RNA的修飾與加工課件

1、第六章 RNA的修飾與加工第一節(jié)細胞中RNA組分第二節(jié)mRNA的修飾與加工第三節(jié)非編碼RNA的修飾與加工第四節(jié)細胞中mRNA的定位與降解第一節(jié)細胞中RNA組分 非編碼RNA（non-coding RNA） 核糖體RNA（rRNA):豐度最高（80%），參與組成核糖體 轉(zhuǎn)移RNA（tRNA):攜帶氨基酸，識別mRNA中密碼子，參與蛋白質(zhì)的翻譯。 siRNA(small interference RNA):小干擾RNA，與靶RNA配對導(dǎo)致其降解。miRNA(microRNA):微小RNA，功能同siRNA.RNA干擾：由siRNA和miRNA等雙鏈RNA在轉(zhuǎn)錄后水平抑制靶基因表達的現(xiàn)象。 反義RN

2、A 基因DNA序列兩條鏈均可轉(zhuǎn)錄，生成反義RNA，屬于非編碼RNA，參與基因的表達調(diào)控。轉(zhuǎn)錄 大腸桿菌的184nt-RNA基因沉默 Xist RNA 復(fù)制 端粒酶RNARNA加工 RNase P RNARNA修飾 CDsnoRNARNA穩(wěn)定性 RyhB sRNAmRNA翻譯 第二節(jié) mRNA修飾與加工前體RNA（pre-RNA）末端修飾（end-modification）剪切（splicing）剪切事件化學(xué)修飾編輯真核生物RNA的加工與修飾1.末端修飾（end-modification） 加帽與加尾：真核生物和古細菌的 mRNA合成時，需在5-端加帽及3-端加上一段Poly(A)尾巴。5-加帽

3、：鳥苷酸3磷酸與RNA端部核苷酸3磷酸作用，產(chǎn)生5-5對接的磷酸二酯鍵；鳥苷?；D(zhuǎn)移酶將一個甲基加到鳥嘌呤7位N原子上生成7-甲基鳥嘌呤，鳥嘌呤甲基轉(zhuǎn)移酶加帽功能1）阻止mRNA的降解 細胞內(nèi)存在許多RNA酶（RNase），它們可攻擊游離的RNA分子。RNA酶的降解從5端起始， 當(dāng)在mRNA的5端加上 m7GpppG帽子后，帶有3個連接磷酸的5帽可阻止RNase切割。2）提高翻譯效率 真核生物mRNA必須通過5帽結(jié)合蛋白才能接觸核糖體, 起始翻譯。缺少加帽的mRNA由于不能被5帽結(jié)合蛋白識別，其翻譯效率比加帽 mRNA 低二十倍。加帽功能3）作為進出細胞核的識別標(biāo)記 凡由Pol II轉(zhuǎn)錄的RN

4、A均 在5端加帽，包括snRNA，這是RNA分子進出細胞核 的識別標(biāo)記。大多數(shù)snRNA轉(zhuǎn)錄后在細胞核中接收 5端單甲基m7G加帽，然后轉(zhuǎn)移到細胞質(zhì)與snRNP蛋 白結(jié)合。在細胞質(zhì)中snRNA 5帽需再修飾成為三甲基 帶帽結(jié)構(gòu)m2，2， 7G，隨后重新返回細胞核參與mRNA 的剪接加工。U6 snRNA由PolIII轉(zhuǎn)錄，在其5端保留 的三磷酸基團無帽子結(jié)構(gòu)，因而不能輸出細胞核。某 些突變型的被輸送到細胞質(zhì)中的snRNA由于不能合成 三甲基帶帽結(jié)構(gòu)，不能返回細胞核。 4）提高mRNA的剪接效率 5帽結(jié)合蛋白涉及第一個內(nèi) 含子剪接復(fù)合物的形成，直接影響mRNA的剪接效 率。mRNA 3端多聚腺苷

5、酸化切割多聚腺苷酸特異因子（CPSF）與AAUAA序列結(jié)合切割刺激因子（CstF）附著在富GU區(qū)中間有polyA聚合酶，核酸內(nèi)切酶（CF1/CF2),polyA結(jié)合蛋白加尾作用提高mRNA的穩(wěn)定性 控制與提高mRNA翻譯效率 有助于mRNA前體最后一個內(nèi)含子的剪切提高翻譯效率2.剪切（splicing）內(nèi)含子與外顯子： 內(nèi)含子是阻斷基因線性表達的序列。DNA上的內(nèi)含子會被轉(zhuǎn)錄到前體RNA中，但 RNA上的內(nèi)含子會在RNA離開細胞核進行翻以前前被剪除。在成熟mRNA被保留下來的基因部分被稱為外顯子。內(nèi)含子的種類與分布內(nèi)含子類型 分 布- GUAG內(nèi)含子 真核生物核前體mRNA ATAC內(nèi)含子 真

6、核生物核前體mRNA I 型（Group I） 真核生物核前體mRNA 細胞器RNA II型（Group II） 細胞器RNA 某些原核生物RNA III型（Group III） 細胞器RNA 孿生內(nèi)含子（Twintrons） 細胞器RNA 前體tRNA內(nèi)含子 真核生物核前體tRNA 古細菌內(nèi)含子 不同RNA-前體mRNA剪接中的兩次轉(zhuǎn)脂反應(yīng) 異常的內(nèi)含子剪切1.外顯子跳躍（exon skipping） 2.隱秘位點（cryptic splice site）外顯子剪接增強子內(nèi)含子剪接沉默子SR蛋白兩種剪接方式果蠅性別決定基因系列可變剪接 3個基因成員：sxl tra dsx果蠅性別決定基因系列

7、可變剪接果蠅性別決定基因系列可變剪接mRNA的可變剪切人類基因組基因僅為線蟲的1倍果蠅基因數(shù)比線蟲少6000個問題：人類與果蠅如何利用有限的基因構(gòu)建復(fù)雜的個體？答案：mRNA可變剪切豐富了蛋白質(zhì)組的多樣性。 問題：如何分析mRNA可變剪接？ 收集EST（expressed sequence tags），分析mRNA編碼序列 將這些序列與人類mRNA庫進行比較轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物中至少有40%-60%發(fā)生可變剪接 果蠅DSCAM（唐氏綜合癥細胞粘附分子）基因 神經(jīng)軸突導(dǎo)向受體（axon guidence receptor） 10個免疫球蛋白（Ig）重復(fù)單位組成，其中第4,6,9個單位由可變剪接產(chǎn)生。 外顯子

8、4,6,9,17由許多序列相似的亞單位組成，分別有12,48,33和2種剪切方式，每個mRNA中，外顯子4,6,9,17只有一個亞單位入選。 能產(chǎn)生幾種不同的蛋白質(zhì)？ 12*48*33*2=38016 果蠅DSCAM基因產(chǎn)物的可變剪切生物mRNA可變剪接的比例mRNA可變剪接生物學(xué)意義： 可變剪接是在RNA水平調(diào)控基因表達的機制之一 多樣性與復(fù)雜性 轉(zhuǎn)錄與mRNA加工的偶聯(lián)第三節(jié)非編碼RNA的修飾與加工（一）rRNA與tRNA前體的加工（二）rRNA與tRNA化學(xué)修飾（三）mRNA的編輯（四）干擾RNA與轉(zhuǎn)錄后調(diào)控（一）rRNA與tRNA前體的剪切加工細菌rRNA和tRNA前體剪切加工大腸桿菌

9、rRNA和tRNA的加工RNase PRNase DRNase E/F 大腸桿菌tRNA剪切加工 真核生物rRNA前體剪切 4種rRNA： 5sRNA（由Pol III轉(zhuǎn)錄，不經(jīng)過加工） 5.8s、18s、28srRNA（由Pol I轉(zhuǎn)錄，內(nèi)含子剪接加工） rRNA加工過程snoRNA（small nucleolar RNA）其與蛋白結(jié)合為snoRNP。功能：參與rRNA剪切，且參與線粒體RNA引物的加工。組群I內(nèi)含子(Group I)-核酶這是最早在單細胞原生生物的rRNA剪切加工中發(fā)現(xiàn)的內(nèi)含子切除現(xiàn)象, 不依賴蛋白質(zhì)僅由rRNA分子自身催化的剪接反應(yīng), 又稱為核酶.組群II內(nèi)含子(Grou

10、p II)組群II內(nèi)含子(Group II)主要出現(xiàn)在線粒體和葉綠體mRNA前體剪接中. Group II內(nèi)含子剪接也不依賴蛋白質(zhì), 主要由前體mRNA的構(gòu)型提供剪接活性,也屬于一類核酶. Group II的內(nèi)含子二級結(jié)構(gòu)與U snRNA的類似,因此推測后者由Group II型進化而來, U snRNA提供了與前者類似的空間結(jié)構(gòu).（二）rRNA與tRNA化學(xué)修飾1.rRNA的化學(xué)修飾 1）將甲基基團加到核苷酸糖基的2OH位，這是 主要的修飾類型。 2）使尿苷酸轉(zhuǎn)變?yōu)榧倌蜍账醩noRNA參與rRNA分子修飾真核生物snoRNA在RNA修飾過程中扮演了關(guān)鍵角色。 snoRNA長度在70100個核苷

11、酸之間，主要位于核仁區(qū)。 這里既是rRNA合成的場所，也是其加工的場所。1) C/D盒 snoRNA負責(zé)2-O-核糖甲基化 snoRNA中有一段稱為D盒（D box）的順序，它們總是位于互補區(qū)段下游5個堿基的位置處，與之配對的rRNA核苷酸將被修飾。這些snoRNA組成了C/D盒家族， 負責(zé)2-O-核糖甲基化。D盒是甲基化修飾酶識別的信號。2）H/ACA盒snoRNA負責(zé)假尿嘧啶修飾 在發(fā)現(xiàn)C/D盒snoRNA之后，又找到另一個H/ACA snoRNA家族，它們的作用是引導(dǎo)修飾酶將rRNA尿苷酸轉(zhuǎn)變?yōu)榧倌蜍账?。這些snoRNA雖然沒有D盒，但仍有保守的基序可與rRNA靶位形成堿基配對，并含有修

12、飾酶識別的信號。大多數(shù)snoRNA由內(nèi)含子編碼 （三）mRNA的編輯RNA編輯（RNA editing）： 化學(xué)修飾mRNA會改變轉(zhuǎn)錄物的編碼性質(zhì)，使蛋白質(zhì)發(fā)生氨基酸順序的變化，這類修飾為RNA編輯。1) 堿基修飾,如將CAA轉(zhuǎn)變?yōu)閁AA.2) 泛編輯(pan-editing), 在guide RNA指導(dǎo)下在mRNA分子內(nèi)插入若干U.3) 插入編輯, 在mRNA合成時插入堿基,改變讀框.4) 多聚A編輯,在mt mRNA尾部加上一連串A, 產(chǎn)生終止密碼.1)堿基修飾,如將CAA轉(zhuǎn)變?yōu)閁AA. 2) 泛編輯(pan-editing), 在guide RNA指導(dǎo)下在mRNA分子內(nèi)插入若干U.3)插

13、入編輯, 在mRNA合成時插入堿基,改變讀框.（四）干擾RNA與轉(zhuǎn)錄后調(diào)控第四節(jié)細胞中mRNA的定位與降解（一）mRNA的定位與機制（二）mRNA的降解（一）mRNA的定位與機制1)mRNA的局限合成2)mRNA的局限保護性降解3)mRNA的擴散: 隨細胞骨架的組裝極性 分布4)區(qū)域錨定 mRNA的局限合成（就近原則） 脯乳動物乙酰膽堿受體在肌原纖維神經(jīng)肌肉連接處，其基因的轉(zhuǎn)錄就在靠近連接處的細胞核中經(jīng)行，mRNA就近反應(yīng)。mRNA的局限保護性降解 降解錯誤定位的mRNA，保證正確的場所保留正確的mRNA。 mRNA的擴散: 隨細胞骨架的組裝極性 分布被動的轉(zhuǎn)移方法，隨著細胞骨架的極性分布運動

14、。 區(qū)域錨定 主動轉(zhuǎn)移，依靠細胞骨架上的馬達蛋白將mRNA轉(zhuǎn)移到指定的位置。 依賴于mRNA的順式原件和細胞中的反式因子（二）mRNA的降解1) mRNA的降解是基因表達調(diào)控的重要內(nèi)容之一, mRNA的降解涉及正常mRNA和異常mRNA。2) 真核細胞中有一定比例的異常mRNA，它們 具有前移的終止密碼，可產(chǎn)生殘缺蛋。如人類 細胞平均約20%的mRNA編碼殘缺蛋白質(zhì).有的 mRNA具有無終止密碼的3-非翻譯區(qū), 影響核 糖體的利用效率.。3) 細胞必需將不再需要的mRNA和異常的mRNA 及時清除，以保證細胞正常的功能。4) 真核細胞有多種mRNA降解機制，針對不同 的mRNA。降解類型 正常

15、mRNA: 具有正常編碼順序, 但細胞內(nèi)已經(jīng)不再需要的mRNA. 不同mRNA的半衰期有很大差別, 從數(shù)分鐘到幾十分鐘. 非正常mRNA: 1.無終止密碼mRNA; 2.密碼子前移的mRNA,編碼殘缺蛋白質(zhì). 非正常mRNA主要來源于: 1)發(fā)生點突變的假基因;2) mRNA加工過程中發(fā)生差錯產(chǎn)生的mRNA, 如缺少poly(A)的mRNA; 3) 可變剪接產(chǎn)生的非正常mRNA.mRNA降解途徑1)依賴于3-poly(A)脫腺苷酸和5-脫帽的53降解路線, 真核生物正常mRNA和部分非真常mRNA的降解采取這一路線, 是主要的mRNA降解路線.2)依賴于3-poly(A)脫腺苷酸和35降解路線, 采用exosome降解mRNA.3)內(nèi)切核酸酶降解