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1、第四章第四章 RNARNA转录转录( (下）下）-转录产物的加工修饰及转运降解转录产物的加工修饰及转运降解1 引言引言-几个重要概念几个重要概念2 tRNA和和rRNA的加工的加工 3 真核生物真核生物mRNA的加工、修饰的加工、修饰4 RNA的转运及降解的转运及降解1 引言引言-几个重要概念几个重要概念1.1 断裂基因、内含子和外显子断裂基因、内含子和外显子1.2 hnRNA、 hnRNP 、sRNA断裂基因断裂基因(interrupted gene): 对一个可表达为蛋白质的基因，如果其初对一个可表达为蛋白质的基因，如果其初始转录产物始转录产物(前体前体mRNA)与有生物学功能的成与有生物
2、学功能的成熟熟mRNA相比，如其间含有不能编码为蛋白质相比，如其间含有不能编码为蛋白质的间隔序列，则这个基因称为断裂基因的间隔序列，则这个基因称为断裂基因。 因此，真核基因通常也被称为断裂基因。因此，真核基因通常也被称为断裂基因。因此，真核基因通常也被称为断裂基因。因此，真核基因通常也被称为断裂基因。1.1 断裂基因、内含子和外显子断裂基因、内含子和外显子断裂基因断裂基因含有含有： 断裂基因中，转录但通过将两断裂基因中，转录但通过将两端的序列（外显子）剪接在一起而被去除的转端的序列（外显子）剪接在一起而被去除的转录产物所对应的录产物所对应的DNA片段。片段。 断裂基因中，在成熟断裂基因中，在成
3、熟mRNA产物产物中存在的任何片段。中存在的任何片段。内含子内含子( (intronintron) )：外显子外显子( (exonexon):):Introns are removed to make mRNA from an interrupted geneNote:The order of exons does not change between DNA and RNAA-CC-BExon 1Exon 3 Exon 2nhnRNAhnRNA (heterogeneous nuclear RNA) (heterogeneous nuclear RNA)：不均一核：不均一核RNARNA 是成
4、熟的是成熟的mRNAmRNA的前体。的前体。nhnRNP(heterogeneoushnRNP(heterogeneous nuclear nuclear ribonucleoparticlesribonucleoparticles) ) 核糖核蛋白颗粒核糖核蛋白颗粒 hnRNAhnRNA的物理结构是核糖核蛋白颗粒的物理结构是核糖核蛋白颗粒( (hnRNPhnRNP) )，颗粒，颗粒中蛋白质包围着中蛋白质包围着hnRNAhnRNA，这种，这种hnRNAhnRNA和蛋白质组成的复合和蛋白质组成的复合物称为物称为hnRNPhnRNP。 1.2 hnRNA、 hnRNP 、sRNA sRNA (10
5、0300 base, 0106/cell): 1 1）snRNAsnRNA: : 细胞核中的小分子细胞核中的小分子细胞核中的小分子细胞核中的小分子RNARNA称细胞核小称细胞核小称细胞核小称细胞核小RNA RNA (small nuclear RNA)(small nuclear RNA) 2 2）scRNAscRNA: : 细胞质中小分子细胞质中小分子细胞质中小分子细胞质中小分子RNARNA称细胞质小称细胞质小称细胞质小称细胞质小RNA RNA (small (small cytoplasmiccytoplasmic RNA) RNA)。 3 3）snoRNAsnoRNA: : 在核仁中存在
6、的一类小的在核仁中存在的一类小的在核仁中存在的一类小的在核仁中存在的一类小的RNARNA，称为核，称为核，称为核，称为核仁小仁小仁小仁小RNA (small RNA (small nucleolarnucleolar RNA) RNA)。2 tRNA和和rRNA的加工的加工2.1 前体前体tRNA的加工的加工2.2 前体前体rRNA的加工的加工2.3 RNA的编辑及化学修饰的编辑及化学修饰 rRNA和和tRNA有以下有以下三点特性：三点特性：1） 所有所有RNA初级转录产物的初级转录产物的5末端均是末端均是5三三磷酸，而成熟磷酸，而成熟rRNA和和tRNA分子的分子的5末端末端是是5单磷酸；单
7、磷酸；2）rRNA和和tRNA分子比初级转录产物小很多；分子比初级转录产物小很多；3）所有）所有tRNA含有稀有碱基。含有稀有碱基。 tRNA和和rRNA被加工的实验证据被加工的实验证据2.1 前体前体tRNA的加工的加工 tRNAtRNA的加工内容：的加工内容： 在核酸内切酶在核酸内切酶RNasePRNaseP作用下，从作用下，从55末端切除末端切除多余的核苷酸。多余的核苷酸。 在核酸外切酶在核酸外切酶RNaseDRNaseD作用下，从作用下，从33末端切除末端切除多余的核苷酸。多余的核苷酸。 核苷酸转移酶催化，核苷酸转移酶催化，33末端加末端加CCA-OHCCA-OH，为，为tRNAtRN
8、A加工特有反应加工特有反应。 核酸内切酶催化进行剪切反应，核酸内切酶催化进行剪切反应，剪掉内含子剪掉内含子，由连接酶由连接酶连接外显子连接外显子部分。部分。 化学修饰化学修饰，如甲基化、脱氨基、还原反应。，如甲基化、脱氨基、还原反应。The intron in yeast tRNAPhe base pairs with the anticodon to change the structure of the anticodon arm. Splicing of yeast tRNA in vitro can be followed by assaying the RNA precursor a
9、nd products by gel electrophoresis. tRNAtRNA 的剪接分为剪切和连接两个步骤的剪接分为剪切和连接两个步骤2.2 前体前体rRNA的加工的加工 大部分大部分rRNA是作为单一初始转是作为单一初始转录物的一部分进行合成，经过加工录物的一部分进行合成，经过加工后才产生成熟产物。后才产生成熟产物。 真核生物中前体包括了真核生物中前体包括了5.8S rRNA 、18S rRNA、和、和28S rRNA序列。在高等序列。在高等真核生物中，前体以沉降速率来命名，命真核生物中，前体以沉降速率来命名，命名为名为45SRNA，在低等真核生物中，它比，在低等真核生物中，它比
10、较小（如酵母中为较小（如酵母中为35S）rRNArRNA 从普通的前体中被剪切出来从普通的前体中被剪切出来 原核生物中前体包括了原核生物中前体包括了16S rRNA、23S rRNA和和5S rRNA和和tRNA序列。前体为序列。前体为30S RNA。2.3 RNA的编辑及化学修饰的编辑及化学修饰RNA的编辑的编辑(RNA editing): 某些某些RNA，特别是，特别是mRNA的一种加工方式，的一种加工方式，发生编辑后，导致发生编辑后，导致DNA所编码的遗传信息的所编码的遗传信息的改变（如单碱基突变）。改变（如单碱基突变）。RNA的修饰（的修饰（RNA modification）：）： 有
11、些有些RNA，特别是前体，特别是前体rRNA和和tRNA可可能有特异性的化学修饰。能有特异性的化学修饰。 3 真核生物真核生物mRNA的加工、修饰的加工、修饰3.1 mRNA 5端的加帽端的加帽3.2 mRNA 3端的多聚腺苷酸化端的多聚腺苷酸化3.3 前体前体mRNA内含子的删除内含子的删除 3.1 mRNA 5端的加帽端的加帽GAAGuanine7methyltransferase2OmethyltransferaseCap 01015%100%The 3 ends of mRNAs are generated by cleavage and polyadenylation；The seq
12、uence AAUAAA is necessary for cleavage to generate a 3 end for polyadenylation.3.2 mRNA 3端的多聚腺苷酸化端的多聚腺苷酸化3.3 前体前体mRNA内含子的删除内含子的删除3.3.1 生物体内内含子的种类生物体内内含子的种类3.3.2 内含子的删除机理内含子的删除机理3.3.3 内含子的不同剪接方式内含子的不同剪接方式3.3.1 生物体内内含子的种类生物体内内含子的种类内含子类型内含子类型细胞内定位细胞内定位GU-AG,GU-AG,GC-AG,AU-ACGC-AG,AU-AC细胞核细胞核I I 类类细胞器，细
13、菌，低等真核细胞器，细菌，低等真核生物细胞核中生物细胞核中II II 类类细胞器，细菌细胞器，细菌双内含子双内含子细胞器细胞器tRNAtRNA前体中的内含子前体中的内含子 细胞核细胞核3.3.2 内含子的删除机理内含子的删除机理（1）GU-AG型内含子型内含子（2）GC-AG型和型和AU-AC型内含子型内含子（3）I 类内含子和类内含子和 II类内含子类内含子RNARNA剪接（剪接（剪接（剪接（splicingsplicing）：）：）：）：从从从从DNADNA模板链转录出的最初转录模板链转录出的最初转录模板链转录出的最初转录模板链转录出的最初转录产物中除去内含子，并将外显子连接起来形成一个连
14、续的产物中除去内含子，并将外显子连接起来形成一个连续的产物中除去内含子，并将外显子连接起来形成一个连续的产物中除去内含子，并将外显子连接起来形成一个连续的RNARNA分子的过程。分子的过程。分子的过程。分子的过程。剪接体或拼接体（剪接体或拼接体（剪接体或拼接体（剪接体或拼接体（spliceosomespliceosome）：snRNAsnRNA与特异的蛋白与特异的蛋白与特异的蛋白与特异的蛋白质形成复合物质形成复合物质形成复合物质形成复合物snRNPsnRNP。mRNAmRNA前体与前体与前体与前体与snRNPsnRNP形成的复形成的复形成的复形成的复合物称之为剪接体。合物称之为剪接体。合物称之
15、为剪接体。合物称之为剪接体。 mRNAmRNA前体的剪接通过剪接体进行的。前体的剪接通过剪接体进行的。前体的剪接通过剪接体进行的。前体的剪接通过剪接体进行的。mRNAmRNA前体的剪接机制：前体的剪接机制：前体的剪接机制：前体的剪接机制： 剪接过程由二步连续的转酯反应组成。该过程中产生一剪接过程由二步连续的转酯反应组成。该过程中产生一剪接过程由二步连续的转酯反应组成。该过程中产生一剪接过程由二步连续的转酯反应组成。该过程中产生一个套索状中间体，结果使两个原先被分隔的外显子连接。个套索状中间体，结果使两个原先被分隔的外显子连接。个套索状中间体，结果使两个原先被分隔的外显子连接。个套索状中间体，结
16、果使两个原先被分隔的外显子连接。 剪接实际上是磷酸酯的转移反应。剪接实际上是磷酸酯的转移反应。剪接实际上是磷酸酯的转移反应。剪接实际上是磷酸酯的转移反应。 注意：注意：“RNA剪接剪接”与与“RNA编辑编辑”的区别的区别两个外显子通过剪接连接在一起两个外显子通过剪接连接在一起在内含子中插入基因片段同样可以剪接被分开的内含子在内含子中插入基因片段同样可以剪接被分开的内含子n n5 splice site5 splice site含：共有序列含：共有序列含：共有序列含：共有序列GUGUn n3 splice site3 splice site含含含含：保守序列保守序列保守序列保守序列AGAGn n
17、GUAGGUAG（最初称（最初称（最初称（最初称GTAGGTAG） 规则：描述了在前体规则：描述了在前体规则：描述了在前体规则：描述了在前体mRNAmRNA中内含子的最初及最末位置上必须出现的恒定中内含子的最初及最末位置上必须出现的恒定中内含子的最初及最末位置上必须出现的恒定中内含子的最初及最末位置上必须出现的恒定的双碱基的双碱基的双碱基的双碱基内含子内含子- -外显子边界区上内含子含有保守序列外显子边界区上内含子含有保守序列 （1）GU-AG型内含子型内含子内含子两端的成对识别是保证正确剪接的前提内含子两端的成对识别是保证正确剪接的前提错误的配对识别剪接会导致外显子被去除错误的配对识别剪接会
18、导致外显子被去除 核内核内核内核内RNARNA完成剪接所需的只是完成剪接所需的只是完成剪接所需的只是完成剪接所需的只是55位点、位点、位点、位点、33位点和分位点和分位点和分位点和分支位点（支位点（支位点（支位点（branch site) UACUAAC branch site) UACUAAC 的三个短的一致的三个短的一致的三个短的一致的三个短的一致性序列。性序列。性序列。性序列。 分支位点位于内含子分支位点位于内含子分支位点位于内含子分支位点位于内含子33剪接位点剪接位点剪接位点剪接位点18401840个核苷酸处。个核苷酸处。个核苷酸处。个核苷酸处。 剪接导致形成套索结构剪接导致形成套索结
19、构剪接实际上是磷酸酯的转移反应剪接实际上是磷酸酯的转移反应n n参与剪接过程的参与剪接过程的参与剪接过程的参与剪接过程的5 5个个个个snRNPsnRNP是是是是U1U1，U2U2，U4U4，U5U5和和和和U6U6，这是据所含有的这是据所含有的这是据所含有的这是据所含有的snRNAsnRNA而命名。而命名。而命名。而命名。n n每个每个每个每个snRNPsnRNP含有一个含有一个含有一个含有一个snRNAsnRNA 和几种（少于和几种（少于和几种（少于和几种（少于2020种）蛋白种）蛋白种）蛋白种）蛋白质，质，质，质， snRNPsnRNP共含有约共含有约共含有约共含有约4040种蛋白质分子
20、。每个种蛋白质分子。每个种蛋白质分子。每个种蛋白质分子。每个snRNPsnRNP都都都都含有一个由含有一个由含有一个由含有一个由8 8种蛋白质组成的结构中心。种蛋白质组成的结构中心。种蛋白质组成的结构中心。种蛋白质组成的结构中心。n nsnRNPsnRNP和其他一些辅助蛋白质共同构成了剪接体。和其他一些辅助蛋白质共同构成了剪接体。和其他一些辅助蛋白质共同构成了剪接体。和其他一些辅助蛋白质共同构成了剪接体。snRNA是是GUAG型内含子剪接所必需的型内含子剪接所必需的1）2）3）4）5）6）剪接过程剪接过程FLASH（2）GC-AG型和型和AU-AC型内含子型内含子 人类基因组剪接位点：人类基因
21、组剪接位点： GUAG98% GCAG 1% AUAC0.1% 注意注意：这几种内含子在很多基因组内同：这几种内含子在很多基因组内同时存在，有时甚至出现在同一条基因里。时存在，有时甚至出现在同一条基因里。（3）I 类内含子和类内含子和 II类内含子类内含子 I 类内含子和类内含子和II类内含子具有类内含子具有RNA自我切割的自我切割的能力。能力。自我剪接自我剪接（self-splicing, autosplicing)： 像催化作用一样，内含子能从像催化作用一样，内含子能从RNA里切下里切下自已，而这只依赖于内含子中的自已，而这只依赖于内含子中的RNA序列。序列。原始转录产物原始转录产物完成剪
22、接的完成剪接的RNARNA剪接中间产物剪接中间产物上游外显子的自由上游外显子的自由3OH作为亲核基作为亲核基团攻击内含子团攻击内含子3位核苷酸上的磷酸二酯位核苷酸上的磷酸二酯键，使内含子被完全切开键，使内含子被完全切开自由鸟苷酸的自由鸟苷酸的3OH作亲核基团攻作亲核基团攻击内含子击内含子5端的磷酸二酯键，从上端的磷酸二酯键，从上游切开游切开RNA链链I类类内内含含子子的的自自我我剪剪接接过过程程GTP、GDP、GMP、G原始转录产物原始转录产物内含子本身的某个腺苷酸的内含子本身的某个腺苷酸的2OH作为亲核基因攻击内作为亲核基因攻击内含子含子5端的磷酸二酯键端的磷酸二酯键2,5磷酸二酯键磷酸二酯
23、键RNA剪接产物剪接产物与与3末端相连末端相连上游外显子的上游外显子的3OH作为亲核作为亲核基团攻击内含子基团攻击内含子3位核苷酸上位核苷酸上的磷酸二酯键的磷酸二酯键,使套索结构完全使套索结构完全解离解离套索结构中的腺苷酸带套索结构中的腺苷酸带有有3个磷酸二酯键个磷酸二酯键完成剪接的完成剪接的RNA内含子内含子II类类内内含含子子的的自自我我剪剪接接过过程程n nNote: I类内含子比类内含子比II类内含子更普遍，两类之间几乎类内含子更普遍，两类之间几乎没有联系。但是这两类没有联系。但是这两类RNA在体外都能进行自在体外都能进行自我剪接，而不需要其它蛋白质提供酶活性。但在我剪接，而不需要其它
24、蛋白质提供酶活性。但在体内还是需要蛋白质来帮助折叠。体内还是需要蛋白质来帮助折叠。三类剪接反应总三类剪接反应总结：结：按两步酯交换作按两步酯交换作用进行：用进行：首先游离羟基进攻首先游离羟基进攻外显子外显子1和内含子结和内含子结合处，接着外显子合处，接着外显子1末端产生的羟基进末端产生的羟基进攻外显子攻外显子2与内含子与内含子结合处。结合处。3.3.3 内含子的不同剪接方式内含子的不同剪接方式（1）可变剪接）可变剪接（2）顺式剪接和反式剪接）顺式剪接和反式剪接（1）可变剪接）可变剪接（alternative splicing ） 在在在在mRNAmRNA前体的剪接过程中，参加剪接的外显子可前体
25、的剪接过程中，参加剪接的外显子可前体的剪接过程中，参加剪接的外显子可前体的剪接过程中，参加剪接的外显子可以不按其线性次序剪接，内含子也可以不被切除而保留，以不按其线性次序剪接，内含子也可以不被切除而保留，以不按其线性次序剪接，内含子也可以不被切除而保留，以不按其线性次序剪接，内含子也可以不被切除而保留，即一个外显子或内含子是否出现在成熟即一个外显子或内含子是否出现在成熟即一个外显子或内含子是否出现在成熟即一个外显子或内含子是否出现在成熟mRNAmRNA中是可以中是可以中是可以中是可以选择的，这种剪接方式称为选择的，这种剪接方式称为选择的，这种剪接方式称为选择的，这种剪接方式称为选择性剪接或可变
26、剪接选择性剪接或可变剪接选择性剪接或可变剪接选择性剪接或可变剪接。选择性剪接的方式主要有四种：选择性剪接的方式主要有四种：选择性剪接的方式主要有四种：选择性剪接的方式主要有四种：1 1）拼接产物缺失一个或几个外显子）拼接产物缺失一个或几个外显子）拼接产物缺失一个或几个外显子）拼接产物缺失一个或几个外显子2 2）拼接产物保留一个或几个内含子作为外显子的编码序列）拼接产物保留一个或几个内含子作为外显子的编码序列）拼接产物保留一个或几个内含子作为外显子的编码序列）拼接产物保留一个或几个内含子作为外显子的编码序列3 3）外显子中存在）外显子中存在）外显子中存在）外显子中存在55拼接点或拼接点或拼接点或
27、拼接点或33拼接点，从而部分缺失该外拼接点，从而部分缺失该外拼接点，从而部分缺失该外拼接点，从而部分缺失该外显子显子显子显子4 4）内含子存在）内含子存在）内含子存在）内含子存在55拼接点或拼接点或拼接点或拼接点或33拼接点，从而使部分内含子变拼接点，从而使部分内含子变拼接点，从而使部分内含子变拼接点，从而使部分内含子变为编码序列为编码序列为编码序列为编码序列腺病毒的腺病毒的E1A基因可将多个基因可将多个5位点剪位点剪接成共同的一个接成共同的一个3位点位点黑腹果蝇的黑腹果蝇的tra将一个将一个5位点与多个位点与多个3位点剪接位点剪接（2）顺式剪接和反式剪接）顺式剪接和反式剪接cissplici
28、ng & transsplicing顺式剪接：剪接发生在同一条顺式剪接：剪接发生在同一条RNA分子上；分子上；反式剪接：剪接发生在不同的反式剪接：剪接发生在不同的RNA分子上。分子上。Transsplicing occurs only in special circumstances4 RNA的转运及降解的转运及降解4.1 真核生物的真核生物的RNA转运转运4.2 mRNA的降解的降解4.1 真核生物的真核生物的RNA转运转运 RNA以核糖核蛋白颗粒形式跨膜转运；以核糖核蛋白颗粒形式跨膜转运； 所有在细胞质中起作用的真核生物细胞所有在细胞质中起作用的真核生物细胞RNA都都要从细胞核内转运出来；
29、要从细胞核内转运出来； mRNA能被特异性地转运到翻译的位置，在细能被特异性地转运到翻译的位置，在细胞之间能够被长距离转运。胞之间能够被长距离转运。剪接与剪接与mRNA出核相关联出核相关联n n在完成合成和加工后，在完成合成和加工后，mRNAmRNA以核蛋白复合以核蛋白复合体的形式从细胞核内被转运到细胞质中。体的形式从细胞核内被转运到细胞质中。n n内含子可以阻止内含子可以阻止mRNAmRNA的出核，因为它们与的出核，因为它们与剪接装置联系在一起。剪接装置联系在一起。mRNA mRNA 是是mRNAmRNA出核必须的出核必须的外显子结合体外显子结合体EJC (exon junction com
30、plex)通过识别通过识别剪接复合物结合到剪接复合物结合到RNA上。上。4.2 mRNA的降解的降解4.2.1 细菌细菌mRNA的降解的降解4.2.2 真核生物真核生物mRNA的降解的降解4.2.1 细菌细菌mRNA的降解的降解 细菌细菌细菌细菌mRNAmRNA的降解总的的降解总的的降解总的的降解总的方向为方向为方向为方向为55 3 3； 降解由两部分降解由两部分降解由两部分降解由两部分组组成：核成：核成：核成：核酸内切酸内切酸内切酸内切酶酶的切割，以及核的切割，以及核的切割，以及核的切割，以及核酸外切酸外切酸外切酸外切酶对这酶对这些片段从些片段从些片段从些片段从3 3 5 5方向的降解。方向
31、的降解。方向的降解。方向的降解。mRNA is degraded by exo and endo nucleases4.2.2 真核生物真核生物mRNA的降解的降解 mRNAmRNA稳定性因素稳定性因素稳定性因素稳定性因素: : mRNA mRNA两端的修饰防止它被外切酶降解；两端的修饰防止它被外切酶降解；两端的修饰防止它被外切酶降解；两端的修饰防止它被外切酶降解； mRNAmRNA中的特异序列可影响它的稳定中的特异序列可影响它的稳定中的特异序列可影响它的稳定中的特异序列可影响它的稳定/ /非稳定性；非稳定性；非稳定性；非稳定性； poly(Apoly(A) )的缺失可能引发非稳定性。的缺失可能引发非稳定性。的缺失可能引发非稳定性。的缺失可能引发非稳定性。3端的脱腺苷化引发端的脱腺苷化引发了了5端帽子结构的脱端帽子结构的脱离，这是由于在离，这是由于在poly(A)上的上的PABP阻阻止了脱帽子酶结合到止了脱帽子酶结合到5端。端。当当poly(A)的长度缩的长度缩短至短至1015个碱基之个碱基之后，后，PABP也脱落。也脱落。而脱帽反应发生自而脱帽反应发生自5端开始的端开始的12个碱基个碱基的切割。的切割。本章内容结束！本章内容结束！本章思考题见复习大纲。
