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真核生物mRNA的加工修饰与转录调控(二)

时间:2022-04-23 20:03:12 热文 我要投稿

真核生物mRNA的加尾也是共转录进行的,涉及20多种蛋白质。这一过程需要识别聚腺苷酸化位点(PAS),切割前mRNA(pre-mRNA),添加poly(A)尾巴。此过程还具有触发转录终止的作用。

哺乳动物前mRNA中与加尾相关的顺式元件包括三个主要元件和两个辅助元件。前者包括聚腺苷酸化信号(PAS)、切割位点和富含G / U的下游元件(DSE),后者包括富含U的上游辅助元件和富含G的下游辅助元件。

mRNA 3"-末端加工的顺式元件。Curr Opin Struct Biol. 2019

相应的反式因子则包括多个复合物:切割和聚腺苷酸特异性因子(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可以特异性识别PAS(AAUAAA基序),指导前mRNA的切割。CPSF至少包括4种蛋白,根据其分子量(KD)命名,其中CPSF-160直接与PAS结合。

CF Im和CSTF复合物分别识别上游辅助元件(USE)和下游元件(DSE),有助于选择切割位点,并确保有效的前mRNA识别和切割。CF IIm可与RNAP II的CTD结合,是前mRNA切割所必需的。

哺乳动物mRNA 3"-末端加工复合物及相应顺式元件。Cell Mol Life Sci. 2008

CPSF-73有内切酶活性,可切割AAUAAA序列下游的mRNA。也有研究认为PAP同时具有核酸内切酶活性和聚腺苷酸聚合酶活性。总之先在PAS下游约10–30个碱基处切割mRNA,然后再逐步添加20–250个腺苷残基的尾部。

PAS不一定唯一,大约有近70%的人类基因具有多个poly A位点。所以终止信号的选择也是一种基因表达调控方式,称为可变聚腺苷酸化(Alternative polyadenylation,APA)。白血病细胞中一些抑癌基因会由于选择上游的poly A位点而表达截短的蛋白,丧失抑癌功能。

一种调控方式是通过抗终止作用阻止上游PAS的使用,从而转录出全长mRNA。真核生物的SCAF4(SR, CTD-associated factor 4)和SCAF8具有抗终止作用,可以结合在RNAPII的CTD,阻止上游poly A位点的使用。所以SCAF4/8双敲除导致转录提前终止,生成截短的mRNA,具有细胞致死性。

SCAF4和SCAF8的抗终止作用。Cell. 2019

Poly A与成熟mRNA的稳定性、翻译起始以及出核运输有关。酵母中Mex67:Mtr2复合物可以与核孔蛋白相互作用,使RNA通过核孔扩散。Sub2(一种DEAD盒解旋酶)和TREX复合体介导成熟mRNA与Mex67:Mtr2复合物结合,形成出核mRNP(export competent mRNP)。通过核孔后,二者解离,防止mRNA返回。

酵母mRNA的加工与运输。J Biol Chem. 2019

在原核生物中也有聚腺苷酸化反应。例如,大肠杆菌PAPI可以催化一些RNA的聚腺苷酸化反应,但其功能与真核生物不同,是加速这些RNA的降解。

大肠杆菌中PAP I依赖性RNA降解。Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2018

mRNA中还存在很多化学修饰,有碱基的修饰,也有核糖的修饰。这些修饰可以参与mRNA的剪接、核输出、转录本稳定性和翻译起始等事件,进而调控多种生理及病理过程。

真核生物mRNA的化学修饰成分。Mol Cancer. 2020

mRNA中常见的修饰包括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最为普遍,研究也较多。

化学修饰在mRNA中的位置。Mol Cancer. 2020

m6A修饰占哺乳动物RNA总腺苷的0.2-0.6%,在细胞过程中起着重要作用。m6A是可逆的mRNA修饰,具有自己的书写器、擦除器和阅读器。

这些称呼来自表观遗传学,指各种修饰在形成、去除以及发挥功能的过程中所需的反式因子。例如,甲基化修饰的书写器(writer)一般是各种甲基转移酶,擦除器(eraser)就是相应的去甲基酶,也包括一些相关的辅助蛋白。

m6A的常用书写器有METTL3、METTL14、WTAP和RBM15等,各有不同的底物或细胞定位等。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发挥作用的主要机制是募集m6A结合蛋白,即其reader,主要是一些含有YTH结构域的蛋白,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)结构域能够选择性地结合RNA中的m6A。例如YTHDF家族成员(DF1,DF2和DF3)均以其YTH域识别m6A,以另一个结构域发挥不同功能。DF1可以促进翻译,而DF2促进mRNA降解。

另一种reader,YTHDC1,可以调节某些转录本的剪接,还参与XIST(一种非编码RNA)介导的女性X染色体失活。

eIF3可以结合5´UTR中的m6A,从而形成一种不依赖eIF4的翻译起始过程,而正常的翻译起始是eIF4依赖的。据研究,在一些压力和疾病状态下eIF4E的活性会受到损害,所以m6A可以介导一种选择性的、疾病特异性的翻译。

m6A修饰调节细胞的生理过程。Mol Cancer. 2020

RNA的修饰不仅限于mRNA。人体rRNA中有超过200种修饰。而在各种常见的RNA中,tRNA修饰的数量最多,化学种类最广,从碱基异构、甲基化到复杂的环结构修饰。真核tRNA平均每个分子含有13个修饰。tRNA的修饰有助于翻译的效率和保真度,以及折叠、稳定性和细胞定位等。

总之,RNA的修饰可以使RNA更稳定、高效,甚至具有额外的细胞功能。RNA修饰的异常也会导致细胞功能的异常,与多种疾病相关。

RNA修饰与人体疾病。Mol Cancer. 2020

参考文献:

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