复旦基因组学课件08-1RNA的加工与修饰

第8章RNA的加工与修饰1)mRNA加帽的生物学功能2)mRNA加尾的生物学功能3)mRNA前体的可变剪接4)RNA的修饰与编辑5)mRNA的转移6)mRNA的降解细胞中RNA的组成PolI,PolII和PolII类基因中的非编码RNA1)PolI:rRNA,28SRNA,5.8SRNA,18SRNA2)PolII:URNA,miRNA,siRNA3)PolIII:5SRNA,tRNA,7SLRNA原核生物极少转录后加工1)原核生物mRNA缺少加帽和加尾;2)原核生物mRNA没有内含子,不存在剪接加工;3)未发现原核生物mRNA存在编辑的例子;4)原核生物无终止密码mRNA的翻译延伸.tmRNA的工作机制NostopcodonmRNA的翻译.真核生物RNA的加工与修饰RNA的加功与修饰未端修饰（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。剪接（splicing）内含子切除,真核生物中大多数编码蛋白质的基因都有内含子，这是一段不编码的顺序，在转录时与编码顺序一道拷贝成前体RNA。前体RNA中的内含子剪除后转为成熟的mRNA，然后翻译成蛋白质。某些古细菌的转录物也有内含子，但在真细菌中非常罕见。剪切原核生物和真核生物的rRNA和tRNA初级转录物常由多个功能单位组成，必须剪切后才能转变为成熟的分子。化学修饰所有生物的rRNA和tRNA都必须进行化学修饰，将某些化学基团加入到每个RNA分子中。编辑通过化学修饰改变mRNA的编码信息称为RNA编辑，仅在某些生物种属和细胞器基因组中存在。线粒体RNA和叶绿体RNA的加工与修饰1)不加帽2)不加尾3)有内含子,自我剪接4)广泛的编辑5)广泛的修饰mRNA加帽的功能(1)在所有转录的RNA产物中,只有POLII基因转录产物才有帽子结构,其功能是:1）阻止mRNA的降解细胞内存在许多RNA酶（RNase），它们可攻击游离的RNA分子。RNA酶的降解从5’端起始，当在mRNA的5’端加上m7GpppG帽子后，带有3个连接磷酸的5'帽可阻止RNase切割。2）提高翻译效率真核生物mRNA必须通过5’帽结合蛋白才能接触核糖体,起始翻译。缺少加帽的mRNA由于不能被5’帽结合蛋白识别，其翻译效率比加帽mRNA低二十倍。mRNA加帽的功能(2)3）作为进出细胞核的识别标记凡由PolII转录的RNA均在5’端加帽，包括snRNA，这是RNA分子进出细胞核的识别标记。大多数snRNA转录后在细胞核中接收5’端单甲基m7G加帽，然后转移到细胞质与snRNP蛋白结合。在细胞质中snRNA5’帽需再修饰成为三甲基带帽结构m2，2，7G，随后重新返回细胞核参与mRNA的剪接加工。U6snRNA由PolIII转录，在其5’端保留的三磷酸基团无帽子结构，因而不能输出细胞核。某些突变型的被输送到细胞质中的snRNA由于不能合成三甲基带帽结构，不能返回细胞核。4）提高mRNA的剪接效率5’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mRNA的剪接效率。加帽可保护mRNARNA进出细胞核mRNA的帽子结构是进出细胞核的识别标记,未加帽的mRNA不能输出细胞核.核膜通道具识别其蛋白质成分mRNA3’加尾mRNA加尾的作用1）提高mRNA的稳定性2）控制与提高mRNA翻译效率3）有助于mRNA前体最后一个内含子的剪切poly(A)有助于mRNA的稳定U1A蛋白合成的自我调节:UIAmRMA的5’有UIA蛋白结合顺序.当UIA蛋白过剩时,UIA与前体mRNA5’结合,导致3’切割因子与AUUAAA位点结合,阻止加尾,并引起mRNA前体降解.U1A蛋白质:U1snRNPs中与U1snRNA结合的蛋白质,与mRNA剪接加工有关.poly（A）提高翻译效率Poly(A)与翻译起始有关eIF4:eIF4E,4A,4GPoly(A)可调控翻译起始许多动物卵细胞的成熟依赖于母源mRNA的加尾.一些母源mRNA的Poly(A)尾太短,不能起始翻译.原因是加尾蛋白CPSF在Maskin的作用下不与加尾信号结合.孕激素可作用CPEB磷酸化,减弱Maskin的作用,促使CPSF与加尾信号结合,Poly(A)延伸,翻译进行.mRNA前体的剪接1)mRNA前体的剪接步骤2)mRNA前体中与剪接有关的顺序3)mRNA前体剪接中的转脂反应4)snRNA在mRNA前体剪接中的作用5)SR蛋白质在mRNA前体剪接中的作用6)可变剪接7)反式剪接mRNA两步剪接—两次转脂事件前体mRNA剪接相关顺序前体mRNA剪接中的两次转脂反应mRNA的剪接过程snRNA在前体mRNA剪接中的作用内含子的种类与分布内含子类型分布------------------------------------------------------------------------------------GUAU内含子真核生物核前体mRNAAUAC内含子真核生物核前体mRNAI型（GroupI）真核生物核前体mRNA细胞器RNAII型（GroupII）细胞器RNA某些原核生物RNAIII型（GroupIII）细胞器RNA孪生内含子（Twintrons）细胞器RNA前体tRNA内含子真核生物核前体tRNA古细菌内含子不同RNA------------------------------------------------------------------------------------罕见的转录后加工:正义链与反义链互补转录产物在同一位置剪接加工见:Science308:1149-1154组群I内含子(GroupI)—核酶这是最早在单细胞原生生物的rRNA剪切加工中发现的内含子切除现象,不依赖蛋白质仅由rRNA分子自身催化的剪接反应,又称为核酶.组群II内含子(GroupII)组群II内含子(GroupII)主要出现在线粒体和叶绿体mRNA前体剪接中.GroupII内含子剪接也不依赖蛋白质,主要由前体mRNA的构型提供剪接活性,也属于一类核酶.GroupII的内含子二级结构与UsnRNA的类似,因此推测后者由GroupII型进化而来,UsnRNA提供了与前者类似的空间结构.前体mRNA的可变剪接果蝇的性别发育与基因调控TheX:Asignalandthecontrolofsexdetermination,sexualbehavior,anddosagecompensation.TheX:AsignaltargetstheSxlgene,controllingitsexpression.AutoregulationofSxlisestablishedonlyinembryoswhosechromosomalconstitutionis2X:2A(twoXchromosomes;twosetsofautosomes),butnotinX(Y):2A(oneXchromosome;twosetsofautosomes)embryos.TheautoregulatoryfeedbackloopregulatesSxlexpressionthroughoutdevelopmentandadultlife.Sxlcontrolstheexpressionofthetraandmsl-2genes,whoseproductsarerequiredforcontrolofsomaticsexdetermination/sexualbehavioranddosagecompensation,respectively.Thedottedlinesindicatethattheexpressionofthegeneis“off,”andthesolidlinesindicatethattheexpressionofthegeneis“on”.见:MICROBIOLOGYANDMOLECULARBIOLOGYREVIEWS,Sept.2003,p.343–359果蝇性别因子mRNA的可变剪接雌果蝇SXL阻止msl内含子切除及翻译起始果蝇X染色体补偿是通过提高雄性X染色体基因的转录水平实现的.通过msl基因产物及roXRNA等与染色体结合增强转录.雌性细胞中mslmRNA的加工及翻译均受到SXL蛋白的抑制.mRNA前体的可变剪接扩充了基因的信息内含神经生长导向因子mRNA的可变剪接Schmucker,D.,DrosophilaDscamisanaxonguidancereceptorexhibitingextraordinarymoleculardiversity.Cell101:671–684,2000.(Dscam)gene的结构与进化Theexon–intronorganizationoftheDscamgenefromeachorganismisshown.Theblackexonsareconstitutivelyspliced.Thealternativeexonsintheexon4,6,9,and17clustersareshadedinred,purple,green,andblue,respectively.Thenumberofvariableexonswithineachclusterineachorganismisindicatedbeloweachcluster.Theexon10clustersinA.gambiaeandA.melliferacorrespondtotheexon9clusterintheDrosophilaspecies.Theexon14and22clustersinA.gambiaeandA.mellifera,respectively,correspondtotheexon17clustersintheDrosophilaspecies.果蝇DSCAMmRNA可变剪接说明果蝇的DSCAM（downsyndromecelladhesionmolecular，唐氏综合症细胞粘连分子）基因编码神经轴突导向受体（axonguidancereceptor），该分子的胞外功能域中有一段多肽由10个免疫球蛋白（immunoglobulin，Ig）重复单位组成，其中第4，6和9重复单位由可变剪接产生。DSCAM的功能涉及果蝇躯体约250000个神经元在发育过成中的迁移与连接，指令轴突应该到达的位置。DSCAM基因的外显子与内含子组成非常特别，其外显子4，6，9和17均由许多顺序相似但略有不同的亚单位组成独立的可变剪接区，分别有12，48，33和2种剪接方式。在每个成熟的mRNA中，外显子4，6，9和17都只有一个亚单位入选，全部可能的剪接方式为12×48×33×2=38016种，产生38016个不同的蛋白质（Schmucker，2000）。在已经克隆与测序的50个DSCAMcDNA中，发现49种不同的4，6和9外显子组合。目前还不知到细胞采取何种机制来挑选不同的外显子成员，也不清楚由此产生的蛋白质在功能上究竟有何种差别。果蝇Dscam基因的可变剪接声波感应蛋白基因（slo）的可变剪接真核生物可变剪接的比例Thebartotheleft(lightpurple)foreachorganismshowstheestimateofalternativesplicingbasedonallESTsandthetotalnumberofpublishedmRNAsequencesandESTsforthespecies:Homosapiens,23,161mRNAsand3.1millionESTs;47%Musmusculus,9,682mRNAsand1.9millionESTs;Rattusnorvegicus,5,803mRNAsand263,362ESTs;Drosophilamelanogaster,