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真核生物mRNA的加工修飾與轉錄調控(二)

真核生物mRNA的加尾也是共轉錄進行的,涉及20多種蛋白質。這一過程需要識别聚腺苷酸化位點(PAS),切割前mRNA(pre-mRNA),添加poly(A)尾巴。此過程還具有觸發轉錄終止的作用。

哺乳動物前mRNA中與加尾相關的順式元件包括三個主要元件和兩個輔助元件。前者包括聚腺苷酸化信号(PAS)、切割位點和富含G / U的下遊元件(DSE),後者包括富含U的上遊輔助元件和富含G的下遊輔助元件。

mRNA 3'-末端加工的順式元件。Curr Opin Struct Biol. 2019

相應的反式因子則包括多個複合物:切割和聚腺苷酸特異性因子(CPSF)、切割刺激因子(CSTF)、切割因子Im(CF Im,其中m代表mRNA)和IIm(CF IIm)以及poly(A)聚合酶(PAP)等。

CPSF可以特異性識别PAS(AAUAAA基序),指導前mRNA的切割。CPSF至少包括4種蛋白,根據其分子量(KD)命名,其中CPSF-160直接與PAS結合。

CF Im和CSTF複合物分别識别上遊輔助元件(USE)和下遊元件(DSE),有助于選擇切割位點,并确保有效的前mRNA識别和切割。CF IIm可與RNAP II的CTD結合,是前mRNA切割所必需的。

哺乳動物mRNA 3'-末端加工複合物及相應順式元件。Cell Mol Life Sci. 2008

CPSF-73有内切酶活性,可切割AAUAAA序列下遊的mRNA。也有研究認為PAP同時具有核酸内切酶活性和聚腺苷酸聚合酶活性。總之先在PAS下遊約10–30個堿基處切割mRNA,然後再逐步添加20–250個腺苷殘基的尾部。

PAS不一定唯一,大約有近70%的人類基因具有多個poly A位點。所以終止信号的選擇也是一種基因表達調控方式,稱為可變聚腺苷酸化(Alternative polyadenylation,APA)。白血病細胞中一些抑癌基因會由于選擇上遊的poly A位點而表達截短的蛋白,喪失抑癌功能。

一種調控方式是通過抗終止作用阻止上遊PAS的使用,從而轉錄出全長mRNA。真核生物的SCAF4(SR, CTD-associated factor 4)和SCAF8具有抗終止作用,可以結合在RNAPII的CTD,阻止上遊poly A位點的使用。所以SCAF4/8雙敲除導緻轉錄提前終止,生成截短的mRNA,具有細胞緻死性。

SCAF4和SCAF8的抗終止作用。Cell. 2019

Poly A與成熟mRNA的穩定性、翻譯起始以及出核運輸有關。酵母中Mex67:Mtr2複合物可以與核孔蛋白相互作用,使RNA通過核孔擴散。Sub2(一種DEAD盒解旋酶)和TREX複合體介導成熟mRNA與Mex67:Mtr2複合物結合,形成出核mRNP(export competent mRNP)。通過核孔後,二者解離,防止mRNA返回。

酵母mRNA的加工與運輸。J Biol Chem. 2019

在原核生物中也有聚腺苷酸化反應。例如,大腸杆菌PAPI可以催化一些RNA的聚腺苷酸化反應,但其功能與真核生物不同,是加速這些RNA的降解。

大腸杆菌中PAP I依賴性RNA降解。Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2018

mRNA中還存在很多化學修飾,有堿基的修飾,也有核糖的修飾。這些修飾可以參與mRNA的剪接、核輸出、轉錄本穩定性和翻譯起始等事件,進而調控多種生理及病理過程。

真核生物mRNA的化學修飾成分。Mol Cancer. 2020

mRNA中常見的修飾包括N6-甲基腺苷(m6A),N1-甲基腺苷(m1A),5-甲基胞嘧啶(m5C),5-羟甲基胞嘧啶(hm5C),假尿苷(Ψ),肌苷(I)和核糖甲基化(2'-O-Me)等。其中m6A最為普遍,研究也較多。

化學修飾在mRNA中的位置。Mol Cancer. 2020

m6A修飾占哺乳動物RNA總腺苷的0.2-0.6%,在細胞過程中起着重要作用。m6A是可逆的mRNA修飾,具有自己的書寫器、擦除器和閱讀器。

這些稱呼來自表觀遺傳學,指各種修飾在形成、去除以及發揮功能的過程中所需的反式因子。例如,甲基化修飾的書寫器(writer)一般是各種甲基轉移酶,擦除器(eraser)就是相應的去甲基酶,也包括一些相關的輔助蛋白。

m6A的常用書寫器有METTL3、METTL14、WTAP和RBM15等,各有不同的底物或細胞定位等。例如,METTL3是mRNA中主要的m6A形成酶,但不催化rRNA或snRNA的甲基化。

m6A發揮作用的主要機制是募集m6A結合蛋白,即其reader,主要是一些含有YTH結構域的蛋白,以及真核起始因子3(eIF3)等。

m6A的writer、reader和eraser。Annu Rev Cell Dev Biol. 2017

YTH(YT521B同源性)結構域能夠選擇性地結合RNA中的m6A。例如YTHDF家族成員(DF1,DF2和DF3)均以其YTH域識别m6A,以另一個結構域發揮不同功能。DF1可以促進翻譯,而DF2促進mRNA降解。

另一種reader,YTHDC1,可以調節某些轉錄本的剪接,還參與XIST(一種非編碼RNA)介導的女性X染色體失活。

eIF3可以結合5´UTR中的m6A,從而形成一種不依賴eIF4的翻譯起始過程,而正常的翻譯起始是eIF4依賴的。據研究,在一些壓力和疾病狀态下eIF4E的活性會受到損害,所以m6A可以介導一種選擇性的、疾病特異性的翻譯。

m6A修飾調節細胞的生理過程。Mol Cancer. 2020

RNA的修飾不僅限于mRNA。人體rRNA中有超過200種修飾。而在各種常見的RNA中,tRNA修飾的數量最多,化學種類最廣,從堿基異構、甲基化到複雜的環結構修飾。真核tRNA平均每個分子含有13個修飾。tRNA的修飾有助于翻譯的效率和保真度,以及折疊、穩定性和細胞定位等。

總之,RNA的修飾可以使RNA更穩定、高效,甚至具有額外的細胞功能。RNA修飾的異常也會導緻細胞功能的異常,與多種疾病相關。

RNA修飾與人體疾病。Mol Cancer. 2020

參考文獻:

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