真核生物mRNA3忆非翻译区的功能

真核生物mRNA3忆非翻译区的功能王海震王莹刘定干*(中国科学院上海生物化学与细胞生物学研究所，上海200031)摘要真核生物mRNA的3忆非翻译区的功能复杂多样，不仅能调控其mRNA的稳定性、控制mRNA的亚细胞定位，而且还在特定氨基酸的编码过程中起着指导作用．一些真核生物mRNA的3忆非翻译区内的突变可引起疾病的发生．近几年的研究又发现，一些真核生物mRNA的3忆非翻译区还具有抑制肿瘤生长的功能．关键词mRNA，3忆非翻译区，功能*通讯联系人.Tel:[phone],Fax:[phone],E-mail:[e-mail]收稿日期：2008-01-03，接受日期：2008-05-19生物化学与生物物理进展ProgressinBiochemistryandBiophysics2008,35(9):980~985真核细胞内，转录和翻译过程发生在不同的部位，遗传信息在从DNA流向蛋白质的过程中受到多个水平的调控．从生物体能量消耗最小化原则来讲，基因表达调控在转录水平进行是更经济有效的方式[1]．如在细胞代谢过程中能对外部信号做出快速响应的基因，其表达主要取决于mRNA的稳定性，而参与分化和发育的基因，则主要是受mRNA的定位和选择性翻译的调控[2]．涉及这种调节的调控序列大多群集于转录本的非翻译区(untranslatedregions，UTR)内，包括5忆UTR和3忆UTR，其中3忆UTR则更为重要．真核生物mRNA的3忆UTR是其mRNA的重要功能元件，在基因表达调控和mRNA定位等方面起着不可忽视的作用[3～7]．3忆UTR不仅控制mRNA的体内稳定性和降解速率、调节转录本亚细胞定位和翻译水平、决定某一特定mRNA的命运、而且还能决定其所表达的细胞种类、控制mRNA的利用效率、协助辨认特殊密码子，3忆UTR的突变还可以影响一个或多个基因的表达，从而导致疾病的发生[8～10]．另外，3忆UTR还是与其他细胞内因子相互作用的重要位点，在细胞的表型、生长、分化中也发挥着重要作用[7]．本文就真核生物mRNA3忆UTR的功能作一综述．1稳定性调控mRNA的降解开始于poly(A)缩短或不依赖脱腺苷化的内切酶剪切(endonucleolyticcleavage)．调控蛋白与3忆UTR中的顺式作用元件结合可以调控这两个过程而影响mRNA的稳定性．这种形式的调控是非常有效的：早期响应基因mRNA的半衰期为5～30min，而稳定mRNA的半衰期则可达几小时(如：茁-珠蛋白)[11]．多数不稳定的mRNA的3忆UTR中都含有促进mRNA降解的序列，这些序列通过富含腺嘌呤/尿嘧啶元件(AU-richelement，ARE)起作用[12]．ARE是严谨调控型基因(如半衰期短于30min的原癌基因c-fos，c-myc等)所含有的典型结构，ARE的大小从50到150个核苷酸不等，一般包含一个或几个拷贝的AUUUA或者UUAUUUA(U/A)(U/A)．ARE引起mRNA降解的机制可能是：在ARE上存在有富AU去稳定结构域(AU-richdestabilizingmotif，ADM)，ADM一方面可以使mRNA的poly(A)尾快速缩短至只含20～40个(A)的寡聚(A)尾，从而加速mRNA的降解，另一方面，ADM可以与mRNA降解因子结合从而促进mRNA的降解[13]．这些不稳定的mRNA多编码调控蛋白，如生长因子及其受体、炎症介质、细胞因子等．与此不同的是有些基因中的3忆UTR含有使mRNA稳定的结构．一个典型的例子就是转铁蛋白受体(transferrinreceptor，TfR)mRNA的3忆UTR内的铁反应元件(iron-responsiveelement，IRE)，IRE中含有一个茎环结构．铁调蛋白(iron王海震等：真核生物mRNA3忆非翻译区的功能2008;35(9)regulatoryproteins，IRPs)与IRE茎环结构的结合取决于细胞内铁的浓度．当细胞内铁浓度高时，IRP与铁结合形成铁硫簇，与mRNA的亲和力降低，暴露了TfR3忆UTR内潜在的内源性核酸酶的切割位点，使其处于未保护状态易受核酸酶攻击，降低了mRNA的稳定性，在铁浓度低的情况下，IRE可与IRP结合保护3忆UTR内潜在的内源性核酸酶的切割位点而阻止mRNA降解，从而可以合成更多的转铁蛋白受体而提高铁离子的利用率[14]．2翻译调控在发育过程中，mRNA的翻译能力是决定表达模式进程的最主要因素．许多证据表明，3忆UTR在特定mRNA翻译的时间和空间调控中起重要作用[15,16]．调控阻遏物与处于3忆UTR内的顺式作用元件结合，使mRNA在不同的时空得以表达，这是调控胚胎极化的主要机制，这类翻译调控在发育早期尤其普遍．真核生物mRNA3忆UTR大多含有特定的负调控元件，能与反式作用因子相互作用来抑制翻译的进行[17～19]．通过突变实验已经鉴定出了一些这样的负调控元件，包括线虫的fem3mRNA中的同向重复序列及果蝇hunchbackmRNA中的NRE(nanosresponseelement)元件．由3忆UTR介导翻译沉默的现象非常普遍，但有些真核生物mRNA3忆UTR也具有激活翻译的正调控作用，这种正调控作用是通过促进mRNA的翻译来实现的．例如：线粒体H+-ATP合酶茁亚基mRNA的3忆UTR就具有翻译增强功能(translation-enhancingactivity，TEA)，TEA促进翻译起始的模式与内部核糖体进入位点(internalribosomeentrysite，IRES)的作用方式相似但又有它本身的特点[20]．线粒体H+-ATP合酶茁亚基mRNA的3忆UTR含有150bp高度保守的AU-富集序列，这段AU-富集序列对其TEA作用的发挥至关重要．研究表明，线粒体H+-ATP合酶茁亚基mRNA3忆UTR的TEA作用与其在mRNA中的位置无关．无论将此3忆UTR克隆于报告基因的5忆或3忆端都可显著增加报告基因的表达量．另外研究也表明，该3忆UTR的TEA作用不依赖于真核生物mRNA5忆端冒状结构，无论mRNA5忆端冒状结构是否存在，该3忆UTR都能稳定发挥其翻译增强作用[20]．3控制mRNA的亚细胞定位近年来的研究表明，某些mRNA具有专一的亚细胞定位，mRNA的定位使得蛋白质能在它们产生作用的区域附近进行区域性合成[21]．就目前所知，几乎所有mRNA，包括核周定位的c-myc、c-fos及MT-1，它们的定位信号都存在于3忆UTR内[22～29]．3忆UTR内的mRNA定位信号可以是一些具有特定核苷酸序列的短片段或重复的短信号(如茁-肌动蛋白)[30]，也可以是特定的二级或三级结构(例如茎环结构)[31,32]．mRNA的定位大多发生在具有明显极化表型的细胞内，比如果蝇的卵细胞，其内的许多mRNA和蛋白质的正确定位对胚胎极性的建立以及随后的胚胎分裂是必需的[33]．有时mRNA的定位也存在于其他细胞中．在成纤维细胞和成肌细胞中，某些mRNA就不是分布在整个细胞质中，而是定位到专一的亚细胞部位．例如，在鸡胚成纤维细胞中片状伪足是一个富含肌动蛋白的与细胞运动相关的结构区域，茁-肌动蛋白的mRNA就通过其3忆UTR被定位在片状伪足附近[34].另外，一些mRNA的定位与细胞骨架相关，其中包括核转录因子c-myc和c-fos以及金属硫蛋白异构体-1(metallothionneinisoform1,MT-1)．Hesketh等[27]利用c-myc基因的3忆UTR来研究该3忆UTR在其mRNA定位中的作用．c-mycmRNA的3忆UTR能够将其转录本定位于核周胞质并与细胞骨架相连．而在转染的成纤维细胞中，c-myc基因的3忆UTR也能够将茁-珠蛋白的mRNA定位于核周胞质中[27]．对该基因3忆UTR的缺失突变实验表明，其3忆UTR中194～280位的核苷酸序列在这一过程中起着关键定位信号作用．进一步的研究表明，若将此86bp片段接于茁-珠蛋白编码序列后再转染细胞，嵌合体转录本亦定位于核周胞质及与细胞骨架相连的多核糖体上．对此86bp片段中的一个保守序列AUUUA作突变实验分析，结果表明该保守的AUUUA序列为c-mycmRNA及上述嵌合体转录本的定位所必需，并推测该AUUUA序列是c-myc3忆UTR内定位信号的重要组成部分[35]．4编码功能的调控在真核细胞中，UGA密码子一般是以翻译终止密码子形式存在的，而对硒蛋白生物合成机制的研究表明，硒蛋白中硒代半胱氨酸正是由位于mRNA编码框内的UGA密码子所编码．进一步的研究表明，UGA编码硒代半胱氨酸的功能是由位于mRNA3忆UTR内一种特殊的序列结构———硒代半胱氨酸插入序列(selenocysteineinsertionsequence,981··生物化学与生物物理进展Prog.Biochem.Biophys.2008;35(9)SECIS)所指导的[36]．在细菌中，紧跟在UGA密码子下游编码框内一个茎环结构的形成是将UGA解读为Se-Cys的必要条件．真核生物中SECIS的作用方式与细菌中的茎环结构相似，SECIS元件也呈茎环样结构，在SECIS元件的茎环样结构中有三个保守的短核苷酸序列[36]：a．位于SECIS茎环顶部的AAA序列；b．位于SECIS5忆侧茎臂上突出的AUGA序列；c．位于SECIS3忆侧茎臂上突出的UG序列．在大鼠玉型碘代甲状腺原氨酸5忆脱碘酶(5忆DI)mRNA的编码区中，三联码UGA位于近中间的位置(382～384位)．如果把该mRNA的3忆UTR去掉，则其翻译产物不含硒代半胱氨酸并且完全失去了活性[37]．可见在5忆DImRNA中其3忆UTR能正确指导将硒代半胱氨酸掺入硒代蛋白质分子中．5与疾病的关系3忆UTR介导的调控功能紊乱可引起一个或多个基因的失控，而且一个等位基因的3忆UTR的突变可能导致疾病的发生．由3忆UTR序列或3忆UTR结合的调节蛋白的突变可以引起多种疾病．如：a．肺呼吸功能障碍．肺泡细胞的表面活性蛋白B(pulmonarysurfactantprotein-B，SP-B)是一种疏水性蛋白，其能维持肺泡的正常功能．SP-BmRNA的3忆UTR对其mRNA的稳定起着极其重要的作用，实验表明在对SP-BmRNA3忆UTR做过缺失突变之后，细胞内的SP-B水平会显著降低，从而导致严重的呼吸功能障碍[38]．b．琢-地中海贫血．正常情况下，琢-珠蛋白mRNA非常稳定，在类红细胞内的半衰期可长达几十个小时．琢-珠蛋白mRNA的超常稳定性与其3忆UTR内存在的稳定性元件———3个胞嘧啶富集区(cytidine-richregion)密切相关，当任何一个胞嘧啶富集区发生碱基突变时，琢-珠蛋白mRNA的稳定性都会下降，引起琢-地中海贫血[39]．c．肌强直性营养不良(myotonicdystrophy,DM)．DM是由肌强直蛋白激酶(myotoninproteinkinase,MtPK)基因3忆UTR内的CTG三核苷酸重复序列数目扩大导致的．正常人群的等位基因中含有5～30次左右的CTG三核苷酸重复序列，但患先天性DM时，三核苷酸重复数目可扩大至50～2000次[40]．MtPK是一个与丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶同源的蛋白激酶，其3忆UTR内CTG三核苷酸重复数目的扩大影响其正常功能的发挥，由此可引起肌肉兴奋性的改变而引发病症．d．糖尿病．在一些2型糖尿病病人的HMGA1基因(highmobilitygroupA1gene)中发现了其3忆UTR上存在一个碱基的缺失突变，而这个碱基的缺失致使该基因的mRNA在细胞内的存在时间大大缩短，进而该蛋白质的表达大大减少，最终导致病症的发生[41]．另外，3忆UTR的突变还可以引发类风湿性关节炎(rheumatoidarthritis,RA)，先天性心脏病(congenitalheartdisease,CHD)以及遗传性血栓形成等多种病症[42～44