNA不需進行剪接作用，例如a-干擾素基因，圖17-11以卵清蛋白基因為例，介紹一個典型的轉錄及加工過程。廠門殖C[廠門殖C[JC11VB[FI]QF1.7A!陌11cIFdH―e—iZZ圖17-11卵清蛋白基因轉錄及加工過程圖中外顯示以1、2、3、4……表示，內含子以A、B、C、D…表示mRNA的拼接，需要在拼接部位有供拼接識別的保守性強的一致順序，通過對100多種真核細胞基因的分析，發現外元和內元拼接部位部分堿基順序有一定的規律（見表17-4）。表17－4含有內元的轉錄產物其拼接處的堿基順序基因區域ExonIntronExon卵清蛋白內元2UAAGGUGAACAGGUUG卵清蛋白內元3UCAGGUACUCAGUCUG&-珠蛋白內元1GCAGGUUGUCAGGCUG&-珠蛋白內元2CAGGGUGAACAGUCUCIg入內含子1UCAGGUCAGCAGGGGCSV40病毒早期TUAAGGUAAUUAGAUUC表中劃線的堿基對拼接識別有重要作用，如將兔的B-珠蛋白的拼接部位的GT改為AT后，拼接反應即受到影響。mRNA前體拼機制

3rfiplicr^iierrmLonjlRUXLWetoyS1U4U4<J4[BLYOF?SOME/STRP2rSPLICESITE.CLEAVAGEANHtXDNSEQUENCELIGATTONSTEPiLARIATKJRMATTDNI>e3rfiplicr^iierrmLonjlRUXLWetoyS1U4U4<J4[BLYOF?SOME/STRP2rSPLICESITE.CLEAVAGEANHtXDNSEQUENCELIGATTONSTEPiLARIATKJRMATTDNI>eANE)S'SmCESITECLEAVAGEeiA遍aJijiirtm^q.Lk7HjjuiiIk：fiximofaLn邊3tiwillbein山心t符inajurvnKNA皿加JE?科IKqiKTk^]*pl血施U}snRNrU2；nRNP亍圖n\/hhx^n圖17-12TheRNAsplicingsplicingiscatalyzedbyaspliceosomeformedfromtheassemblyofU1,U2,U5,andsnRNPs(shownasgreencircles)plusothercomponents(not

shown).Afterassemblyofthespliceosome,thereactionoccures

intwospeps:instep1thebranch-pointAnucleotideinthe

intronsequence,whichislocatedcolsetothe3'splice

site,attacksthe5'splicesiteandcleavesit;thecut5'endof

theintronsequencetherebybecomescovalentlylinkedtothisA

nucleotide,formingthebranchednucleotideshowninFigure

step2the3'-OHendofthefirstexonsequence,whichwascreatedinthefirststep,addstothebeginningofthesecondexonsequence,cleqvingtheRNAmoleculeatthe3'splice

site;thetwoexonsequencesaretherebyjoinedtoeachother

andtheintronsequenceisreleasedadasplicingreactions

occurimthenucleusandgengeratemRNamoleculesfromprimary

RNAtranscripts(mRNAprecursormolecules).mRNA拼接反應需要有核內小分子RNA參與它們與蛋白質形成的復合物稱為小核糖核蛋白顆粒，SnRNA分別被命名為U1,U2,U3,U4,U5,和U6RNA。SnRNA中的U2RNA由與內元右端拼接部位附近的UACUAA順序高度互補，形成一個環狀結構，由特定的酶來識別切除該環狀結構，完成拼接過程，如圖17-12所示。□HAGinRNA.PrinHjvRNA□HAGinRNA.PrinHjvRNA圖17-13MechanimofmRNathat,forclarity,theprocessisshownintwostages;energyisnotrequiredfortheprocess

sincetransesterificationreactionsareinvolved.真核生物mRNA前體在剪接過程中，還可以形成套索樣的結構，在內含子序列中常有一個分支部位的腺苷酸殘基，它的2'-OH可以自動攻擊內含子5'端與外顯子1連接的磷酸二酯鍵，切開了外噗子1，而腺苷酸原來已有3'，5'--磷酸二酯鍵相連的兩個相鄰的核苷酸殘基，加上此3'，5'-磷酸二酯鍵連接后，在腺苷酸處出現了一個套索，已被切下的外顯子1的3'-OH攻擊內含子3'末端與外顯子2之間的3'，5'-磷酸二酯鍵，鍵斷裂后，內含子以套索的形式被節下來，此時外顯子1和外顯子2可以連接起來（圖17-13）。不論拼接過程如何，拼接必須極為精確，否則會導致遺傳信息傳遞障礙，合成的蛋白質可能喪失其正常的功能。我國南方廣大地區是B-地中海貧血的高發區，這是由于B-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。實驗表明B-珠蛋白基因元1中核苷酸的點突變改變了正常拼接部位的堿基順序，結果造成錯誤部位的拼接。加工成熟的mRNA雖能翻譯，但產物不是正常的B-珠蛋白，結果引起血紅蛋白級結構和功能的改變。（二）rRNA轉錄后加工原核生物rRNA轉錄后加工，包括以下幾方面：①rRNA前體被大腸桿菌RNaseIII,RNaseE等剪切成一定鏈長的rRNA分子；②rRNA在修飾酶催化下進行堿基修飾；③rRNA與蛋白質結合形成核糖體的大、小亞基（見圖17-14）陣MH-陣MH-——卜伽KN*IRMA廠--——Ii…匚5sRNAiRIfA■.FRNsseBlixnaI1ixnaI1—2女RINA]—―L,,,-5sRNAtRNA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，哺乳動物的初級轉錄產物為45s，低等真核生物的rRNA前體為38s,真核生物5sRNA前體獨立于其他三種rRNA的基因轉錄（圖17T5）。

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，需要經過拼接反應。例如，四膜蟲的rRNA前體的拼接是一種無酶催化的自動拼接過程。四膜蟲基因組內，26srRNA編碼的區域內有413bp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，但反應中Mg2+和鳥嘌吟核苷酸是必在的。用32P-GTP進行追蹤實驗表明，起始過程是GTP在插入順序5'端發生親核反應，同時GMP與5'端切點的切除段形成磷酸二酯鍵并使原RNA斷開。第二步是5'切點的外元3'-OH與3'切點的外元5'-P共價連接，獲得成熟的rRNA，被切除部分最后環化，形成一個環狀結構，同時從5'端去掉一個15核苷酸啐片。剩余部分連接成399核苷酸的環狀產物，再經過幾步，最后切下一個19個核苷酸的線性內含子序列即L-19，它具有催化活性，上面的剪接作用，是由內含子本身的催化性質決定的（圖17-16）。r苫)5O□H414Q3也O內會子G-OHL19RNAr苫)5O□H414Q3也O內會子G-OHL19RNAX那區子！外顯護2圖17-16四膜蟲rRNA前體的自我剪接這種rRNA的自身剪接反應給人們一個提示：即RNA分子也有酶的催化活性。這向酶的化學本質是蛋白質這一傳統概念提出了挑戰。這種有酶催化活性的RNA分子命名為Ribozyme。和各自分別發現RNA具有催化作用，他們的發現對于了解生命進行過程有重要意義。很可能在原始生命中，RNA所催化的斷裂一連接反應是最早出現的催化過程。為此，他們共同獲得了1989年Nobel化學獎。從大多數Ribozymw的結構中發現一些特征，例如：錘頭狀結構的RNA分子有13個保守的核苷酸序列，如果它們中的堿基改變會使這種催化活性失去作用。根據這種特片，科學家們在體外沒計并人工合成這種RNA分子，用于抗腫瘤及抗病毒的實驗中（圖17-17）。

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