RNA_编辑_入门_课件

RNAEDITINGRNA的编辑主要内容RNA编辑RNA编辑机制RNA编辑的类型RNA编辑的生物学意义1986年Benne等在研究锥虫线粒体DNA时发现，锥虫的细胞色素氧化酶II（COII）的mRNA序列与coII基因序列不配，mRNA序列中含有4个在基因中缺失的核苷酸，这些缺失的核苷酸可引起移码突变，进而导致基因失活。但锥虫以某种方式为mRNA提供了4个核苷酸，由此避免了移码。1988年大量锥虫动基体基因和相应的mRNA被测序才认识到在这些生物中这种现象是很常见的。在随后的研究中发现现象广泛存在于原生动物、哺乳动物、植物、昆虫、真菌、黏菌、病毒、非细胞的黏霉菌等生物,涉及线粒体、叶绿体以及细胞核中的3种RNA编码基因(mRNA、tRNA、rRNA)。并把这种现象称为mRNA的编辑DNA序列GAGAAmRNA序列GAUUGUAUA氨基酸序列AspCysIleRNA的编辑4细胞色素氧化酶II蛋白的序列与其基因相比，发生了移码（frameshift）。移码是通过在移码位点附近插入4个U形成。5T.brucei的coxIIIgene在转录后大规模的RNA编辑:插入大量碱基U，也删除了部分碱基U。哺乳动物中RNA编辑实例RNA的编辑（RNAediting）是指在mRNA水平上改变遗传信息的过程。是某些RNA，特别是mRNA前体的一种加工方式，如插入、删除或取代一些核苷酸残基（包括U→C，A→U；U的插入或缺失、多个G或C的插入等），因为经过编辑的mRNA序列发生了不同于模板DNA的变化，导致DNA所编码的遗传信息的改变。RNA编辑不同于RNA剪接，RNA剪接是从DNA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续的RNA分子的过程。RNA剪接并没有使DNA的遗传信息发生改变。众所周知,真核细胞基因表达的调控主要发生在三个彼此相对独立的水平上,包括转录水平的调控,转录后加工水平的调控和翻译水平的调控。近年来发现的RNA编辑使人们对基因表达多级调控的复杂性有了新的认识。所谓RNA编辑(editing),是在RNA水平上改变遗传信息的加工过程,导致成熟的RNA编码序列和它的转录模板DNA序列之间的不相匹配。RNA编辑机制在mRNA编辑过程中需要精确的插入位点和准确的核苷数目，这需要由引导RNA(gRNA)介导完成的。这些小的gRNA分子是与被编辑的mRNA互补的一小段反义序列,一般可与被编辑的mRNA一级转录本的下游编辑位点处结合形成短的(10～15bp)锚定双螺旋。在每一个gRNA分子5`端的5—12个核甘酸可以和mRNA中紧邻被编辑部位3`端的区域互补．被称为“anchor”序列，“anchor”序列的下游是一段25~35核苷酸的“guiding”序列，它可以确定核甘酸位点间即编辑位点(E8)处尿嘧啶U的插入和缺失；gRNA结构的第三部分是位于其3`端长度为5—24核苷酸的寡聚尿嘧啶核苷酸尾。（1）gRNA-I的5’端与前体mRNA的未经编辑的mRNA的一小段锚定序列互补；（2）其余大部分的gRNA-I序列指导部分前体mRNA编辑，由于插入了UMP,mRNA的长度增加；（3）新的gRNA（gRNA-II）与前体mRNA的刚编辑的区域的5’端杂交，取代gRNA-I；（4）gRNA-II指导新一段前体mRNA编辑；（5）以下一个gRNA重复前面的步骤，直到mRNA编辑完成。编辑过的序列用黑色表示gRNA介导RNA编辑机制RNA的编辑是由3’—5’方向进行的，gRNA分子5`端“anchor”序列（可与mRNA中紧邻被编辑部位3`端的区域互补的5—12个核甘酸序列）与待编辑的mRNA一小段锚定序列互补配对形成短的（10—15bp）锚定双螺旋。gRNA和转录本mRNA之间形成10～15个核苷的匹配环。由编辑复合体蛋白中的一个编辑位点特异性的内切酶识别出mRNA/gRNA形成的锚定双螺旋序列,在mRNA3′端第一个未配对的核苷酸处切开。接着末端尿嘧啶转移酶(TU21Tase)将尿嘧啶残基加到切开的前体mRNA插入位点上,或者3′尿嘧啶特异外切酶从切开的删除位点除去尿嘧啶残基。最后,RNA连接酶将两段切开的mRNA连接起来。gRNA与mRNA碱基互补配对时的一个显著特点是：存在G-U碱基配对和标准的Watson-Crick碱基配对（A-U）。11U-OHUUUUPUUUUUOHU-OHUUUU寡聚U的添加gRNA在mRNA编辑中的作用机制（1）gRNA-I序列指导部分前提mRNA编辑遇到第一个不能配对的核苷酸；（2）gRNA末端U的3’-OH攻击该核苷酸5’-P并发生转酯反应；mRNA游离出来的3’-OH攻击gRNA寡聚U第一个不配核苷酸的5’-P，发生第二个转酯反应；（4）一旦RNA编辑完成，gRNA即离去。mRNA中U的插入与剔除mRNA中U的插入mRNA中U的剔除1、gRNA介导的内切核酸酶在需要插入UMP的位点切割mRAN；2、在gRNA介导下，末端尿嘧啶转移酶（TUTase）从游离的UTP(非来于gRNA的那个)转移到UMPs至待插入部位；3、RNA连接酶将两条RNA重新连接。1、切割前体mRNA;2、通过外切核苷酸酶剔除U；3、RNA连接酶将两条RNA重新连接在一起。编辑中的U来自UTP，在gRNA末端的U通过酯交换反应而转移到前体mRNA上，即U可从gRNA末端脱去，直接转移到前体gRNA上。UMP的转移需要3种酶的参与：1、内切核酸酶，沿着gRNA的作用方向（3’—5’）在UMP需要被转移的地方切开Mran;2、3’外切酶，特异性切下末端尿嘧啶；3、RNA连接酶。（当gRNA序列缺乏A和G时不能与mRNA的U配对，mRNA中的U将被剔除。）指导RNA和RNA的编辑机制gRNA通过Watson-Crick碱基配对与前体mRNA的一编辑序列结合，之后gRNA的3’端作为U插入的模板（gRNA提供A和G作为U渗入的模板），新插入的U与gRNA之间的碱基配对大部分为Watson-Crick的U-A配对，只有2个摇摆的G-U配对，用星号表示。RNA编辑的机制RNA编辑的类型迄今为止,在真核生物的tRNA、rRNA和mRNA中都发现了RNA编辑的现象。RNA编辑有核苷的插入或删除编辑和碱基替换编辑两种类型。这种改变影响了基因的表达,生成不同的氨基酸和新的开放读码框。核苷酸替换的编辑1、胞嘧啶至尿嘧啶的脱氨转变反应；2、腺嘌呤至次黄嘌呤的脱氨转变反应。RNA编辑在高等生物中发挥着重要作用。在哺乳动物中没有发现像锥虫那样进行U的插入和删除的编辑，但是存在着另一种编辑方式，即腺苷酸脱氨基后转化为次黄嘌呤核苷酸（I），腺苷酸氨基基团被氧取代。因为I与G以相同的方式与C碱基互补配对，A脱氨基化后改变了一个密码子的编码意义。这类RNA的编辑是由RNA依赖性腺嘌呤脱氨酶介导。例:ACG（Thr密码子）变成了ICG，ICG被核糖体作为GCG（Ala密码子）读码了。20载脂蛋白B（apo-lipoproteinB,apoB）基因在动物肝脏和小肠中的表达。CU转变通过脱氨反应进行，由脱氨酶催化。RNA编辑中碱基替换机制:C→U:碱基的替换是由胞嘧啶脱氨酶所催化，载脂蛋白B中具有催化活性的是载脂蛋白BmRNA编辑蛋白催化亚基-1（APOEC-1），它是胞嘧啶脱氨酶家族中的成员。一般情况下，胞嘧啶脱氨酶可以作用于所有的C，RNA编辑时它与其它物质形成编辑复合物。APOEC-1的编辑体即APOEC-1和其激活蛋白ASP、互补作用因子ACP。CytidineUridinedeamination载脂蛋白BmRNA的编辑还与C附近的21个核苷酸的保守序列顺式作用元件有关，停泊序列与蛋白识别和结合位置有关，它是负责有效编辑的主要序列，空间序列（2-8bp)的长度与编辑正确发生的位置有关，4bp时编辑效率最高，调节序列位于编辑位点上游，通过二级结构预期辅助因子结合调节编辑效率。A→I:在腺嘌呤脱氨酶的作用下，A转变为I，I在翻译中被识别为G，导致谷氨酸受体亚基mＲＮＡ中ＣＡＧ变为ＣＩＧ，精氨酸取代谷氨酸，减少受体对二价阳离子的的渗透性，改变生理机能。次黄嘌呤核苷核苷的插入或删除编辑某些基因的转录产物通过U的插入或删除，改变了阅读框架才能有效地起始翻译或形成正确的ORF。这可以说明RNA编辑不仅能够调节基因的表达，而且还是一种基因的补偿机制。例：流感副黏病毒SV5的P基因表达产生P蛋白和V蛋白，编码V蛋白的ORF有222个密码子，但测序发现其基因中没有任何符合P蛋白长度的ORF。后来证实P蛋白的形成是由于在V蛋白阅读框架第164位密码子中插入了GC，产生了新的完整ORF，合成出有392aa的P蛋白RNA编辑的效率与调节RNA编辑在多种水平上被调节,包括代谢水平、激素水平、生长阶段及某些内分泌因素的的调控。如,锥体虫mRNA的编辑只在特定的生长周期中发生,受发育水平的调节；碱基替换编辑的组织特异性使A2I的编辑基本只在神经组织中发生,而载脂蛋白B的编辑只在小肠中发生。编辑酶的表达水平也是重要的调节因素。其中,载脂蛋白B的编辑调节是研究最深入的。在一些例子中编辑水平的调节很大程度上依赖于APOBEC21的表达水平。研究发现APOBEC21所介导的RNA编辑受3个因素的影响,它们是pH值,离子浓度和温度。编辑的功能由于编辑发生在RNA的一级结构序列,使其直接影响基因的表达。碱基替代的编辑在氨基酸水平发生变化,编辑可以影响RNA的二级结构,产生新的起始或终止密码子。例如,载脂蛋白B产生终止密码子生成截短的蛋白产物。tRNA的编辑改变其反义密码子,使其二级结构发生改变。当然编辑效应并不都是可见的,有些在内含子区或非编码区的mRNA的改变不影响其基因产物。插入或删除编辑使mRNA的读码框移动,形成新的开放读码框(ORF)。生物学意义改变和补充遗传信息；RNA的编辑能增加基因产物的多样性；RNA编辑与生物细胞发育和分化有关，是基因表达调控的一种重要方式；RNA编辑还可能是基因产物获得新的结构和功能，有利于复杂的生物进化；RNA的编辑很可能与学习和记忆有关。RNA编辑是一种基因转录产物所包含的信息在转录中或转录后被改变的过程，从某种意义上是对中心法则的一种扩展。RNA编辑反应的发现引起了中心法则内涵的扩展，并且也使人们逐渐认识到基因表达控制的一个新的未知水平，以及此反应过程在正常生理过程中的作用。RNA编辑同基因的选择剪接或可变剪接(alternativesplicing)一样，使得一个基因序列有可能产生几种不同的蛋白质，这可能是生物在长期进化过程中形成的、更经济有效地扩展原有遗传信息的机制。RNA编辑的结果不仅扩大了遗传信息，而且使生物更好地适应生存环境。研究进展1、RNA编辑还普遍存在于高等植物（包括单子叶和双子叶）线粒体中，是线粒体产生功能蛋白所必不可少的步骤。2、水稻雄性不育系与其线粒体基因的RNA编辑关联。3、研究表明，RNA编辑大多数作用于密码子的第1和第2位点上，这常常导致编码的氨基酸种类发生变化。4、某些癌症表现可能与RNA编辑缺陷有联系。比如在人大脑癌细胞中A-I编辑中谷氨酸受体通道存在缺陷。但目前通过对RNA编辑缺陷型模式生物的研究，还没有明显证据证明RNA编辑减弱与癌变恶化之间的因果关系。5、通过RNA编辑进一步了解HIV（人类免疫缺陷病毒）、HBV（乙型肝炎病毒）等病毒感染机制。Ｔｈａｎｋｙｏｕ