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真核生物mRNA的加工修饰与转录调控(一)

时间:2022-04-23 20:02:23 热评 我要投稿

转录生成的产物称为转录本(transcript)。未经加工的初始转录本(primary transcript)往往活性或稳定性不足,需要进行加工修饰之后才能正常发挥作用。RNA的加工修饰多种多样,以前统称为转录后加工。但现在看来,很多加工其实并非在转录终止之后才会进行,而是伴随转录过程进行的,应该称为共转录加工(co‐transcriptional processing)。

例如,真核生物mRNA的加帽(capping)过程,就发生在转录早期,启动子近侧暂停的时候。只有完成加帽程序,RNAP II才能进入生产性延伸,所以有模型认为加帽是一个检查点(checkpoint)。

mRNA加帽发生在转录早期。Biosci Rep. 2020

加帽过程需要多种酶参与。首先是暂停的Pol II募集加帽酶(capping enzyme,CE或RNGTT),这一过程还需要Pol II CTD的磷酸化。高等动物的CE具有RNA 5"-三磷酸酶(TPase)活性和鸟嘌呤基转移酶(GTase)活性,先切去转录本5’-末端磷酸,再添加鸟苷单磷酸,形成基本帽结构G(5")ppp(5")N。

加帽反应的酶促步骤。Nucleic Acids Res. 2016

然后是一系列甲基化反应。首先是RNA鸟嘌呤-N7甲基转移酶(RNMT-RAM)催化鸟嘌呤的N-7甲基化,其中RNMT是催化亚基,RAM是调节亚基,起活化作用。生成的m7G(5")ppp(5")N结构称为cap0,在形成帽结合复合物(CBC)、转录本剪接、核输出和翻译起始等过程中起作用。

+1和+2位核苷酸的核糖2’位羟基也可以甲基化,产物分别称为cap1和cap2。这两个甲基化在不同生物中有所不同,人类的mRNA都具有cap1结构,但只有一半的mRNA具有cap2结构。cap1不仅与翻译起始有关,在针对外源RNA的先天免疫系统中,还可作为自身RNA的标志。

mRNA加帽有关的酶。RNA Biol. 2017

真核mRNA的加工还有剪接、加尾和化学修饰等过程。剪接(splicing)就是切除内含子,将外显子连接起来的过程。剪接主要在转录延伸过程中进行,称为共转录剪接(co-transcriptional splicing)。

剪接由六个连续步骤组成,需要多种蛋白参与,还需要五种snRNA构成的小核糖核蛋白(snRNP U1,U2,U4,U5和U6)。首先是U1结合到前mRNA的5"-剪接位点,然后U2结合到分支点。第三步是U4、U5和U6与U1和U2结合,组装成前催化剪接体。之后U1和U4离去,复合物激活。

mRNA剪接过程。Biomed J. 2019

第五步是U6和U2相互作用,切开5"-剪接位点再与分支点相连。这是一个转酯反应,使内含子形成套索结构。最后由U5将两个外显子连接,结束剪接过程。

真核生物的蛋白质编码基因往往具有多个外显子,这些外显子可以交替组合形成不同的mRNA,称为选择性剪接或可变剪接(alternative splicing,AS)。理查德·罗伯茨(Richard J. Roberts)和菲利普·A·夏普(Phillip A. Sharp)因断裂基因和可变剪接方面的研究而分享1993年诺贝尔生理学或医学奖。

理查德和菲利普分享1993年诺奖。引自诺贝尔基金会

可变剪接有多种模式,如外显子跳过、外显子互斥、内含子保留、可变剪接位点等。这些模式可以是器官特异性的、组织特异性的或细胞类型特异性的。据研究,大脑具有最复杂的可变剪接模式。

可变剪接的不同模式。Biomed J. 2019

人类的蛋白质编码基因多数具有可变剪接,各种转录本在不同组织之间可能差异很大。有研究表明,超过40%的基因在单个组织中具有多种转录本。

可变剪接不仅可以增加蛋白质多样性,而且对于调节基因表达也具有重要作用。可变剪接与细胞分化、器官发育等多种生理过程相关,可变剪接的失调涉及肿瘤等多种疾病,例如β-珠蛋白基因的两种错误剪接可以导致β-地中海贫血。

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