分子生物学 03-5 - RNA 转录后加工、编辑、再编码与化学修饰
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分子生物学 03-5 - RNA 转录后加工、编辑、再编码与化学修饰

这篇文章介绍了真核生物基因表达中RNA的转录后加工、编辑、再编码与化学修饰的过程，包括RNA剪接、tRNA加工、mRNA剪接、RNA编辑、RNA再编码和RNA化学修饰等内容。

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分子生物学 第 3 章 第 5 节：RNA 转录后加工、编辑、再编码与化学修饰

  • 真核生物基因表达往往伴随着 RNA 剪接splicing过程

  • 从 mRNA 前体分子中切除内含子intron，并使外显子exon拼接成成熟 mRNA

内含子：在 mRNA 前体剪接过程中被保留的编码区
外显子：从 mRNA 前体中被切除的非编码区

3.5.1 真核细胞 RNA 前体的转录后加工

  • 真核细胞 tRNA 基因中有内含子，其前体必须经过剪接

  • 真核细胞 tRNA 加工过程

    1. 内含子的剪接：tRNA 内切核酸酶切割前体分子中的内含子，RNA 连接酶将外显子部分连接在一起

    2. 3’ 端添加 CCA：真核生物所有 tRNA 前体的 3’ 端缺乏 -CCAOH 结构（该结构可携带氨基酸），在蛋白质翻译过程没有活性，因而需要在 tRNA 核苷酸转移酶的催化下，在其 3’ 端添加 CCA

    3. 核苷酸修饰：tRNA 分子中西游核苷酸较多，其修饰很频繁。eg. tRNA 甲基化酶可催化 tRNA 分子特定位置的甲基化

  • tRNA-CCA-OH + 氨基酸 ➡️ 氨酰 tRNA

  • rRNA 前体在核仁中被剪接成成熟的 rRNA 分子。核仁小 RNA （snoRNA） 参与核糖核酸酶对特定立体结构的识别，从而确定切割位点

此处可举例上文所提及的 RNA 聚合酶Ⅰ转录产物 45 S rRNA 前体。在核仁中，这一前体被剪接成成熟的 18 S rRNA、28 S rRNA 和 5.8 S rRNA

3.5.2 真核生物 mRNA 的剪接

  • mRNA 剪接分类：

    1. pre-mRNA 剪接

    2. Ⅰ 类自剪接内含子

    3. Ⅱ 类自剪接内含子

  • 由 DNA 转录生成的原始转录产物—— hnRNA（核内不均一 RNA，mRNA 的前体），经过 5’ 加帽和 3’ 加 poly（A）尾，再经过 RNA 剪接，编码蛋白质的外显子部分就连接成为一个连续的可读框 （open reading frame，ORF），通过核孔进入细胞质，就能作为蛋白质合成的模板了

  • RNA 序列决定了剪接发生的位点

    • GU-AG 法则（Chambon 法则）：一种保守序列模式，是产生 mRNA 前体剪接的信号，GU 表示供体衔接点的 5’ 端，AG 表示接纳体衔接点 3’ 端

  • RNA 剪接经历了两步转酯反应（亲核进攻）

    • 在这一反应中，没有增加新的化学键，只是断开了两个磷酸二酯键，同时形成了两个新的磷酸二酯键

    • 这一反应释放出的内含子形状像一个套索lariat form

    • 这一转酯反应在 pre-mRNA 中是由剪接体介导的，而Ⅰ类和Ⅱ类自剪接内含子则不需要剪接体介导

剪接体 spliceosome

  • mRNA 前体在剪接过程中组装形成的多组分复合物，是一种具有催化剪接反应功能的核糖核蛋白复合体

  • 核小 RNA （snRNA）：剪接体中的 5 种 RNA（U1、U2、U4、U5、U6）的统称

  • 细胞核小核糖体蛋白 （small nuclear ribonuclear protein，snRNP）：snRNA 与几种蛋白质形成的 RNA-蛋白质复合物

  • 内含子的可变剪接或选择性：在个体发育或细胞分化时可以选择性地越过某些外显子或某个剪接点进行变位剪接，产生出组织或发育阶段特异性 mRNA

  • Ⅰ 类和 Ⅱ 类自剪接内含子

    • 不需要剪接体

    • 这些内含子的 RNA 本身具有催化活性，能通过自身折叠成一种特殊的构象来进行内含子的自我剪接，而不需要形成剪接体

    • 最初发现：在原生动物四膜虫中发现了Ⅰ类内含子

    • Ⅰ类和Ⅱ类自剪接内含子的对比

      • Ⅰ类：第一个转酯反应由一个游离的鸟苷或鸟苷酸（GMP、GDP 或 GTP）介导

      • Ⅱ类：主要存在于真核细胞的线粒体和叶绿体 rRNA 基因中。转酯反应无需游离的鸟苷或鸟苷酸，而是内含子本身介导

从课本的文字表述中，可以推测自剪接内含子也是一种核酶

3.5.3 RNA 的编辑 RNA editing

  • 定义：是 mRNA 前体的加工方式之一，通过插入、删除或取代一些核苷酸残基，使 DNA 所编码的遗传信息发生变化，是生物细胞内改变 mRNA 序列和蛋白质编码信息的重要途径

  • 根据中心法则，DNA、RNA 和蛋白质之间存在着直接的线性关系，即连续的序列 DNA 被真实地转录成 mRNA 序列，然后翻译成蛋白质分子

  • 断裂基因的发现和 RNA 的剪接虽然使基因表达过程增加了一个步骤，但 DNA 的实际编码序列没有发生变化

  • 介导 RNA 编辑的两种机制

    1. 位点特异性脱氨基作用

    2. 指导 RNA 引导的尿嘧啶插入或删除

  • RNA 编辑虽然不是很普遍，但在真核生物中时有发生，表明这一途径可能是细胞充分发挥生理功能所必须的

  • RNA 编辑的生物学意义

    1. 校正作用：有些基因在突变过程中丢失的遗传信息可能通过 RNA 的编辑得以恢复

    2. 调控翻译：通过编辑可以构建或去除起始密码子和终止密码子，是基因表达调控的一种方式

    3. 扩充遗传信息：能使基因产物获得新的结构和功能，有利于生物的进化

3.5.4 RNA 的再编码RNA recoding

  • 定义：RNA 编码和读码方式的改变

    • 展开来说：mRNA 在某些情况下不是以固定的方式被翻译，而可以改变原来的编码信息，以不同的方式进行翻译

  • 举例：

    • +1/-1 移码

    • 核糖体跳跃

    • 终止子通读

3.5.5 RNA 的化学修饰

六种最常见的化学修饰途径列举如下

  1. 甲基化

  2. 去氨基化

  3. 硫代

  4. 碱基的同分异构化 eg. 尿嘧啶糖苷键改变，异构化为假尿嘧啶

  5. 二价键的饱和化

  6. 核苷酸的取代

第三章 完

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