真核生物前体 RNA 的加工与降解

  • Published on 2023-08-10
  • Modified on 2023-11-04
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mRNA

真核生物前体 mRNA 合成后，需要进行 5’-端和 3’-端（首、尾部）的修饰以及对前体 mRNA 进行剪接，才能成为成熟的 mRNA，被转运到核糖体，指导蛋白质翻译。

5’-端加入“帽”结构

  • RNA pol Ⅱ 催化合成的新生 RNA 在长度达 25–30 个核苷酸时，其 5’-端的核苷酸就与 7-甲基鸟嘌呤核苷通过不常见的 5’，5’-三磷酸连接键相连
  • 加帽过程由加帽酶和甲基转移酶催化完成
  • 5’-帽结构可以使 mRNA 免遭核酸酶的攻击，也能与帽结合蛋白质复合体结合，并参与 mRNA 和核糖体的结合，启动蛋白质的生物合成

3’-端加入多聚腺苷酸尾

  • 真核 mRNA，除了组蛋白的 mRNA，在 3’-端都有多聚腺苷酸[poly（A）]尾结构。
  • poly(A)尾的出现是不依赖于DNA模板的
  • 转录最初生成的前体mRNA3’端长于成熟的mRNA。因此认为,加入poly(A)之前先由核酸内切酶切去前体mRNA3’端的一些核苷酸,然后加入poly(A)
  • 这一过程在核内完成,而且先于mRNA中段的剪接
  • 尾部修饰是和转录终止同时进行的过程
  • 一般认为poly(A)的长度与mRNA的寿命呈正相关
  • poly(A)的有无与长短与维持mRNA本身稳定性和mRNA作为翻译模板的活性高度相关
  • 组蛋白基因的转录产物,无论是初级的或成熟的,都没有poly(A)尾巴

mRNA 剪接

mRNA 剪接
前体 mRNA 中被剪接去除的核酸序列为内含子的序列，而最终出现在成熟 mRNA 分子中、作为模板指导蛋白质翻译的序列为外显子序列。去除初级转录物上的定义内含子，把外显子连接为成熟 RNA 的过程称为 mRNA 剪接。
  • 过程
    1. 内含子形成 RNA 套索结构：剪接首先涉及套索 RNA 的形成，即内含子区段弯曲，使相邻的两个外显子互相靠近而利于剪接
    2. 内含子在剪接接口处剪除
      • 前体mRNA含有可被剪接体所识别的特殊序列,其内含子两端存在一定的序列保守性
      • 内含子含有5’-剪接位点、剪接分支点和3’-剪接位点
      • 大多数内含子都以 GU 为 5’-端的起始序列，而其末端则为 AG-OH-3'
      • 5′-GU……AG-OH-3′ 古（gu）阿（a）哥（g）有内涵（内含） 称为剪接接口或边界序列
    3. 剪接过程需两次转酯反应：
      • 第一次转酯反应是由位于内含子分支点的腺嘌呤核苷酸的 2’-OH 作为亲核基团攻击连接外显子 1 与内含子之间的 3’，5’-磷酸二酯键，使外显子 1 与内含子之间的键断裂，外显子 1 的 3’-OH 游离出来。此时套索状的内含子与外显子 2 仍然相连
      • 第二次转酯反应由外显子 1 的 3’-OH 对内含子和外显子 2 之间的磷酸二酯键进行亲核攻击，使内含子与外显子 2 断开，由外显子 1 取代了套索状内含子。这样，两个外显子被连接起来而内含子则被以套索状的形式切除掉
      • 这两步反应中磷酸酯键的数目并没有改变，因此也没有能量的消耗
    • 场所：剪接体是内含子剪接场所，由 5 种核小 RNA（snRNA，属于核酶）和 100 种以上的蛋白质构成（snRNP）
  • 模式：
    • 剪切：剪去某些内含子后,在上游的外显子3’-端再进行多聚腺苷酸化,不进行相邻外显子之间的连接反应
    • 剪接：剪切后又将相邻的外显子片段连接起来
  • 可变剪接：
    • 有些前体 mRNA（hnRNA）可剪切或（和）剪接加工成结构有所不同的 mRNA，这一现象称为可变剪接。
    • 可变剪接提高了有限的基因数目的利用率，是增加生物蛋白质多样性的机制之一。

mRNA 编辑mRNA 分化加工

RNA 编辑
有些基因的蛋白质产物的氨基酸序列与基因的初级转录物序列并不完全对应，成熟 mRNA（hnRNA）上的一些序列在转录后发生了改变，称为 RNA 编辑。
  • 举例：例如，人类基因组上只有 1 个载脂蛋白 B（ApoB）的基因，转录后发生 RNA 编辑，编码产生的 apoB 蛋白却有 2 种，一种是 apoB 100，在肝细胞合成；另一种是 apoB 48，由小肠黏膜细胞合成。这两种 apoB 都是由基因产生的 mRNA 编码的
  • 意义：RNA 编辑作用说明，基因的编码序列经过转录后加工，是可有多用途分化的，因此也称为分化加工。

rRNA

  • 真核生物基因组的 rRNA 基因中，18S、5.8S 和 28SrRNA 基因是串联在一起的，转录后产生 45S 的转录产物
  • 45S rRNA 是 3 种 rRNA 的前身
  • 45S rRNA 在核仁小 RNA（snoRNA）以及多种蛋白质分子组成的核仁小核糖核蛋白的介导下经历了 2’-O-核糖甲基化等化学修饰，这些修饰可能与其后续的加工、折叠和组装后的核糖体功能有关
  • 45S rRNA 经过某些核糖核酸内切酶和核糖核酸外切酶的剪切，去除内含子等序列，而产生成熟的 18S、5.8S 及 28S rRNA
  • rRNA 成熟后，就在核仁上装配，与核糖体蛋白质一起形成核糖体，输送到胞质

真核前体 tRNA 的的加工

  1. 5’-端切除加帽：核糖核酸酶 P（RNase P，属于核酶）切除 5’-端 16 个核苷酸前导序列。
  2. 3’-端先切除再加尾：
    • 切除：核糖核酸内切酶 RNase Z 切除 3’-端 2 个 U，有时核糖核酸外切酶 RNase D 等也参与切除过程。
    • 核苷酸转移酶再在 3’-端加上特有的 CCA 末端。
  3. 稀有碱基：茎-环结构中的一些核苷酸碱基经化学修饰为稀有碱基，包括某些嘌呤甲基化生成甲基嘌呤、某些尿嘧啶还原为二氢尿嘧啶（DHU）、尿嘧啶核苷转变为假尿嘧啶核苷（φ）、某些腺苷酸脱氨成为次黄嘌呤核苷酸（I）等。
  4. tRNA 剪接：前体 tRNA 分子折叠成特殊的二级结构后，RNA 剪接内切酶（TSEN）切除茎-环结构中部 14 个核苷酸的内含子（一般都位于前体 tRNA 分子的反密码子环），切除后的连接反应由 tRNA 连接酶催化。
  5. 二级结构：前体 tRNA 分子必须折叠成特殊的二级结构，剪接反应才能发生，内含子一般都位于前体 tRNA 分子的反密码子环。

其他

  • RNA 催化一些内含子的自剪接
    • 由 RNA 分子催化自身内含子剪接的反应称为自剪接
    • 自身剪接内含子的 RNA 具有催化功能，属于核酶
  • 真核和原核的区别：剪接和剪切等 RNA 转录后加工在原核生物细胞内的前体 rRNA、前体 tRNA 等非编码 RNA 中普遍存在，但是原核生物细胞内没有剪接体，其编码蛋白质的 mRNA 没有内含子，不进行剪接等转录后加工，也不进行 5’-末端“帽”结构和 3’-端多聚腺苷酸尾的添加
  • 真核 RNA 在细胞内的降解有多种途径
    • 依赖于脱腺苷酸化的 mRNA 降解是重要的正常 mRNA 代谢途径
    • miRNA、siRNA 等可能参与这个过程
    • 无义介导的 mRNA 降解是一种重要的真核生物细胞 mRNA 质量监控机制
生物化学与分子生物学