RNA基因(2) Word 文档.doc

00000000000000000000000000000000000第2命题： RNA基因吴乃虎（中国科学院遗传与发育研究所）黄美娟（北京大学生命科学学院细胞遗传学系）一直以来，有关的科学工作者总是把大量的精力集中于蛋白质编码基因的研究，而对终产物为非编码RNA（non-coding RNA,ncRNA）的RNA基因的研究，则没有给于应有的重视。因此迄今为止，我们掌握的有关RNA基因的结构与功能的知识，远不及DNA和蛋白质的水平。但是，随着基因组全测序工作的蓬勃发展，尤其是人类基因组研究工作的深入，迅速地改变了人们对RNA基因的认识。令人惊讶的是，近年来应用微阵列技术（microarrays）和高通量转录本测序技术（high-thraughput transcript sequencing）进行的全基因组分析显示，至少有85%甚至可能超过90%的人类基因组序列具有转录的活性。由此转录生成的数万个不同的非编码的RNA转录本，包括新发现的先前尚未鉴定的小分子量调节RNA（tiny regulatory RNA）。最新资料指出，人类基因组至少有6,000个RNA基因，同时随着研究的深入，这个数字还会不断地增加。除此之外，人类基因组中还存在着数量庞大的RNA基因的假基因拷贝。一、 转运RNA（tRNA）基因编码终产物为转运RNA的基因，称为tRNA基因。无论是原核生物还是真核生物，在排列形式上tRNA基因常常是聚集成簇并分布在基因组的不同部位。例如在非洲爪蟾基因组中，一段3.1kb的区域就集中排列着8个tRNA基因。在大肠杆菌中，有些tRNA基因是单拷贝的，另外一些tRNA基因则是多拷贝的；真核生物的情况有所不同，它所有的tRNA基因都是多拷贝的。1. tRNA基因的结构特点在tRNA基因转录序列区中，有一个长度约为14-60bp的内部启动子或称内部控制区。与5S rRNA基因的内部启动子不同，tRNA基因内部启动子分为A区和B区，分别位于8-19和52-62核苷酸的位置。因此被称为断裂启动子。此外，还发现在某些真核生物tRNA基因前体转录本（pre-tRNA）中，还具有不同长度的内含子。例如酵母的400个tRNA基因中，有40个左右紧挨反密码子的3，一侧存在着一个内含子。tRNA基因内含子的长度，要比断裂基因前体转录本（pre-tRNA）的短，并且不存在相关的保守序列。2. pre-tRNA的加工大肠杆菌tRNA基因的排列方式，经常是数个聚集在一起共转录生成一条大分子量的前体tRNA（pre-tRNA），接着经过切割作用释放出许多个含单个tRNA基因的tRNA序列片段。由此产生的不同的tRNA分子，需要按照诸如切割、剪接、碱基增加和修饰等不同方式的加工处理，才能形成具功能活性的成熟的tRNA。真核生物pre-tRNA的加工方式与大肠杆菌的类似（图2-48）。不过需要提醒，不同的pre-tRNA具有不同的加工方式，因此对所有tRNA都适用的普遍性的加工方式是不存在的。图2-46所示仅是其中的一种例子。3. 人体tRNA基因据推测人体总共有46种不同类型的tRNA分子，分别参与对应于20种标准氨基酸的61种有义密码子的解码作用。然而人体tRNA基因的数量与蛋白质氨基酸使用频率之间并不存在严格的相关性。例如使用频率仅占全部人体蛋白质氨基酸的2.25%的稀有氨基酸胱氨酸，具有多达30个专有的tRNA基因，而使用频率高达全部人体蛋白质氨基酸6.1%的脯氨酸，却只有21个专有的tRNA基因。虽然tRNA基因似乎是分散地分布在全部基因组的各个部位，但其分布密度却是不均匀的。典型的例子如人体tRNA基因，有超过半数以上（273个）是存在于6号和1号染色体，而且大部分是聚集在6p2的一段长4Mb的区域中。此外还发现30个半胱氨酸tRNA基因中，有18个是聚集在7号染色体的一段0.5Mb的窄小区域中。二、 核糖体RNA（rRNA）基因在不同物种的生命体中，存在着不同数量的rRNA基因拷贝，除大肠杆菌的为单拷贝的之外，其余物种的大多都是多拷贝的。在同一物种的生命体中，同一种rRNA基因的所有拷贝都是相同的或者说是几乎相同的。以大肠杆菌为代表的原核生物，由三种不同的rRNA基因分别编码16S、23S和5S rRNA。这三种rRNA基因分开排列在同一条DNA区段上，并共转录生成一条30S的前体rRNA转录本（pre-rRNA）。随后此条30S的pre-rRNA在甲基化酶的作用下，便会在诸多位点发生甲基化作用。于是经过切割和修饰之后可释放出16S、23S和5S三种rRNA，以及若干额外的tRNA分子。2. 真核生物rRNA基因在新陈代谢活跃的人体细胞之核仁中，大约有400个rRNA基因。它们中的大多数构成串联重复的基因簇，同时存在着许多相关的假基因。在4种类型的细胞质rRNA基因中，除了5S rRNA基因之外，其余的三种（18S、5.8S和28S）rRNA基因，串联有序地排列在一段共转录的DNA序列上。此段DNA序列，系由启动区、转录单位、内部间隔区及非转录间隔区组成，特称为rRNA基因重复元件。它在13、14、15、21和22号近端着丝粒染色体短臂的核仁组织者区中，各重复30-40次，从而形成5个rRNA基因簇。每个rRNA基因簇各长1.5Mb。文献中有时亦称此段DNA序列为核糖体DNA（rDNA）。 rRNA基因重复元件中的转录单位长13kb，除编码18S、5.8S和28S三个rRNA基因外，另有内部间隔序列和外部间隔序列。它转录生成45S的pre-rRNA转录本，其中的间隔序列在加工过程中被删除掉，结果释放出18S、5.8S和28S三种rRNA分子。每个细胞均含有大量的5S rRNA基因和许多相关的假基因。它们聚集成三个不同的基因簇，其中最小的一个有400个重复拷贝，在体细胞和卵母细胞的任何时期均可表达，因此称为体细胞型的5S rRNA基因。另外两个rRNA基因簇的表达受发育调节，它们在生长的卵母细胞中表达，在体细胞中则处于沉默的状态，故被称为卵母细胞型的5S rRNA基因。5S rRNA基因长120个核苷酸，其转录本不需要加工。卵细胞型和体细胞型的5S rRNA基因，仅相差6个核苷酸，而且它们的表达活性都是受位于编码区42-87核苷酸部位的内部启动子操控的。三、小RNA（rsRNA）基因 在哺乳动物细胞核和核仁中，存在着分子长度介于60-360nt的较小的RNA（rather small RNA,rsRNA）。由于这类rsRNA起先是在细胞核内发现的，故特称为核内小RNA（small nuclear RNA,snRNA），以便与mRNA相区别。随后在核仁中也发现了不同于snRNA的另一种rsRNA，命名为核仁小RNA（small nuclealar RNA，snoRNA）。 已知在人体细胞中数百个散在的rsRNA基因，大部分都是编码snRNA和snoRNA分子。前者称为snRNA基因，后者叫做snoRNA基因。根据功能作用与剪接体之间的相关性，snRNA基因又可进一步区分为剪接体snRNA基因（spliceosomal snRNA gene ）和非剪接体snRNA基因（non-spliceosomal snRNA gene）两个亚族。下面以人体细胞为依据，简要叙述相关的rsRNA基因的主要特性。1. 剪接体snRNA基因在人体细胞染色体基因组中，参与大剪接体（major spliceosome）组成的snRNA，其编码基因的总数估计要超过70个。在这些snRNA基因中，已鉴定出编码产物是U6 snRNA的有44个，而编码产物为U1 snRNA的有16个。由于这些基因的编码产物需要成为剪接体组分之后，才能发挥相应的功能作用，所以特称之为剪接体snRNA基因。已有一些证据表明，剪接体snRNA基因是以成簇的形式存在于染色体基因组上。比如已发现的在1p36.1区域，就有一个大约由30个U1 snRNA基因组成的基因簇，在17q21-q22区域也有一个由多个U2 snRNA基因组成的小基因簇。2. 非剪接体snRNA基因在核质中，并非所有的snRNA分子都要同剪接体结合之后才能发挥其功能作用的。事实上有些snRNA分子不需要同剪接体结合，同样也具有各自的功能活性。例如U1和U2 snRNA同样也具有非剪接体的功能。这样的snRNA的编码基因，称为非剪接体snRNA基因。因为有资料指出，在RNA聚合酶执行的转录反应，需要U1snRNA的激活作用；而U2 snRNA能够激活RNA聚合酶的转录延长反应。此外，还有一些其他的非剪接体snRNA基因也已经作了深入的研究。它们基本上都是单拷贝的基因，但却拥有相当数量的相关假基因。3. 核仁小RNA（snoRNA）基因迄今已发现的人体snoRNA基因至少有340种，而且随着技术的进步和研究工作的深入，今后肯定还会发现更多的snoRNA基因。绝大多数此类基因都是定位在由RNA聚合酶转录的、大分子量真核断裂基因的内含子中。鉴于snoRNA是从其所在的pre-mRNA中剪接删除下来的，因此它们的合成调节是同其所在基因的合成调节偶联进行的。许多snoRNA基因是散在的单拷贝基因，但也有不少的snoRNA基因是以成簇形式存在的。在表达特异性方面，大部分snoRNA基因具有遍在表达活性，但也有一部分snoRNA基因，呈现组织特异性表达活性4. 核内环形体RNA（scaRNA）基因在人体细胞中，至少已鉴定出25种各自编码一种scaRNA的基因。这类scaRNA基因与snoRNA基因一样，也是定位在由RNA聚合酶转录的、真核断裂基因的内含子中。四、 微RNA（miRNA）基因 自从1993年R.C.Lee在秀丽隐杆线虫中发现了头一种微RNA（micro RNA,miRNA）基因之后，经过不太长时间的研究，人们已经在昆虫、鱼类、蛙类、植物以及包括人类在内的哺乳动物中，都先后发现了大量的miRNA基因。其中仅在人类基因组中，就已找到了至少1500种的miRNA基因。在秀丽隐杆线虫中，也已找到了大约120种以上的miRNA基因。各种不同植物，虽然miRNA基因的数量有些差别，但都在100种以上