內(nèi)含子對真核基因表達調(diào)控的影響

1、 內(nèi)含子對真核基因表達調(diào)控的影響摘要: 大多數(shù)真核基因都含有非編碼的間隔序列內(nèi)含子, 根據(jù)剪接機制的不同, 可將內(nèi)含子分為 3 類: 真核mRNA 內(nèi)含子、自我剪接內(nèi)含子和真核tRNA 內(nèi)含子。在多數(shù)情況下, 真核mRNA 內(nèi)含子的存在可以提高基因的表達水平, 因為其剪接過程會影響mRNA 新陳代謝的多個階段, 包括轉(zhuǎn)錄、RNA 編輯pre-mRNA 的加工、mRNA 的出核運輸翻譯和無義衰變等。真核mRNA 內(nèi)含子在真核生物基因表達調(diào)控中起著重要的作用, 是轉(zhuǎn)基因研究中提高外源基因表達的重要元件之一。 真核生物基因的一個基本特征是它們被一個或多個內(nèi)含子所間隔, 這些間隔DNA 在轉(zhuǎn)錄后被除去

2、以形成具有完整讀碼框的mRNA, 這一過程叫做內(nèi)含子的剪接。根據(jù)剪接機制的不同, 可將內(nèi)含子分為3 類: 真核mRNA 內(nèi)含子、自我剪接內(nèi)含子和真核tRNA 內(nèi)含子。真核mRNA 內(nèi)含子最初被認可的功能主要有2 種, 一是通過外顯子的復(fù)制和移動簡化新基因的進化歷程; 二是通過可變剪接由單基因表達多種蛋白, 豐富了蛋白的多樣性。隨著分子生物學(xué)的發(fā)展, 人們發(fā)現(xiàn)真核mRNA 內(nèi)含子對基因表達的調(diào)控不只發(fā)生在前體RNA 的剪接階段, 而是與轉(zhuǎn)錄、RNA 編輯、mRNA 的出核運輸、mRNA翻譯和無義衰變等過程形成一個網(wǎng)絡(luò), 共同調(diào)控基因表達14。雖然一些基因本身并不含有內(nèi)含子, 或是表達并不需要內(nèi)含

3、子的參與, 但在許多情況下,真核mRNA 內(nèi)含子的存在都可以大大提高轉(zhuǎn)基因生物的基因表達5, 6, 真核mRNA 內(nèi)含子已成為提高轉(zhuǎn)基因生物外源基因表達的重要元件之一。1 真核mRNA 內(nèi)含子的特征和結(jié)構(gòu) 隨著基因組測序計劃的進行, 人們發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的真核基因都含有內(nèi)含子, 并且主要是真核mRNA內(nèi)含子。真核mRNA 內(nèi)含子有兩種類型: U2-型內(nèi)含子和U12-型內(nèi)含子, U2-型內(nèi)含子存在較為普遍, 占總數(shù)的99%, 而U12-型內(nèi)含子含量較少( <0.4%) 。2 真核mRNA 內(nèi)含子對基因表達調(diào)控的影響 許多基因如-球蛋白、胸腺激素合成酶、嘌呤核苷磷酸化酶基因當(dāng)以cDNA 形式存在時

4、, 表達效率極低, 而當(dāng)有內(nèi)含子存在時, 表達水平會大大提高。在線蟲、昆蟲、哺乳動物、植物中都發(fā)現(xiàn)內(nèi)含子的存在對基因表達有著積極的作用, 內(nèi)含子已經(jīng)成為提高外源基因表達的重要元件。下面就真核mRNA 內(nèi)含子對基因表達調(diào)控的影響作一綜述。2.1 真核mRNA 內(nèi)含子對轉(zhuǎn)錄的促進作用 許多基因中的內(nèi)含子都可以刺激轉(zhuǎn)錄的效率,如轉(zhuǎn)基因鼠的轉(zhuǎn)錄效率會因內(nèi)含子的去除而降低100 倍7, 鄰氨基苯甲酸磷酸核糖基化轉(zhuǎn)移酶( PAT1)基因的兩個內(nèi)含子都可以提高報告基因的轉(zhuǎn)錄效率, 進而提高報告基因的表達 。 2.2 內(nèi)含子剪接與其它pre-mRNA 加工事件的相互作用 除了內(nèi)含子的剪接, pre-mRNA

5、的加工事件還包括5端的加帽, 3端的裂解和多聚腺苷酸化作用, RNA 編輯等。這些加工事件對基因表達調(diào)控至關(guān)重要, 雖然是被獨立發(fā)現(xiàn)的, 但在時間和空間上卻是相互偶聯(lián)的。2.3 真核mRNA 內(nèi)含子對下游mRNA 新陳代謝的促進作用 2.3.1 內(nèi)含子對mRNA 運輸?shù)拇龠M作用內(nèi)含子的剪接與mRNA 的輸出雖然發(fā)生在細胞的不同部位, 但這兩個過程卻是直接相關(guān)的。 2.3.2 內(nèi)含子對翻譯的促進作用Braddock 等人9發(fā)現(xiàn)當(dāng)將成熟的mRNA 直接注射入非洲爪蟾(Xenopus) 卵母細胞核中時, mRNA 在細胞質(zhì)中的翻譯會受到抑制, 這種抑制可以通過在3-UTR 處加入可剪接的內(nèi)含子而消除

6、, 說明了內(nèi)含子對翻譯的促進作用。 2.3.3 內(nèi)含子剪接與無義介導(dǎo)的mRNA 衰變( nonsense-mediated mRNAdecay, NMD) 無義介導(dǎo)的mRNA衰變又名mRNA 監(jiān)視, 是指選擇性的降解含有早熟終止密碼子( premature termination codons, PTCs) 的mRNA, 對轉(zhuǎn)錄后的mRNA 進行質(zhì)量控制8。NMD 廣泛存在于各種真核生物中, 可以消除由畸變mRNA產(chǎn)生的截短的有害的蛋白。NMD 的一個關(guān)鍵步驟是區(qū)分早熟的和正常的終止密碼子。在哺乳動物中, 如終止密碼子與下游外顯子接頭處間距大于5055nt, 則被認為是早熟的, 相應(yīng)的mRNA

7、 會被降解。最近研究發(fā)現(xiàn)EJC 包含與NMD 作用的重要因子。在剪接因子RNPf1 和蛋白因子Y14 的作用下,輸出因子hUPF3 結(jié)合到EJC 上, 這些因子伴隨mRNA 進入細胞質(zhì), 在細胞質(zhì)中被翻譯終止復(fù)合體所檢測。在第一輪翻譯后, 這些蛋白因子雖然從mRNA 上剝?nèi)? 利用特異的蛋白將mRNA 降解, 但是NMD 復(fù)合體對入膜的正確mRNA 已經(jīng)有了記憶功能, 這就使核內(nèi)剪接與膜中NMD 之間建立起了直接聯(lián)系。3 展望 隨著分子生物學(xué)的發(fā)展, 越來越多的證據(jù)顯示, 真核mRNA 內(nèi)含子在真核基因表達調(diào)控中起著重要的作用。在單子葉植物中, 玉米adh1 和sh1 內(nèi)含子使轉(zhuǎn)基因玉米報告基

8、因的表達水平提高10100 倍。內(nèi)含子的剪接通過刺激轉(zhuǎn)錄、提高mRNA 穩(wěn)定性、促進mRNA 的輸出、增強mRNA 的翻譯等提高基因的表達。但是這些過程是怎么相互聯(lián)系的, 到底哪一個步驟占主導(dǎo)地位、起著最為關(guān)鍵的作用還不清楚。外顯子接頭復(fù)合體EJC 中的蛋白因子在mRNA 新陳代謝的各個階段均行駛其功能, 無疑是內(nèi)含子發(fā)揮其積極作用的一個關(guān)鍵因子, 對EJC的研究有利與解開內(nèi)含子增強效應(yīng)的謎團。 隨著基因組測序計劃的進行, 人們將會更加深入的了解參與剪接的順式作用元件和反式作用因子, 對內(nèi)含子的認識將會不斷突破, 這對于想要優(yōu)化轉(zhuǎn)基因生物表達的研究者來說, 無疑是一個巨大的財富。參考文獻1 M

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