1、第六章第六章 RNARNA的修饰与加工的修饰与加工 第一节细胞中第一节细胞中RNARNA组分组分 第二节第二节mRNAmRNA的修饰与加工的修饰与加工 第三节非编码第三节非编码RNARNA的修饰与加工的修饰与加工 第四节细胞中第四节细胞中mRNAmRNA的定位与降解的定位与降解第一节细胞中第一节细胞中RNARNA组分组分 非编码RNA（non-coding RNA）核糖体RNA（rRNA):丰度最高（80%），参与组成核糖体 转移RNA（tRNA):携带氨基酸，识别mRNA中密码子，参与蛋白质的翻译。siRNA(small interference RNA):小干扰RNA，与靶RNA配对导致其
2、降解。miRNA(microRNA):微小RNA，功能同siRNA.RNA干扰：由siRNA和miRNA等双链RNA在转录后水平抑制靶基因表达的现象。反义RNA 基因DNA序列两条链均可转录，生成反义RNA，属于非编码RNA，参与基因的表达调控。转录 大肠杆菌的184nt-RNA 基因沉默 Xist RNA 复制 端粒酶RNA RNA加工 RNase P RNA RNA修饰 CDsnoRNA RNA稳定性 RyhB sRNA mRNA翻译 第二节第二节 mRNAmRNA修饰与加工修饰与加工前体RNA（pre-RNA）末端修饰（end-modification）剪切（splicing）剪切事件化
3、学修饰编辑真核生物RNA的加工与修饰1.末端修饰（end-modification）加帽与加尾：真核生物和古细菌的 mRNA合成时，需在5-端加帽及3-端加上一段Poly(A)尾巴。5-加帽：鸟苷酸3磷酸与RNA端部核苷酸3磷酸作用，产生5-5对接的磷酸二酯键；鸟苷酰基转移酶将一个甲基加到鸟嘌呤7位N原子上生成7-甲基鸟嘌呤，鸟嘌呤甲基转移酶加帽功能1 1）阻止阻止mRNAmRNA的降解的降解 细胞内存在许多细胞内存在许多RNARNA酶（酶（RNaseRNase），它们），它们可攻击游离的可攻击游离的RNARNA分子。分子。RNARNA酶的降解从酶的降解从5 5端起始，端起始，当在当在mRNA
4、mRNA的的5 5端加上端加上 m m7 7GpppGGpppG帽子后，带有帽子后，带有3 3个连接磷酸的个连接磷酸的55帽帽可阻止可阻止RNaseRNase切割。切割。2 2）提高翻译效率提高翻译效率 真核生物真核生物mRNAmRNA必须通过必须通过5 5帽结合蛋白才能帽结合蛋白才能接触核糖体接触核糖体,起始翻译。缺少加帽的起始翻译。缺少加帽的mRNAmRNA由于不能被由于不能被5 5帽帽结合蛋白识别，其翻译效率比加帽结合蛋白识别，其翻译效率比加帽 mRNA mRNA 低二十倍。低二十倍。加帽功能3）作为进出细胞核的识别标记作为进出细胞核的识别标记 凡由凡由Pol II转录的转录的RNA均均
5、 在在5端加帽，包括端加帽，包括snRNA，这是，这是RNA分子进出细胞核分子进出细胞核 的识别标记。大多数的识别标记。大多数snRNA转录后在细胞核中接收转录后在细胞核中接收 5端单甲基端单甲基m7G加帽，然后转移到细胞质与加帽，然后转移到细胞质与snRNP蛋蛋 白结合。在细胞质中白结合。在细胞质中snRNA 5帽需再修饰成为三甲基帽需再修饰成为三甲基 带帽结构带帽结构m2，2，7G，随后重新返回细胞核参与，随后重新返回细胞核参与mRNA 的剪接加工。的剪接加工。U6 snRNA由由PolIII转录，在其转录，在其5端保留端保留 的三磷酸基团无帽子结构，因而不能输出细胞核。某的三磷酸基团无帽
6、子结构，因而不能输出细胞核。某 些突变型的被输送到细胞质中的些突变型的被输送到细胞质中的snRNA由于不能合成由于不能合成 三甲基带帽结构，不能返回细胞核。三甲基带帽结构，不能返回细胞核。4）提高提高mRNA的剪接效率的剪接效率 5帽结合蛋白涉及第一个内帽结合蛋白涉及第一个内 含子剪接复合物的形成，直接影响含子剪接复合物的形成，直接影响mRNA的剪接效的剪接效 率率。mRNA 3端多聚腺苷酸化切割多聚腺苷酸特异因子（CPSF）与AAUAA序列结合切割刺激因子（CstF）附着在富GU区中间有polyA聚合酶，核酸内切酶（CF1/CF2),polyA结合蛋白加尾作用提高提高mRNAmRNA的稳定性
7、的稳定性 控制与提高控制与提高mRNAmRNA翻译效率翻译效率 有助于有助于mRNAmRNA前体最后一个内含子的剪切前体最后一个内含子的剪切提高翻译效率2.剪切（splicing）内含子与外显子：内含子是阻断基因线性表达的序列。DNA上的内含子会被转录到前体RNA中，但 RNA上的内含子会在RNA离开细胞核进行翻以前前被剪除。在成熟mRNA被保留下来的基因部分被称为外显子。内含子类型内含子类型 分分 布布-GU AG内含子内含子 真核生物核前体真核生物核前体mRNA AT AC内含子内含子 真核生物核前体真核生物核前体mRNA I 型（型（Group I）真核生物核前体真核生物核前体mRNA
8、细胞器细胞器RNA II型（型（Group II）细胞器细胞器RNA 某些原核生物某些原核生物RNA III型（型（Group III）细胞器细胞器RNA 孪生内含子（孪生内含子（Twintrons）细胞器细胞器RNA 前体前体tRNA内含子内含子 真核生物核前体真核生物核前体tRNA 古细菌内含子古细菌内含子 不同不同RNA-异常的内含子剪切1.外显子跳跃（exon skipping）2.隐秘位点（cryptic splice site）外显子剪接增强子 内含子剪接沉默子 SR蛋白两种剪接方式果蝇性别决定基因系列可变剪接 3个基因成员：sxl tra dsx果蝇性别决定基因系列可变剪接果蝇性
9、别决定基因系列可变剪接mRNA的可变剪切 人类基因组基因仅为线虫的1倍 果蝇基因数比线虫少6000个问题：人类与果蝇如何利用有限的基因构建复杂的个体？答案：mRNA可变剪切丰富了蛋白质组的多样性。问题：如何分析mRNA可变剪接？收集EST（expressed sequence tags），分析mRNA编码序列 将这些序列与人类mRNA库进行比较转录产物中至少有40%-60%发生可变剪接 果蝇DSCAM（唐氏综合症细胞粘附分子）基因 神经轴突导向受体（axon guidence receptor）10个免疫球蛋白（Ig）重复单位组成，其中第4,6,9个单位由可变剪接产生。外显子4,6,9,17由
10、许多序列相似的亚单位组成，分别有12,48,33和2种剪切方式，每个mRNA中，外显子4,6,9,17只有一个亚单位入选。能产生几种不同的蛋白质？12*48*33*2=38016 果蝇DSCAM基因产物的可变剪切生物mRNA可变剪接的比例 mRNA可变剪接生物学意义：可变剪接是在RNA水平调控基因表达的机制之一 多样性与复杂性 转录与mRNA加工的偶联第三节非编码第三节非编码RNARNA的修饰与加工的修饰与加工（一）rRNA与tRNA前体的加工（二）rRNA与tRNA化学修饰（三）mRNA的编辑（四）干扰RNA与转录后调控（一）rRNA与tRNA前体的剪切加工细菌rRNA和tRNA前体剪切加工
11、大肠杆菌rRNA和tRNA的加工RNase PRNase PRNase DRNase DRNase E/F 大肠杆菌tRNA剪切加工 真核生物rRNA前体剪切 4种rRNA：5sRNA（由Pol III转录，不经过加工）5.8s、18s、28srRNA（由Pol I转录，内含子剪接加工）rRNA加工过程snoRNA（small nucleolar RNA）其与蛋白结合为snoRNP。功能：参与rRNA剪切，且参与线粒体RNA引物的加工。这是最早在单这是最早在单细胞原生生物细胞原生生物的的rRNArRNA剪切加剪切加工中发现的内工中发现的内含子切除现象含子切除现象,不依赖蛋白质不依赖蛋白质仅由仅
12、由rRNArRNA分子分子自身催化的剪自身催化的剪接反应接反应,又称又称为为核酶核酶.组群组群IIII内含子内含子(Group II)(Group II)主要出现在线粒体和叶绿体主要出现在线粒体和叶绿体mRNAmRNA前体剪接前体剪接中中.Group II.Group II内含子剪接也不依赖蛋白质内含子剪接也不依赖蛋白质,主要由前体主要由前体mRNAmRNA的构型的构型提供剪接活性提供剪接活性,也属于一类也属于一类核酶核酶.Group II.Group II的内含子二级结构与的内含子二级结构与U snRNAU snRNA的类似的类似,因此推测后者由因此推测后者由Group IIGroup II
13、型进化而来型进化而来,U snRNA,U snRNA提提供了与前者类似的空间结构供了与前者类似的空间结构.（二）rRNA与tRNA化学修饰 1 1）将甲基基团加到核苷酸糖基的）将甲基基团加到核苷酸糖基的2 2 OHOH位，这是位，这是 主要的修饰类型。主要的修饰类型。2 2）使尿苷酸转变为假尿苷酸）使尿苷酸转变为假尿苷酸snoRNA参与rRNA分子修饰 真核生物真核生物snoRNA在在RNA修饰过程中扮演了关键角色。修饰过程中扮演了关键角色。snoRNA长度在长度在70100个核苷酸之间，主要位于核仁区。个核苷酸之间，主要位于核仁区。这里既是这里既是rRNA合成的场所，也是其加工的场所。合成的
14、场所，也是其加工的场所。1)C/D盒盒 snoRNA负责负责2-O-核糖核糖甲基化甲基化 snoRNA中有一中有一段称为段称为D盒（盒（D box）的顺序，它们总是位于互补区段下）的顺序，它们总是位于互补区段下游游5个碱基的位置处，与之配对的个碱基的位置处，与之配对的rRNA核苷酸将被修饰。核苷酸将被修饰。这些这些snoRNA组成了组成了C/D盒家族，盒家族，负责负责2-O-核糖甲基化。核糖甲基化。D盒是甲基化修饰酶识别的信号。盒是甲基化修饰酶识别的信号。2）H/ACA盒盒snoRNA负责假尿嘧啶修饰负责假尿嘧啶修饰 在发现在发现C/D盒盒snoRNA之后，又找到另一个之后，又找到另一个H/A
15、CA snoRNA家族，它家族，它们的作用是引导修饰酶将们的作用是引导修饰酶将rRNA尿苷酸转变为假尿苷酸。尿苷酸转变为假尿苷酸。这些这些snoRNA虽然没有虽然没有D盒，但仍有保守的基序可与盒，但仍有保守的基序可与rRNA靶位形成碱基配对，并含有修饰酶识别的信号。靶位形成碱基配对，并含有修饰酶识别的信号。（三）mRNA的编辑 RNA编辑（RNA editing）：化学修饰mRNA会改变转录物的编码性质，使蛋白质发生氨基酸顺序的变化，这类修饰为RNA编辑。1)1)碱基修饰碱基修饰,如将如将CAACAA转变为转变为UAA.UAA.2)2)泛编辑泛编辑(pan-editing),(pan-edit
16、ing),在在guide RNAguide RNA指导指导下在下在mRNAmRNA分子内插入若干分子内插入若干U.U.3)3)插入编辑插入编辑,在在mRNAmRNA合成时插入碱基合成时插入碱基,改变读改变读框框.4)4)多聚多聚A A编辑编辑,在在mt mRNAmt mRNA尾部加上一连串尾部加上一连串A,A,产生终止密码产生终止密码.1)1)碱基修饰碱基修饰,如将如将CAACAA转变为转变为UAA.UAA.2)2)泛编辑泛编辑(pan-editing),(pan-editing),在在guide RNAguide RNA指导下指导下在在mRNAmRNA分子内插入若干分子内插入若干U.U.3)
17、3)插入编辑插入编辑,在在mRNAmRNA合成时插入碱基合成时插入碱基,改变读框改变读框.（四）干扰（四）干扰RNARNA与转录后调控与转录后调控第四节细胞中第四节细胞中mRNAmRNA的定位与降解的定位与降解（一）mRNA的定位与机制（二）mRNA的降解（一）（一）mRNAmRNA的定位与机制的定位与机制1)mRNA1)mRNA的局限合成的局限合成2)mRNA2)mRNA的局限保护性降解的局限保护性降解3)mRNA3)mRNA的扩散的扩散:随细胞骨架的组装极性随细胞骨架的组装极性 分布分布4)4)区域锚定区域锚定 mRNAmRNA的局限合成（就近原则）的局限合成（就近原则）脯乳动物乙酰胆碱受
18、体在肌原纤维神经肌肉连接脯乳动物乙酰胆碱受体在肌原纤维神经肌肉连接处，其基因的转录就在靠近连接处的细胞核中经处，其基因的转录就在靠近连接处的细胞核中经行，行，mRNAmRNA就近反应。就近反应。mRNAmRNA的局限保护性降解的局限保护性降解 降解错误定位的mRNA，保证正确的场所保留正确的mRNA。mRNA mRNA的扩散的扩散:随细胞骨架的组装极性随细胞骨架的组装极性 分布被动的转移方分布被动的转移方法，随着细胞骨架的极性分布运动。法，随着细胞骨架的极性分布运动。区域锚定区域锚定 主动转移，依靠细胞骨架上的马达蛋白将主动转移，依靠细胞骨架上的马达蛋白将mRNAmRNA转移到指定的位置。转移
19、到指定的位置。依赖于依赖于mRNA的顺式原件和细胞中的反式因子的顺式原件和细胞中的反式因子（二）（二）mRNAmRNA的降解的降解1)mRNA的降解是基因表达调控的重要内容之一的降解是基因表达调控的重要内容之一,mRNA的降解涉及正常的降解涉及正常mRNA和异常和异常mRNA。2)真核细胞中有一定比例的异常真核细胞中有一定比例的异常mRNA，它们，它们 具有前移的终止密码，可产生残缺蛋。如人类具有前移的终止密码，可产生残缺蛋。如人类 细胞平均约细胞平均约20%的的mRNA编码残缺蛋白质编码残缺蛋白质.有的有的 mRNA具有无终止密码的具有无终止密码的3-非翻译区非翻译区,影响核影响核 糖体的利
20、用效率糖体的利用效率.。3)细胞必需将不再需要的细胞必需将不再需要的mRNA和异常的和异常的mRNA 及时清除，以保证细胞正常的功能。及时清除，以保证细胞正常的功能。4)真核细胞有多种真核细胞有多种mRNA降解机制，针对不同降解机制，针对不同 的的mRNA。降解类型 正常正常mRNA:mRNA:具有正常编码顺序具有正常编码顺序,但细胞内已经不再需要但细胞内已经不再需要的的mRNA.mRNA.不同不同mRNAmRNA的半衰期有很大差别的半衰期有很大差别,从从数分钟到几十分钟数分钟到几十分钟.非正常非正常mRNA:mRNA:1.1.无终止密码无终止密码mRNA;2.mRNA;2.密码子前移的密码子
21、前移的mRNA,mRNA,编编码残缺蛋白质码残缺蛋白质.非正常非正常mRNAmRNA主要来源于主要来源于:1)1)发生点突变的假基因发生点突变的假基因;2)mRNA;2)mRNA加工过程中加工过程中发生差错产生的发生差错产生的mRNA,mRNA,如缺少如缺少poly(A)poly(A)的的mRNA;3)mRNA;3)可变剪接产生的非正常可变剪接产生的非正常mRNA.mRNA.mRNAmRNA降解途径降解途径1)1)依赖于依赖于3 3-poly(A)-poly(A)脱腺苷酸和脱腺苷酸和5 5-脱帽的脱帽的5 533降解路线降解路线,真核生物正常真核生物正常mRNAmRNA和部分非真常和部分非真常
22、mRNAmRNA的降解采取这一路线的降解采取这一路线,是主要的是主要的mRNAmRNA降解路线降解路线.2)2)依赖于依赖于3 3-poly(A)-poly(A)脱腺苷酸和脱腺苷酸和3 355降解路线降解路线,采用采用exosomeexosome降解降解mRNA.mRNA.3)3)内切核酸酶降解路线内切核酸酶降解路线.4)4)独立于独立于3 3-poly(A)-poly(A)脱腺苷酸直接脱腺苷酸直接5 5-脱帽的脱帽的5 533降解路线降解路线,或称质量监控路线或称质量监控路线.Annu.Rev.Biochem.73:861-890,2004.思考题1.试阐述细胞中RNA中种类及其功能；2.真核生物中mRNA加工有哪些？试阐述其过程；3.mRNA5加帽和3加尾的机制及其生物学意义；4.什么是mRNA可变剪切，其生物学意义是什么？试举例证明可变剪切的生物学意义；5.mRNA编译的种类有哪些？6.mRNA降解有哪些途径？试简述其机制。
