内含子对真核基因表达调控的影响

1、 内含子对真核基因表达调控的影响摘要: 大多数真核基因都含有非编码的间隔序列内含子, 根据剪接机制的不同, 可将内含子分为 3 类: 真核mRNA 内含子、自我剪接内含子和真核tRNA 内含子。在多数情况下, 真核mRNA 内含子的存在可以提高基因的表达水平, 因为其剪接过程会影响mRNA 新陈代谢的多个阶段, 包括转录、RNA 编辑pre-mRNA 的加工、mRNA 的出核运输翻译和无义衰变等。真核mRNA 内含子在真核生物基因表达调控中起着重要的作用, 是转基因研究中提高外源基因表达的重要元件之一。 真核生物基因的一个基本特征是它们被一个或多个内含子所间隔, 这些间隔DNA 在转录后被除去

2、以形成具有完整读码框的mRNA, 这一过程叫做内含子的剪接。根据剪接机制的不同, 可将内含子分为3 类: 真核mRNA 内含子、自我剪接内含子和真核tRNA 内含子。真核mRNA 内含子最初被认可的功能主要有2 种, 一是通过外显子的复制和移动简化新基因的进化历程; 二是通过可变剪接由单基因表达多种蛋白, 丰富了蛋白的多样性。随着分子生物学的发展, 人们发现真核mRNA 内含子对基因表达的调控不只发生在前体RNA 的剪接阶段, 而是与转录、RNA 编辑、mRNA 的出核运输、mRNA翻译和无义衰变等过程形成一个网络, 共同调控基因表达14。虽然一些基因本身并不含有内含子, 或是表达并不需要内含

3、子的参与, 但在许多情况下,真核mRNA 内含子的存在都可以大大提高转基因生物的基因表达5, 6, 真核mRNA 内含子已成为提高转基因生物外源基因表达的重要元件之一。1 真核mRNA 内含子的特征和结构 随着基因组测序计划的进行, 人们发现大多数的真核基因都含有内含子, 并且主要是真核mRNA内含子。真核mRNA 内含子有两种类型: U2-型内含子和U12-型内含子, U2-型内含子存在较为普遍, 占总数的99%, 而U12-型内含子含量较少( <0.4%) 。2 真核mRNA 内含子对基因表达调控的影响 许多基因如-球蛋白、胸腺激素合成酶、嘌呤核苷磷酸化酶基因当以cDNA 形式存在时

4、, 表达效率极低, 而当有内含子存在时, 表达水平会大大提高。在线虫、昆虫、哺乳动物、植物中都发现内含子的存在对基因表达有着积极的作用, 内含子已经成为提高外源基因表达的重要元件。下面就真核mRNA 内含子对基因表达调控的影响作一综述。2.1 真核mRNA 内含子对转录的促进作用 许多基因中的内含子都可以刺激转录的效率,如转基因鼠的转录效率会因内含子的去除而降低100 倍7, 邻氨基苯甲酸磷酸核糖基化转移酶( PAT1)基因的两个内含子都可以提高报告基因的转录效率, 进而提高报告基因的表达 。 2.2 内含子剪接与其它pre-mRNA 加工事件的相互作用 除了内含子的剪接, pre-mRNA

5、的加工事件还包括5端的加帽, 3端的裂解和多聚腺苷酸化作用, RNA 编辑等。这些加工事件对基因表达调控至关重要, 虽然是被独立发现的, 但在时间和空间上却是相互偶联的。2.3 真核mRNA 内含子对下游mRNA 新陈代谢的促进作用 2.3.1 内含子对mRNA 运输的促进作用内含子的剪接与mRNA 的输出虽然发生在细胞的不同部位, 但这两个过程却是直接相关的。 2.3.2 内含子对翻译的促进作用Braddock 等人9发现当将成熟的mRNA 直接注射入非洲爪蟾(Xenopus) 卵母细胞核中时, mRNA 在细胞质中的翻译会受到抑制, 这种抑制可以通过在3-UTR 处加入可剪接的内含子而消除

6、, 说明了内含子对翻译的促进作用。 2.3.3 内含子剪接与无义介导的mRNA 衰变( nonsense-mediated mRNAdecay, NMD) 无义介导的mRNA衰变又名mRNA 监视, 是指选择性的降解含有早熟终止密码子( premature termination codons, PTCs) 的mRNA, 对转录后的mRNA 进行质量控制8。NMD 广泛存在于各种真核生物中, 可以消除由畸变mRNA产生的截短的有害的蛋白。NMD 的一个关键步骤是区分早熟的和正常的终止密码子。在哺乳动物中, 如终止密码子与下游外显子接头处间距大于5055nt, 则被认为是早熟的, 相应的mRNA

7、 会被降解。最近研究发现EJC 包含与NMD 作用的重要因子。在剪接因子RNPf1 和蛋白因子Y14 的作用下,输出因子hUPF3 结合到EJC 上, 这些因子伴随mRNA 进入细胞质, 在细胞质中被翻译终止复合体所检测。在第一轮翻译后, 这些蛋白因子虽然从mRNA 上剥去, 利用特异的蛋白将mRNA 降解, 但是NMD 复合体对入膜的正确mRNA 已经有了记忆功能, 这就使核内剪接与膜中NMD 之间建立起了直接联系。3 展望 随着分子生物学的发展, 越来越多的证据显示, 真核mRNA 内含子在真核基因表达调控中起着重要的作用。在单子叶植物中, 玉米adh1 和sh1 内含子使转基因玉米报告基

8、因的表达水平提高10100 倍。内含子的剪接通过刺激转录、提高mRNA 稳定性、促进mRNA 的输出、增强mRNA 的翻译等提高基因的表达。但是这些过程是怎么相互联系的, 到底哪一个步骤占主导地位、起着最为关键的作用还不清楚。外显子接头复合体EJC 中的蛋白因子在mRNA 新陈代谢的各个阶段均行驶其功能, 无疑是内含子发挥其积极作用的一个关键因子, 对EJC的研究有利与解开内含子增强效应的谜团。 随着基因组测序计划的进行, 人们将会更加深入的了解参与剪接的顺式作用元件和反式作用因子, 对内含子的认识将会不断突破, 这对于想要优化转基因生物表达的研究者来说, 无疑是一个巨大的财富。参考文献1 M

9、aniatis T, Reed R. Nature, 2002, 416: 499506.2 Proudfoot NJ, Furger A, Dye MJ. Cell, 2002, 108: 501512.3 Orphanides G, Reinberg D. Cell, 2002, 108: 439451.4 Maquat LE, Carmichael GG. Cell, 2001, 104: 173176.5 Callis J, Fromm M, Walbot V. Genes Dev, 1987, 1:11831200.6 Duncker BP, et al. Mol Gen Genet, 1997, 254: 291296.7.Brinster RL, et al. Proc Natl Acad Sci USA, 1988, 85: 836840.8 Wilusz CJ, Wang W, Peltz SW.