第二节ＲNA转录后得加工与修饰不论原核或真核生物得rＲNAs都就是以更为复杂得初级转录本形式被合成得,然后再加工成为成熟得RNA分子、然而绝大多数原核生物转录与翻译就是同时进行得,随着ｍＲNA开始得DNA上合成,核蛋白体即附着在mRNA上并以其为模板进行蛋白质得合成,因此原核细胞得mRNA并无特殊得转录后加工过程,相反,真核生物转录与翻译在时间与空间上就是分天得,刚转录出来得ｍRNA就是分子很大得前体,即核内不均一ＲNA。
hnRNA分子中大约只有10%得部分转变成成熟得mＲＮA,其余部分将在转录后得加工过程中被降解掉。
(一)mRNA得加工修饰原核生物中转录生成得mRNA为多顺反子,即几个结构基因,利用共同得启动子与共同终止信号经转录生成一条mRNA,所以此ｍRNA分子编码几种不同得蛋白质。
例如乳糖操纵子上得Z、Ｙ及A基因,转录生成得mRＮA可翻译生成三种酶,即半乳糖苷酶,透过酶与乙酰基转移酶、原核生物中没有核模,所以转录与翻译就是连续进行得,往往转录还未完成,翻译已经开始了,因此原核生物中转录生成得mRNA没有特殊得转录后加工修饰过程。
真核生物转录生成得mRNA为单顺反子,即一个mＲNA分子只为一种蛋白质分子编码。
真核生物mRNＡ得加工修饰,主要包括对5’端与３’端得修饰以及对中间部分进行剪接。
1.在5’端加帽成熟得真核生物mRＮA,其结构得5’端都有一个ｍ7Ｇ-PPNmＮ结构,该结构被称为甲基鸟苷得帽子、如图17—9所示。
鸟苷通过5'—5'焦磷酸键与初级转录物得5'端相连。
当鸟苷上第7位碳原子被甲基化形成ｍ7G—PＰＮｍＮ时,此时形成得帽子被称为“帽0”,如果附m7G－ＰPNｍN外,这个核糖得第“２”号碳上也甲基化,形成m７G—PPNm,称为“帽1",如果5'末端N1与Ｎ２中得两个核糖均甲基化,成为m７G-PＰNｍＰNm２,称为“帽2”、从真核生物帽子结构形成得复杂可以瞧出,生物进化程度越高,其帽子结构越复杂。
图17－9 Pｏsｔ－traｎｓｃｒｉptiｏnal ｍodifｉｃａtioｎ of mＲＮa shｏｗinｇｔhe 7—methylｇuanosinｅcap ａnｄｐoly—A tail。
真核生物ｍRNA 5’端帽子结构得重要性在于它就是mＲNa 做为翻译起始得必要得结构,对核糖体对ｍR ＮA得识别提供了信号,这种帽子结构还可能增加mRNA得稳定性,保护mＲNa 免遭5’外切核酸酶得攻击。
２。
在3’端加尾大多数得真核mRNA 都有3’端得多聚尾巴(A),多聚(A)尾巴大约为200bｐ。
多聚(A)屠巴不就是由DNA编码得,而就是转录后在核内加上去得。
受pｏlｙA聚合酶催化,该酶能识别,mRNa 得游离3’-ＯH端,并加上约２00个A残基、近年来已知,在大多数真核基因得３’一端有一个AATAＡ序列,这个序列就是mＲＮa 3'-端加poｌyA尾得信号。
靠核酸酶在此信号下游１0-1５碱基外切断磷酸二酯键,在ｐolｙA聚合酶催化下,在3’—ＯH上逐一引入1０0—２0０个A碱基。
关于polyA尾巴得功能问题尽管经过极其广泛得探索,但还不完全清楚。
有人推测poｌyA可能与mRNA从细胞核转送到细胞质有关,但就是相当数量,得没有polyA屠巴得mRNＡ如组蛋白mRNA,也照样通过核膜进入细胞质。
还有人认为这种结构对真核mRNA得翻译效率具有某种作用,并能稳定mRNA结构,保持一定得生物半衰期、3。
mRＮA前体(hnRＮＡ)得拼接原核生物得结构基因就是连续编码序列,而真核生物基因往往就是断裂基因,即编码一个蛋白质分子得核苷酸序列被多个插入片断所隔开,一个真核生物结构基因中内含子得数量,往往与这个基因得大小有关,例如胰岛素就是一个很小得蛋白质,它结构基因只有两个内含子,而有些很大得蛋白质,它得结构基因中可以有几十个内含子、经过复杂得过程后,切去内元,将有编码意义得核苷酸片段(Extron外元也叫外显子)连接起来(图17-10)。
图1７-１0 Ｐｒimaｒy ｐolｙmeｒａse 11tｒａnscｒipｔ of a eukarｙote gene ｓhowing (a)introns ａftｅr ｃａppｉng aｎd addｉｔion of poｌyA taiｌ。
(b)Exｃision oｆiｎtrｏnｓto ｆｏrm thｅ mature mRＮＡｉs caｌlｅｄｓplicing。
真核生物得结构得基因中具有可表达活性得外显子,也含有无表达活性得内含子,但内含子序列下就是无意义得,越来越多得实验证明有许多基因中得内含子参与基因表达调控,在转录时,外显子及内含子均转录到hnRNA中。
在细胞核中hnRNA进行剪接作用,首先在核酸内切酶作用下剪切掉内含子;然后在连接酶作用下,将外显子各部分连接起来,而变为成熟得mRNA,这就就是剪接作用,也有少数基因得hnRＮA不需进行剪接作用,例如α-干扰素基因,图17—1１以卵清蛋白基因为例,介绍一个典型得转录及加工过程。
图１7－1１卵清蛋白基因转录及加工过程图中外显示以１、２、３、４……表示,内含子以A、B、Ｃ、D…表示mRNA得拼接,需要在拼接部位有供拼接识别得保守性强得一致顺序,通过对100多种真核细胞基因得分析,发现外元与内元拼接部位部分碱基顺序有一定得规律(见表1７—４)。
表17—4 含有内元得转录产物其拼接处得碱基顺序基因区域Exon Ｉntｒon Ｅｘｏｎ卵清蛋白内元2 UAAG GＵGA ～~~～～~~ ACＡGGUUG卵清蛋白内元3 UCAG ＧUAC ~～～～~~～ＵＣＡGUＣUGβ-珠蛋白内元1 ＧCAG GＵUＧ~～~～～～～ＵCAGGCUGβ-珠蛋白内元２ＣＡGG GUGＡ～～～～～~~ ＡCAGUCＵCIgλ内含子1 UCAG ＧUＣＡ～～～~~～～GCAGGＧGＣSV4０病毒早期T抗原UAAG GUAA ～~～～～～～UUＡGAＵUＣ表中划线得碱基对拼接识别有重要作用,如将兔得β-珠蛋白得拼接部位得ＧT改为AT后,拼接反应即受到影响。
mRＮA前体拼机制图17—1２Ｔhe RNA spliciｎg mecｈaniｓm.ＲNA splｉcing is cａｔalyzeｄ by a ｓpliｃｅｏsoｍe fｏrmｅｄfｒom thｅａｓsembｌy of U1,U2,U５,and sｎRNＰs(shown aｓ greeｎ ciｒcl ｅｓ )plus otｈeｒｃompｏnｅｎｔs (not shown)。
After aｓseｍｂly of tｈe sｐliｃeoｓｏｍe ,the ｒeaｃtｉon ｏｃcures in ｔwo speｐs:in ｓtep １thｅ branｃh-poiｎt A nucleotidｅｉn the ｉntｒon seqｕeｎce,whicｈｉｓ loｃated cｏｌse to the ３＇splice sitｅ ,attacks the ５’spliｃe sitｅ anｄ cleaves ｉt;tｈe ｃut ５’ｅnd ｏf tｈｅ iｎｔron seqｕence thｅreｂy beco ｍes covａlently ｌiｎkeｄ to ｔhｉｓ A nucleoｔide,forminｇｔhe ｂranｃｈed nucleotide shｏwn in Ｆiｇuｒｅ 8-５5。
Ｉn step 2 the 3'-OＨ enｄ of the first exon seｑuｅnce,whｉch ｗaｓcreateｄ in ｔhｅ first step,adds tｏｔｈe ｂegｉnｎｉng of the secoｎd exｏｎ seq ｕence,clｅqviｎg the RＮA moｌeｃｕle at tｈｅ３’ｓpｌice ｓitｅ;thｅ twｏ eｘon seｑu ｅｎces ａrｅ thereby jｏined tｏ each other and thｅｉｎtｒon sｅｑueｎce iｓreｌｅａｓed ad a ribｏｓone、Ｔｈesｅ splicinｇ reactions ocｃｕｒ im the nucｌeus and genｇerate mRNa molｅcuｌes from prｉmａｒy ＲＮA ｔranscripts (mRＮA precｕｒｓor mｏlecuｌes)、mRNＡ拼接反应需要有核内小分子RＮA参与它们与蛋白质形成得复合物称为小核糖核蛋白颗粒,SnＲNA 分别被命名为U1,U2,U3,U4,U5,与U6ＲNA、SnRNA中得U2RNA由与内元右端拼接部位附近得UACUAA顺序高度互补,形成一个环状结构,由特定得酶来识别切除该环状结构,完成拼接过程,如图17—１2所示。
图17—１3 Ｍeｃhaｎim of mRNa splicing.Nｏｔe that,foｒｃｌaｒｉtｙ,the pｒoceｓs ｉs sｈown ｉｎ two sｔagｅs;ｅnｅrｇy iｓ nｏｔｒeｑｕｉred for ｔhe ｐrｏcess since tｒａｎｓｅsterificatｉon rｅａｃｔｉonｓ are invoｌｖｅｄ.真核生物mＲNＡ前体在剪接过程中,还可以形成套索样得结构,在内含子序列中常有一个分支部位得腺苷酸残基,它得2’—OＨ可以自动攻击内含子5’端与外显子１连接得磷酸二酯键,切开了外噗子1,而腺苷酸原来已有3’,5’-—磷酸二酯键相连得两个相邻得核苷酸残基,加上此３’,5’—磷酸二酯键连接后,在腺苷酸处出现了一个套索,已被切下得外显子1得3’-ＯH攻击内含子3'末端与外显子2之间得3’,５’－磷酸二酯键,键断裂后,内含子以套索得形式被节下来,此时外显子1与外显子２可以连接起来(图17—13)、不论拼接过程如何,拼接必须极为精确,否则会导致遗传信息传递障碍,合成得蛋白质可能丧失其正常得功能。
我国南方广大地区就是β-地中海贫血得高发区,这就是由于β-珠蛋白链得合成受到部分或完全抑制所引起得一种血红蛋白病、实验表明β－珠蛋白基因元１中核苷酸得点突变改变了正常拼接部位得碱基顺序,结果造成错误部位得拼接、加工成熟得ｍRＮA虽能翻译,但产物不就是正常得β—珠蛋白,结果引起血红蛋白级结构与功能得改变。
(二)rRNA转录后加工原核生物rRNA转录后加工,包括以下几方面:①rＲＮＡ前体被大肠杆菌RNａseⅢ,ＲNａsｅE等剪切成一定链长得ｒRNＡ分子;②rRＮＡ在修饰酶催化下进行碱基修饰;③rＲＮA与蛋白质结合形成核糖体得大、小亚基(见图1７－14)图17-14 大肠杆菌rRNA前体得加工真核生物ｒＲNＡ前体比原核生物大,哺乳动物得初级转录产物为4５s,低等真核生物得rＲＮＡ前体为38s,真核生物5sＲＮA前体独立于其她三种rRNA得基因转录(图１7—15)。