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真核生物mRNA的加工修飾與轉錄調控(一)

轉錄生成的産物稱為轉錄本(transcript)。未經加工的初始轉錄本(primary transcript)往往活性或穩定性不足,需要進行加工修飾之後才能正常發揮作用。RNA的加工修飾多種多樣,以前統稱為轉錄後加工。但現在看來,很多加工其實并非在轉錄終止之後才會進行,而是伴随轉錄過程進行的,應該稱為共轉錄加工(co‐transcriptional processing)。

例如,真核生物mRNA的加帽(capping)過程,就發生在轉錄早期,啟動子近側暫停的時候。隻有完成加帽程序,RNAP II才能進入生産性延伸,所以有模型認為加帽是一個檢查點(checkpoint)。

真核生物mRNA的加工修飾與轉錄調控(一) mRNA加帽發生在轉錄早期。Biosci Rep. 2020

加帽過程需要多種酶參與。首先是暫停的Pol II募集加帽酶(capping enzyme,CE或RNGTT),這一過程還需要Pol II CTD的磷酸化。高等動物的CE具有RNA 5'-三磷酸酶(TPase)活性和鳥嘌呤基轉移酶(GTase)活性,先切去轉錄本5’-末端磷酸,再添加鳥苷單磷酸,形成基本帽結構G(5')ppp(5')N。

真核生物mRNA的加工修飾與轉錄調控(一) 加帽反應的酶促步驟。Nucleic Acids Res. 2016

然後是一系列甲基化反應。首先是RNA鳥嘌呤-N7甲基轉移酶(RNMT-RAM)催化鳥嘌呤的N-7甲基化,其中RNMT是催化亞基,RAM是調節亞基,起活化作用。生成的m7G(5')ppp(5')N結構稱為cap0,在形成帽結合複合物(CBC)、轉錄本剪接、核輸出和翻譯起始等過程中起作用。

+1和+2位核苷酸的核糖2’位羟基也可以甲基化,産物分别稱為cap1和cap2。這兩個甲基化在不同生物中有所不同,人類的mRNA都具有cap1結構,但隻有一半的mRNA具有cap2結構。cap1不僅與翻譯起始有關,在針對外源RNA的先天免疫系統中,還可作為自身RNA的标志。

真核生物mRNA的加工修飾與轉錄調控(一) mRNA加帽有關的酶。RNA Biol. 2017

真核mRNA的加工還有剪接、加尾和化學修飾等過程。剪接(splicing)就是切除内含子,将外顯子連接起來的過程。剪接主要在轉錄延伸過程中進行,稱為共轉錄剪接(co-transcriptional splicing)。

剪接由六個連續步驟組成,需要多種蛋白參與,還需要五種snRNA構成的小核糖核蛋白(snRNP U1,U2,U4,U5和U6)。首先是U1結合到前mRNA的5'-剪接位點,然後U2結合到分支點。第三步是U4、U5和U6與U1和U2結合,組裝成前催化剪接體。之後U1和U4離去,複合物激活。

真核生物mRNA的加工修飾與轉錄調控(一) mRNA剪接過程。Biomed J. 2019

第五步是U6和U2相互作用,切開5'-剪接位點再與分支點相連。這是一個轉酯反應,使内含子形成套索結構。最後由U5将兩個外顯子連接,結束剪接過程。

真核生物的蛋白質編碼基因往往具有多個外顯子,這些外顯子可以交替組合形成不同的mRNA,稱為選擇性剪接或可變剪接(alternative splicing,AS)。理查德·羅伯茨(Richard J. Roberts)和菲利普·A·夏普(Phillip A. Sharp)因斷裂基因和可變剪接方面的研究而分享1993年諾貝爾生理學或醫學獎。

真核生物mRNA的加工修飾與轉錄調控(一) 理查德和菲利普分享1993年諾獎。引自諾貝爾基金會

可變剪接有多種模式,如外顯子跳過、外顯子互斥、内含子保留、可變剪接位點等。這些模式可以是器官特異性的、組織特異性的或細胞類型特異性的。據研究,大腦具有最複雜的可變剪接模式。

真核生物mRNA的加工修飾與轉錄調控(一) 可變剪接的不同模式。Biomed J. 2019

人類的蛋白質編碼基因多數具有可變剪接,各種轉錄本在不同組織之間可能差異很大。有研究表明,超過40%的基因在單個組織中具有多種轉錄本。

可變剪接不僅可以增加蛋白質多樣性,而且對于調節基因表達也具有重要作用。可變剪接與細胞分化、器官發育等多種生理過程相關,可變剪接的失調涉及腫瘤等多種疾病,例如β-珠蛋白基因的兩種錯誤剪接可以導緻β-地中海貧血。

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