RNA剪接和加工

1、1 第五节第五节 RNA剪接和加工剪接和加工 大多数真核生物编码蛋白质的基因是不连大多数真核生物编码蛋白质的基因是不连 续基因，内含子与编码序列一起被转录。因此续基因，内含子与编码序列一起被转录。因此 mRNAmRNA的原初转录产物是分子量很大的前体，分的原初转录产物是分子量很大的前体，分 子大小极不均一。这些高分子量、不均一的核子大小极不均一。这些高分子量、不均一的核 内内RNARNA称为核内不均一称为核内不均一RNARNA（heterogeneous heterogeneous nuclear RNA, hnRNA)nuclear RNA, hnRNA)。 hnRNA hnRNA 经加工和

2、选择性拼接，产生有功能经加工和选择性拼接，产生有功能 的成熟的的成熟的mRNAmRNA，释放到细胞质中。，释放到细胞质中。 2 翻译翻译 转录转录 末端修饰末端修饰 剪接剪接 RNA剪接、剪接、 加工均发加工均发 生于核内生于核内 3 RNA剪接剪接 4 三类剪接系统三类剪接系统: : l 高等真核生物中，外显子高等真核生物中，外显子- -内含子边界、位于内含内含子边界、位于内含 子内的短的保守序列，由一复杂的核蛋白组成的子内的短的保守序列，由一复杂的核蛋白组成的剪接剪接 器复合体器复合体对其识别，并切除内含子。对其识别，并切除内含子。( (核核RNARNA剪接）剪接） l 有两组不同的内含子

3、可发生自我剪接有两组不同的内含子可发生自我剪接。（自我剪。（自我剪 接接RNARNA类、类、类自剪接内含子类自剪接内含子） l 酵母核前体酵母核前体tRNAtRNA内含子的切除。内含子的切除。 除核前体除核前体tRNAtRNA外，外，RNARNA的剪接都通过酯基转移的剪接都通过酯基转移 （transesterificationtransesterification）反应切除。）反应切除。 5 内含子两端没有长的同源或互补序列，但有极短的保内含子两端没有长的同源或互补序列，但有极短的保 守的共有序列，左端（上游）为守的共有序列，左端（上游）为GT，右端（下游）为，右端（下游）为AG。 这一现象称

4、为这一现象称为GT-AG规则。在规则。在RNA中则为中则为GU-AG。 左端的位点也叫供体位点（左端的位点也叫供体位点（donor site）或者）或者5，右端也叫受，右端也叫受 体位点（体位点（acceptor site）或者）或者3。 一、一、 核核RNA的剪接的剪接 （一）核（一）核RNA剪接的模式剪接的模式 6 原则上原则上5 可以和任何可以和任何3 位点进行剪接。位点进行剪接。 剪接位点是剪接位点是 通用的；通用的； 剪接器无组剪接器无组 织特异性。织特异性。 7 剪接存在索套（剪接存在索套（lariat） 结构，需三个序列：结构，需三个序列： 5剪接位点；剪接位点； 3 剪接位点；

5、剪接位点； 分支点分支点 剪接的第一步，是内含子剪接的第一步，是内含子5 端与上游外显子之间断裂；端与上游外显子之间断裂； 5端与内含子中靠近端与内含子中靠近3端的端的 一一A 残基残基2-OH 形成一索套形成一索套 形中间产物形中间产物; A 所在位点称所在位点称 为分支位点（为分支位点（branch site）; 第二步，在第二步，在3位点切割，释位点切割，释 放出内含子，连接两个外放出内含子，连接两个外 显子。显子。 8 （二）剪接体（二）剪接体（spliceosome） 剪接器含蛋白与核内小剪接器含蛋白与核内小RNA，称为，称为snRNA（核内小（核内小RNA， small nucle

6、ar RNA），大小为），大小为100300（高等真核生物）（高等真核生物） 或者或者1001000（yeast）.以核蛋白形式存在。该核蛋白称以核蛋白形式存在。该核蛋白称 为为snRNP. snRNP与其它蛋白形成剪接体（与其它蛋白形成剪接体（spliceosome）。）。 参与剪接的参与剪接的snRNA都很保守，参与剪接的都很保守，参与剪接的snRNA为为U1, U2, U4, U5, U6。每个。每个snRNP含一个含一个snRNA和多个蛋白，其结和多个蛋白，其结 构核心都有一组构核心都有一组8个蛋白。个蛋白。 除除U6 外，都含有保守序列外，都含有保守序列PuAU3-6GPu。 snR

7、NA的功能：参与核蛋白复合体的结构构建；通过与靶位的功能：参与核蛋白复合体的结构构建；通过与靶位 点点RNA或在或在snRNA之间的碱基配对来执行剪接功能。之间的碱基配对来执行剪接功能。 9 分支点结合蛋白：分支点结合蛋白：branch-point binding protein,BBP) ) 10 剪接过程剪接过程 E A B1 B2 C1 C2 11 剪接体的剪接体的 组装和剪组装和剪 接过程接过程 E 复合体复合体 A 复合体复合体 B1 复合体复合体 B2 复合体复合体 C1 复合体复合体 C2 复合体复合体 12 U6与与U4、U2通过碱基配对相互作用通过碱基配对相互作用 由于由于U

8、4 和和U2 都是通过与都是通过与 U6的同一段碱基序列互补的同一段碱基序列互补 配对进行作用，因此配对进行作用，因此 U6/U4 和和 U6/U2 不能相容。不能相容。 13 反式剪接反式剪接 14 肌钙蛋白T基因的可变剪接 15 二、二、 自我剪接的自我剪接的RNA （类、类、类自剪接内含子）类自剪接内含子） I 类和类和 II 类类内含子具有把自己从前体内含子具有把自己从前体mRNA中剪中剪 接出的能力。接出的能力。 16 I I类内含子（类内含子（Group IGroup I ） 35S RNA在体外可自在体外可自 发剪接，内含子剪下为线发剪接，内含子剪下为线 型，然后进一步环化。型，

9、然后进一步环化。 这一反应只需一种二价阳这一反应只需一种二价阳 离子和鸟苷酸（离子和鸟苷酸（GNP）；）； GNP必须具自由必须具自由3-OH。 出现于低等真核生物出现于低等真核生物 四膜虫核内编码四膜虫核内编码rRNArRNA的基的基 因。在真菌线粒体中也很因。在真菌线粒体中也很 普遍。也存在于噬菌体普遍。也存在于噬菌体T4T4 和细菌中。和细菌中。 这类内含子具有自我这类内含子具有自我 剪接（剪接（self-splicing / self-splicing / autosplicingautosplicing）的能力。）的能力。 17 GNP的的3-OH攻击攻击 内含子内含子5端，形成端，

10、形成 G-内含子和外显子内含子和外显子 部分；部分； 分离的外显子分离的外显子3- OH攻击下一个外攻击下一个外 显子的显子的5端；端； 释放的内含子释放的内含子3- OH攻击自身攻击自身5端端 15碱基处。碱基处。 反应通过三步酯基转反应通过三步酯基转 移反应进行。移反应进行。 反应过程：反应过程： 18 19 线型线型L19 RNA可催化寡聚可催化寡聚 胞苷酸（胞苷酸（C5）延长）延长 20 具有具有9个配对区（双螺旋个配对区（双螺旋 区），其中区），其中P4、P7比较保比较保 守；守； P3、P4、P6、P7形成内含形成内含 子的子的“核心核心”，是可进行具，是可进行具 催化反应的最小区

11、域；催化反应的最小区域； P1包括一段外显子与内含子包括一段外显子与内含子 互补区，称为互补区，称为IGS（internal guide sequence）。）。 I 类内含子的一般二级结构类内含子的一般二级结构 （IGS：内在指导序列）：内在指导序列） 21 类自剪接内类自剪接内 含子转变为真正的含子转变为真正的 核酶核酶 22 II II 类内含子的结构域（类内含子的结构域（domaindomain）5 5和和6 6的结构，类似于和的结构，类似于和 核核RNARNA内含子剪接体中内含子剪接体中U6-U2U6-U2及及U2-U2-内含子配对形成的结构。内含子配对形成的结构。 IIII类内含子

12、（类内含子（group IIgroup II） (II (II 类内含子类内含子) )( (核核RNARNA内含子剪接体内含子剪接体) ) 23 三类内含子剪接模式的比较：三类内含子剪接模式的比较： 核核RNA内含子和内含子和II类内含子的剪类内含子的剪 接很相似；接很相似； 靠近靠近3剪接位点的剪接位点的一一A的的2-OH 攻击内含子攻击内含子5末端，形成末端，形成索套索套 （lariat）中间体）中间体。 都是通过酯基转移反应进行；都是通过酯基转移反应进行； 24 25 三、酵母三、酵母tRNA的剪接的剪接 前面的剪接反应是依赖于一些短的保前面的剪接反应是依赖于一些短的保 守序列，转酯反应

13、与连接反应同时进行。守序列，转酯反应与连接反应同时进行。 在在酵母酵母tRNA的剪接过程中，采用了不同的机制，的剪接过程中，采用了不同的机制， 链的断裂与链的断裂与连接是两个独立的反应。连接是两个独立的反应。 tRNA 的剪接与成熟的剪接与成熟 （真核生物）（真核生物） OH 3 A C C 5 N P 2 3 Kinase + GTP 3 A C C 5 Endonuclease 环化磷酸二酯酶环化磷酸二酯酶 CPDase 内切核酸酶 激酶激酶 3 A C C 5 N P 2 3 P 腺嘌呤合成酶、腺嘌呤合成酶、 Ligase + ATP 3 A C C 5 N P 2 3 P p P Li

14、gase 3 A C C 5 N P 2 3 P 2磷酸转移酶磷酸转移酶 3 A C C 5 N 2 3 P 28 四、四、 RNA的末端修饰的末端修饰 （一）（一）mRNA的的5端修饰端修饰 1、加帽、加帽 在磷酸酶的作用下，在磷酸酶的作用下， 将将5 -端的磷酸基水解，端的磷酸基水解， 然后再加上鸟苷三磷酸，然后再加上鸟苷三磷酸， 形成形成GpppN的结构，再的结构，再 对对G进行甲基化。进行甲基化。 新加的新加的G以反方向与以反方向与 5连接，这一结构称为连接，这一结构称为 帽子（帽子（cap）结构）结构 5 5 Gppp + pppApNpNp. 5 5 GpppApNpNp. + p

15、p + p 29 2、甲基化、甲基化 只在末端只在末端G的的7位位 甲基化的帽子称为帽甲基化的帽子称为帽 子子0（cap 0），写作），写作 m7GpppX； 若第二个核苷若第二个核苷 酸酸2-OH甲基化，甲基化， 则称为帽子则称为帽子1 （cap 1），写作），写作 m7GpppXm； 若第三个核苷若第三个核苷 酸酸2-OH甲基化，则甲基化，则 称为帽子称为帽子2（cap 2），写作），写作 m7GpppXmpYm。 30 （二）（二）RNA的的3末端修饰末端修饰 Pol II无特定终止位点？无特定终止位点？ 31 Pol II无特定终止位点，无特定终止位点， 3-OH末端通过在特定位末端通

16、过在特定位 点切割后加上点切割后加上poly(A)来来 形成。形成。 末端的末端的AAUAAA序序 列作为切割和添加列作为切割和添加 poly(A)的位点的信号。的位点的信号。 32 产生正确的末端结构需要产生正确的末端结构需要核酸核酸 内切酶（由内切酶（由CFI和和CFII组成）组成） 切割切割RNA； 特异组分（特异组分（CPSF）识别识别 AAUAAA序列；序列； 激发因子激发因子CstF，结合在切割，结合在切割 位点下游一富含位点下游一富含G-U的序列。的序列。 poly(A)聚合酶（聚合酶（PAP）合成合成 poly(A)尾部；尾部； 33 酵母中酵母中rRNA的一般加工过程的一般加

17、工过程 rRNA 的切割的切割 真核真核rRNA 前体包括前体包括18S, 5.8S, 28S rRNA； 前体前体rRNA在高等真核生物在高等真核生物 中为中为45S RNA，低等真核，低等真核 生物（酵母）中为生物（酵母）中为35S RNA。 成熟成熟rRNA通过对前前体通过对前前体 rRNA的切割和修剪的切割和修剪 （trimming）反应形成。）反应形成。 五、五、rRNA的加工的加工 34 细菌细菌rRNA基因中还常包含有基因中还常包含有12个个tRNA基因基因 The rrn operons contain genes for both rRNA and tRNA. 35 脊椎动物

18、脊椎动物rRNA有大量的有大量的 甲基化位点，位于保守甲基化位点，位于保守 位置；位置； 大多数大多数snoRNA含有与含有与 18S、28S RNA甲基化甲基化 位点互补的序列；位点互补的序列； 碱基配对形成的双螺旋碱基配对形成的双螺旋 结构可为甲基化酶所识结构可为甲基化酶所识 别。别。 36 酵母酵母rRNA 中假尿苷的合成中假尿苷的合成 37 六、六、 RNA 编辑编辑 RNA 编辑（编辑（RNA editing）是指在是指在 RNA转录后改变遗传信息的加工。因此转录后改变遗传信息的加工。因此 翻译出来的蛋白质与根据基因序列所推翻译出来的蛋白质与根据基因序列所推 导出来的就会不同。导出来的就会不同。 在哺乳动物细胞中，有时在哺乳动物细胞中，有时mRNA的的 单个碱基可被替代，从而改变编码的蛋单个碱基可被替代，从而改变编码的蛋 白序列。在锥虫线粒体中，几个基因中白序列。在锥虫线粒体中，几个基因中 可被系统地