RNA的加功与修饰课件

细胞中RNA的组成细胞中RNA的组成1PolI,PolII和PolII类基因中的

非编码RNA1)PolI:rRNA,28SRNA,5.8SRNA,18SRNA2)PolII:URNA,miRNA,siRNA3)PolIII:5SRNA,tRNA,7SLRNAPolI,PolII和PolII类基因中的

非编码RNA12原核生物极少转录后加工1)原核生物mRNA缺少加帽和加尾;2)原核生物mRNA没有内含子,不存在剪接

加工;3)未发现原核生物mRNA存在编辑的例子;4)原核生物无终止密码mRNA的翻译延伸.原核生物极少转录后加工1)原核生物mRNA缺少加帽和加尾;3tm

RNA的工作机制NostopcodonmRNA的翻译.tm

RNA的工作机制Nostop4真核生物RNA的加工与修饰真核生物RNA的加工与修饰5

RNA的加功与修饰未端修饰（end-modification）加帽与加尾.真核生物和古细菌的mRNA合成时，需在5’-端加帽及3’-端加上一段Poly(A)尾巴。剪接（splicing）内含子切除,真核生物中大多数编码蛋白质的基因都有内含子，这是一段不编码的顺序，在转录时与编码顺序一道拷贝成前体RNA。前体

RNA中的内含子剪除后转为成熟的mRNA，然后翻译成蛋白质。某些古细菌的转录物也有内含子，但在真细菌中非常罕见。剪切原核生物和真核生物的rRNA和tRNA初级转录物常由多个功能单位组成，必须剪切后才能转变为成熟的分子。化学修饰所有生物的rRNA和tRNA都必须进行化学修饰，将某些化学基团加入到每个RNA分子中。编辑通过化学修饰改变mRNA的编码信息称为RNA编辑，仅在某些生物种属和细胞器基因组中存在。RNA的加功与修饰未端修饰（end-modificatio6线粒体RNA和叶绿体RNA的

加工与修饰1)不加帽2)不加尾3)有内含子,自我剪接4)广泛的编辑5)广泛的修饰线粒体RNA和叶绿体RNA的

加工与修饰1)不加帽7

mRNA加帽的功能(1)在所有转录的RNA产物中,只有POLII基因转录产物才有帽子结构,其功能是:1）阻止mRNA的降解细胞内存在许多RNA酶（RNase），它们可攻击游离的RNA分子。

RNA酶的降解从5’端起始，当在mRNA的5’

端加上m7GpppG帽子后，带有3个连接磷酸的5'帽可阻止RNase切割。2）提高翻译效率真核生物mRNA必须通过5’帽结合蛋白才能接触核糖体,起始翻译。缺少加帽的mRNA由于不能被5’帽结合蛋白识别，其翻译效率比加帽mRNA低二十倍。mRNA加帽的功能(1)在所有转录的RNA产物中,只8mRNA加帽的功能(2)3）作为进出细胞核的识别标记凡由PolII转录的RNA均在5’端加帽，包括snRNA，这是RNA分子进出细胞核的识别标记。大多数snRNA转录后在细胞核中接收

5’端单甲基m7G加帽，然后转移到细胞质与snRNP蛋白结合。在细胞质中snRNA5’帽需再修饰成为三甲基带帽结构m2，2，7G，随后重新返回细胞核参与mRNA

的剪接加工。U6snRNA由PolIII转录，在其5’端保留的三磷酸基团无帽子结构，因而不能输出细胞核。某些突变型的被输送到细胞质中的snRNA由于不能合成三甲基带帽结构，不能返回细胞核。4）提高mRNA的剪接效率

5’帽结合蛋白涉及第一个内含子剪接复合物的形成，直接影响mRNA的剪接效率。mRNA加帽的功能(2)3）作为进出细胞核的识别标记凡9加

帽

可

保

护mRNA加

帽

可

保

护mRNA10

RNA进出细胞核mRNA的帽子结构是进出细胞核的识别标记,未加帽的mRNA不能输出细胞核.核膜通道具识别其蛋白质成分 RNA进出细胞核mRNA11mRNA3’

加

尾

mRNA3’

加

尾

12mRNA加尾的作用1）提高mRNA的稳定性2）控制与提高mRNA翻译效率3）有助于mRNA前体最后一个内含子的剪切mRNA加尾的作用1）提高mRNA的稳定性13

poly

(A)有

助

于mRNA的

稳

定

U1A蛋白合成的自我调节:UIAmRMA的5’有UIA蛋白结合顺序.当UIA蛋白过剩时,UIA与前体mRNA5’结合,导致3’切割因子与AUUAAA位点结合,阻止加尾,并引起mRNA前体降解.U1A蛋白质:U1snRNPs中与U1snRNA结合的蛋白质,与mRNA剪接加工有关. poly

(A)有

助

于mRNA的

稳

定

U1A蛋白14poly（A）提

高

翻

译

效

率poly（A）提

高

翻

译

效

率15Poly(A)与翻译起始有关eIF4:eIF4E,4A,4GPoly(A)与翻译起始有关eIF4:eIF4E,4A,416Poly

(A)可

调

控

翻

译

起

始许多动物卵细胞的成熟依赖于母源mRNA的加尾.一些母源mRNA的Poly(A)尾太短,不能起始翻译.原因是加尾蛋白CPSF在Maskin的作用下不与加尾信号结合.孕激素可作用CPEB磷酸化,减弱Maskin的作用,促使CPSF与加尾信号结合,Poly(A)延伸,翻译进行.Poly

(A)可

调

控

翻

译

起

始许多动物卵细胞17mRNA前体的剪接1)mRNA前体的剪接步骤2)mRNA前体中与剪接有关的顺序3)mRNA前体剪接中的转脂反应4)snRNA在mRNA前体剪接中的作用5)SR蛋白质在mRNA前体剪接中的作用6)可变剪接7)反式剪接mRNA前体的剪接1)mRNA前体的剪接步骤18mRNA两步剪接—两次转脂事件mRNA两步剪接—两次转脂事件19

前体mRNA剪接相关顺序前体mRNA剪接相关顺序20前体mRNA剪接中的两次转脂反应前体mRNA剪接中的两次转脂反应21mRNA的

剪

接

过

程mRNA的

剪

接

过

程22snRNA在前体mRNA剪接中的作用snRNA在前体mRNA剪接中的作用23内含子的种类与分布内含子类型分布------------------------------------------------------------------------------------GUAU内含子真核生物核前体mRNAAUAC内含子真核生物核前体mRNAI型（GroupI）真核生物核前体mRNA

细胞器RNAII型（GroupII）细胞器RNA

某些原核生物RNAIII型（GroupIII）细胞器RNA

孪生内含子（Twintrons）细胞器RNA

前体tRNA内含子真核生物核前体tRNA

古细菌内含子不同RNA------------------------------------------------------------------------------------内含子的种类与分布24组群I内含子(GroupI)—核酶这是最早在单细胞原生生物的rRNA剪切加工中发现的内含子切除现象,不依赖蛋白质仅由rRNA分子自身催化的剪接反应,又称为核酶.组群I内含子(GroupI)—核酶这是最早在单25组群II内含子(GroupII)组群II内含子(GroupII)主要出现在线粒体和叶绿体mRNA前体剪接中.GroupII内含子剪接也不依赖蛋白质,主要由前体mRNA的构型提供剪接活性,也属于一类核酶.GroupII的内含子二级结构与UsnRNA的类似,因此推测后者由GroupII型进化而来,UsnRNA提供了与前者类似的空间结构.组群II内含子(GroupII)组群II内含子(Group26前体mRNA的可变剪接前体mRNA的可变剪接27果蝇的性别发育与基因调控TheX:Asignalandthecontrolofsexdetermination,sexualbehavior,anddosagecompensation.TheX:AsignaltargetstheSxlgene,controllingitsexpression.AutoregulationofSxlisestablishedonlyinembryoswhosechromosomalconstitutionis2X:2A(twoXchromosomes;twosetsofautosomes),butnotinX(Y):2A(oneXchromosome;twosetsofautosomes)embryos.TheautoregulatoryfeedbackloopregulatesSxl

expressionthroughoutdevelopmentandadultlife.Sxlcontrolstheexpressionofthetraandmsl-2genes,whoseproductsarerequiredforcontrolofsomaticsexdetermination/sexualbehavioranddosagecompensation,respectively.Thedottedlinesindicatethattheexpressionofthegeneis“off,”andthesolidlinesindicatethattheexpressionofthegeneis“on”.见:MICROBIOLOGYANDMOLECULARBIOLOGYREVIEWS,Sept.2003,p.343–359果蝇的性别发育与基因调控TheX:Asignaland28果蝇性别因子mRNA的可变剪接果蝇性别因子mRNA的可变剪接29雌果蝇SXL

阻止msl

内含子

切除

及

翻译起始果蝇X染色体补偿是通过提高雄性X染色体基因的转录水平实现的.通过msl基因产物及roXRNA等与染色体结合增强转录.雌性细胞中mslmRNA的加工及翻译均受到SXL蛋白的抑制.雌果蝇SXL

阻止msl

内含子

切除

及

翻译起始果蝇X染30mRNA前体的可变剪接扩充了基因的信息内含mRNA前体的可变剪接扩充了基因的信息内含31

神经生长导向因子mRNA的可变剪接Schmucker,D.,DrosophilaDscamisanaxonguidancereceptorexhibitingextraordinarymoleculardiversity.Cell101:671–684,2000.神经生长导向因子mRNA的可变剪接Schmucker,32(Dscam)gene的结构与进化Theexon–intronorganizationoftheDscamgenefromeachorganismisshown.Theblackexonsareconstitutivelyspliced.Thealternativeexonsintheexon4,6,9,and17clustersareshadedinred,purple,green,andblue,respectively.Thenumberofvariableexonswithineachclusterineachorganismisindicatedbeloweachcluster.Theexon10clustersinA.gambiaeandA.melliferacorrespondtotheexon9clusterintheDrosophilaspecies.Theexon14and22clustersinA.gambiaeandA.mellifera,respectively,correspondtotheexon17clustersintheDrosophilaspecies.(Dscam)gene的结构与进化Theexon–int33

果蝇DSCAMmRNA可变剪接说明果蝇的DSCAM（downsyndromecelladhesionmolecular，唐氏综合症细胞粘连分子）基因编码神经轴突导向受体（axonguidancereceptor），该分子的胞外功能域中有一段多肽由10个免疫球蛋白（immunoglobulin，Ig）重复单位组成，其中第4，6和9重复单位由可变剪接产生。DSCAM的功能涉及果蝇躯体约250000个神经元在发育过成中的迁移与连接，指令轴突应该到达的位置。DSCAM基因的外显子与内含子组成非常特别，其外显子4，6，9和17均由许多顺序相似但略有不同的亚单位组成独立的可变剪接区，分别有12，48，33和2种剪接方式。在每个成熟的mRNA中，外显子4，6，9和17都只有一个亚单位入选，全部可能的剪接方式为12×48×33×2=38016种，产生38016个不同的蛋白质（Schmucker，2000）。在已经克隆与测序的50个DSCAMcDNA中，发现49种不同的4，6和9外显子组合。目前还不知到细胞采取何种机制来挑选不同的外显子成员，也不清楚由此产生的蛋白质在功能上究竟有何种差别。果蝇DSCAMmRNA可变剪接说明果蝇的DSCAM（34果

蝇Dscam基

因

的

可

变

剪

接果

蝇Dscam基

因

的

可

变

剪

接35声波感应蛋白基因（slo）的可变剪接声波感应蛋白基因（slo）的可变剪接36真核生物可变剪接的比例Thebartotheleft(lightpurple)foreachorganismshowstheestimateofalternativesplicingbasedonallESTsandthetotalnumberofpublishedmRNAsequencesandESTsforthespecies:Homosapiens,23,161mRNAsand3.1millionESTs;47%

Musmusculus,9,682mRNAsand1.9millionESTs;Rattusnorvegicus,5,803mRNAsand263,362ESTs;Drosophilamelanogaster,2,973mRNAsand115,191ESTs;Bostaurus,1,370mRNAsand159,130ESTs;Caenorhabditiselegans,18,821mRNAsand108,115ESTs;Arabidopsisthaliana,3,084mRNAsand112,112ESTs.

真核生物可变剪接的比例37人类与小鼠直系基因可变剪接比较人类与老鼠种间同源基因的可变剪接模式基本相同,也有少数外显子的剪接表现差异.NatureGenetics,34:177-180,2003人类与小鼠直系基因可变剪接比较人类与老鼠种间同源基因的可变剪38物种间同源基因差异剪接的外显子

多为新生外显子物种间同源基因差异剪接的外显子

多为新生外显子39可变剪接的机制可变剪接的机制40mRNA可变剪接机理的研究1)有多少基因发生可变剪接?2)每个基因有多少可变剪接?3)不同的可变剪接产物是否都有功能?是否有功能趋异?4)不同可变剪接产物之间的比例是如何控制的?5)可变剪接类型是否具有组织细胞专一性?6)哪些因素控制可变剪接?7)可变剪接与表型之间的关系.8)可变剪接是否与遗传病有关?9)可变剪接究竟有什么生物学意义?mRNA可变剪接机理的研究1)有多少基因发生可变剪接?41

超长内含子如何剪接

三种超长内含子剪接模型超长内含子如何剪接42人类基因最长内含子800kb,

最短内含子10bp.人类基因最长内含子800kb,

最短内含子10bp.43果蝇基因最长内含子1)10%的人类基因和5%的果蝇基因含有＞10kb的内含子.2)果蝇的Y-linkeddynein(动力蛋白)βheavychain基因(DhDhc7)位于Y染色体的异染色质区,其内含子20长度为3500kb(3.5Mb)，相当于大肠杆菌基因组的四分之三。根据转录速率每秒钟45nt计算,

推算完成该内含子的拷贝约需22小时，它的剪过程与一般的内含子不同，可能采取滚动剪接。果蝇基因最长内含子1)10%的人类基因和5%的果蝇基因含有44长内含子的滚动剪接长内含子的滚动剪接45AU-AC内含子的剪接方式AU—AC内含子的剪接1)近年来发现真核生物中少数mRNA内含子并不归属GT-AG范畴,

而有不同的剪接位置，即AU—AC内含子。在人类，植物以及果蝇等不同生物中已发现20多个基因含有这种内含子（TarnandSteitz,1997）。2)AU—AC内含子也有特征性的分枝点即5‘UCUUAAC3’，该基序中最后的腺苷酸参与第一个转脂反应。这一点向我们指出了

AUAC内含子的显著特征：它们的剪接路线与GTAG相同，但涉及不同的剪接因子。3)只有U5snRNP参与GU-AG和AU-AC二种内含子的剪接过程。在GU-AG内含子中起作用的U1snRNP和U2snRNP在AUAC

中由U11snRNP和U12snRNP取代，另一个全新的U4atac/U6atac-snRNP随后也被发现。这二个剪接过程从不同侧面展示了剪接体中snRNP之间互作的详情。4)已经证明GUAG内含子剪接的模式同样适用于AUAC内含子。AU-AC内含子的剪接方式AU—AC内含子的剪接46转录与加工偶联

转录与加工偶联47mRNA的反式剪接mRNA的反式剪接系指由两个不同mRNA分子经剪切连接形成成熟mRNA的现象,主要出现在底等真核生物如原生生物和线虫中,它们有大量的基因以操纵子形式组成多顺反子结构.1)锥虫(非洲磕睡虫)的所有mRNA均为反式剪接.2)线虫约10-15%的编码基因为反式剪接.3)果蝇某些基因,植物线粒体基因也有反式剪接.mRNA的反式剪接mRNA的反式剪接系指由两个不同mRNA分48

锥虫mRNA前体的反式剪接锥虫mRNA前体的反式剪接49反式剪接的其它例子1)裸子植物线粒体基因的反式剪接.见PNAS94:553-556,19972)绿藻Chlamydomonasreinhardtii

叶绿体基因的反式剪接.见:PlantJournal15:575,1998,3)大鼠(rat)肝细胞中存在前体mRNA的反式剪接.见PNAS95:12185-12190,19984)果蝇mod(mdg4)

基因存在反式剪接.见Genetics160:1481-1487,2002反式剪接的其它例子1)裸子植物线粒体基因的反式剪接.50反式剪接策略可用于基因治疗Pptm+Sp表达载体可用于反向剪接产生细胞毒素蛋白mRNA,杀死癌细胞.反式剪接策略可用于基因治疗Pptm+Sp表达51人类肝脏细胞细胞色素P450A基因的反式剪接—TheJournalofBiologicalChemistry,277:5882-5890,2002在CYP3A4基因的转录产物有三种mRNA,它们的5’端均含有CYP3A43基因的外显子1.因为CYP3A43位于CYP3A4基因邻侧,转录方向相反,因此推测CYP3A4的三种mRNA系由反式剪接产生.人类肝脏细胞细胞色素P450A基因的反式剪接—TheJou52真核生物rRNA的剪切依赖snRNA

(U3,U8)的参与真核生物rRNA的剪切依赖snRNA

(U3,U8)的参与53

真核生物tRNA内含子采取相同机制剪接真核生物tRNA前体的内含子相对较短，并且在成熟tRNA中所处位置相同，均位于反密码子环内，但缺少共同的基序。tRNA内含子的剪接不涉及转脂反应。2个剪接位点由tRNA内切核酸酶（endonuclase）产生，位于上游外显子3’末端的3’-磷酸基团与其2’-羟基环化，下游外显子5’端留下一个游离的羟基基团。这2个末端因tRNA分子自然形成的碱基配对构型而相互接近，然后由RNA连接酶使两个末端形成3'-5'磷酸脂键。真核生物tRNA内含子采取相同机制剪接真核生物tRNA前体54真核生物tRNA的剪接由tRNA内切

核酸酶与RNA连接酶负责tRNA的内含子是在形成三叶草构型之后剪除的.真核生物tRNA的剪接由tRNA内切

核酸酶与RNA连接酶负55rRNA的化学修饰rRNA有二种修饰方式：

1）将甲基基团加到核苷酸糖基的2’OH位，这是主要的修饰类型；人类前体rRNA有106处甲基化.

2）使尿苷酸转变为假尿苷酸,人类rRNA有95处假尿嘧啶修饰.

细胞中所有rRNA均在相同的位置发生相同的修饰。这种修饰在不同种属间具有某种程度相似性，如细菌和真核生物中修饰的模式大体一致，但真核生物的修饰更加广泛。目前还不了解前体rRNA化学修饰的全部意义，但大多数rRNA中出现的化学修饰被认为对其在核糖体中的活性极为重要。例如，修饰的核苷酸可能涉及rRNA催化多肽键的反应。rRNA的化学修饰rRNA有二种修饰方式：56rRNA核苷酸假尿嘧啶修饰rRNA核苷酸假尿嘧啶修饰57rRNA核苷酸的甲基化修饰rRNA核苷酸的甲基化修饰58

snoRNA负责rRNA分子的修饰真核生物snoRNA在RNA修饰过程中扮演了关键角色。snoRNA长度在70~100个核苷酸之间，主要位于核仁区。这里既是rRNA合成的场所，也是其加工的场所。1)C/D盒snoRNA负责2’-O-核糖甲基化

snoRNA中有一段称为D盒（Dbox）的顺序，它们总是位于互补区段下游5个碱基的位置处，与之配对的rRNA核苷酸将被修饰。这些snoRNA组成了C/D盒家族，负责2’-O-核糖甲基化。D盒是甲基化修饰酶识别的信号。2）H/ACA盒snoRNA负责假尿嘧啶修饰在发现C/D盒snoRNA之后，又找到另一个H/ACAsnoRNA家族，它们的作用是引导修饰酶将rRNA尿苷酸转变为假尿苷酸。这些snoRNA虽然没有D盒，但仍有保守的基序可与rRNA靶位形成碱基配对，并含有修饰酶识别的信号。snoRNA负责rRNA分子的修饰真核生物snoRNA在R59snoRNA保守的D/C盒与H/ACA盒snoRNA保守的D/C盒与H/ACA盒60snoRNA的结构snoRNA的结构61大多数snoRNA由内含子编码大多数snoRNA由内含子编码62

人类基因组中大多数snoRNA由内含子编码1）rRNA前体每个被修饰的位点都有一个对应的不同的

snoRNA。根据修饰的位点推测，每个细胞必需有数百个不同的snoRNA。2）目前仅有极少数snoRNA基因被定位，估计只有少数

snoRNA分子是从标准的基因转录的，大部分成员可能来自基因的内含子，经剪接后再释放出来。如U14-U24（除U22外）和U32-U40基因位于蛋白质编码基因的内含子中，而U22和U25-U31则位于一个编码RNA分子的基因内，其产物也经RNA剪接释放snoURNA。人类基因组中大多数snoRNA由内含子编码1）rRNA前体63tRNA与细菌rRNA的修饰1)原核生物和真核生物tRNA的修饰均由酶催化

2)细菌rRNA的修饰由酶催化以上的修饰不涉及其它RNA分子tRNA与细菌rRNA的修饰1)原核生物和真核生物t64mRNA编辑的类型1)碱基修饰,如将CAA转变为UAA.2)泛编辑(pan-editing),在guideRNA指导下在mRNA分子内插入若干U.3)插入编辑,在mRNA合成时插入碱基,改变读框.4)多聚A编辑,在mtmRNA尾部加上一连串A,产生终止密码.mRNA编辑的类型1)碱基修饰,如将CAA转变为UAA65

mRNA碱基更换编辑mRNA碱基更换编辑66

线粒体COXIIImRNA的编辑

泛编辑（panediting）：插入U锥虫mtmRNA可通过不同的gRNA进行可变编辑.线粒体COXIIImRNA的编辑泛编辑（pan67

脱脂蛋白apo-BmRNA的编辑脱脂蛋白apo-BmRNA的编辑68

腺嘌呤脱氨基腺嘌呤脱氨基69果蝇paramRNA的编辑(a→g)腺嘌呤脱氨基生成次黄嘌呤,后者的化学特性类似鸟嘌呤.果蝇paramRNA的编辑(a→g)腺嘌呤脱氨基生成次黄嘌70果蝇paramRNA加工与修饰后的类型1）果蝇paramRNA有1536种可变剪接；2）paramRNA有11种RNA的编辑方式；3）理论上paramRNA可产生1032192种顺序不同的mRNA。果蝇paramRNA加工与修饰后的类型1）果蝇param71哺乳动物GluRmRNA的编辑

1）哺乳动物神经系统glutamatereceptorsubunitgene（GluR）基因为神经细胞跨膜蛋白，对神经传递分子谷氨酸作出响应，在记忆与学习中起重要作用.GluR可开通离子通道，启动神经脉冲。

2）GluRmRNA在转录后可由ADAR（adenosinedeaminaseedtingonRNA）编辑，将A转变为I

（inosine，次黄嘌呤）。哺乳动物GluRmRNA的编辑1）哺乳动物神经系统glu72人类线粒体mRNA的编辑1）人类线粒体有13个mRNA,其中5个mRNA均以U或UA尾,无终止密码；2）通过编辑可将U或UA转变为UAAAA--，产生终止密码UAA。人类线粒体mRNA的编辑1）人类线粒体73植物叶绿体与线粒体mRNA的编辑1）叶绿体基因总数约150左右，烟草叶绿体基因

mRNA的编辑位点数约30个；2）高等植物线粒体基因总数在60-90之间；烟草线粒体基因mRNA的编辑位点超过400；3）细胞器基因大多数的编辑为C→U；4）叶绿体mRNA的编辑信号为-22nt-C-16nt-：

-CUUAAUCCGAAUUAUAGAGCUACGACACAAUC-植物叶绿体与线粒体mRNA的编辑1）叶绿体基因总数约150左74

叶绿体mRNA编辑机制叶绿体mRNA编辑机制75

核酸开关(riboswi-tch)见:Science306:233-234,2004.Nature428:281-286,2004.已报道枯草杆菌中约20%的基因具有riboswitch调控机制.GenomeResearch,

6:315,2005核酸开关(riboswi-tch)见:Science76mRNA的定位机制1)mRNA的局限合成2)mRNA的局限保护性降解3)mRNA的扩散:随细胞骨架的组装极性分布4)区域锚定:主动运输,依赖顺式元件和反式因子转移到工作场所.如神经细胞轴突生长与花粉管的伸长.mRNA的定位机制1)mRNA的局限合成77老鼠神经成纤维细胞β-actin

mRNA的定位过程ZBP1(Zip-codebindingprotein1)蛋白控制β-actinmRNA转运及其翻译的工作模型.ZBP1在细胞核中与β-actinmRNA结合,输出细胞核后立既与40S核糖体亚基结合,并通过MP蛋白装载到细胞骨架运输线上.在到达指定位置(突出生长边缘),然后在Src激酶作用下ZBP1与mRNA脱离,释放的mRNA和40S亚基再与60S亚基结合起始翻译.见:Nature438:512-515,2005老鼠神经成纤维细胞β-actin

mRNA的定位过程ZBP78mRNA的降解1)mRNA的降解是基因表达调控的重要内容之一,mRNA的降解涉及正常mRNA和异常mRNA。2)真核细胞中有一定比例的异常mRNA，它们具有前移的终止密码，可产生残缺蛋。如人类细胞平均约20%的mRNA编码残缺蛋白质.有的

mRNA具有无终止密码的3’-非翻译区,影响核糖体的利用效率.。3)细胞必需将不再需要的mRNA和异常的mRNA

及时清除，以保证细胞正常的功能。4)真核细胞有多种mRNA降解机制，针对不同的mRNA。mRNA的降解1)mRNA的降解是基因表达调控的重要内容之79细胞内异常mRNA的降解细胞内异常mRNA的降解80降解mRNA的类型从编码功能可将mRNA划分为正常mRNA和非正常mRNA:

正常mRNA:

具有正常编码顺序,但细胞内已经不再需要的mRNA.不同mRNA的半衰期有很大差别,从数分钟到几十分钟.

非正常mRNA:1.无终止密码mRNA;2.密码子前移的mRNA,编码残缺蛋白质.非正常mRNA主要来源于:1)发生点突变的假基因;2)mRNA加工过程中发生差错产生的mRNA,如缺少poly(A)的mRNA;3)可变剪接产生的非正常mRNA.降解mRNA的类型从编码功能可将mRNA划分为正常mRNA和81mRNA降解的4条路线1)依赖于3’-poly(A)脱腺苷酸和5’-脱帽的5’→3’降解路线,真核生物正常mRNA和部分非真常mRNA的降解采取这一路线,是主要的mRNA降解路线.2)依赖于3’-poly(A)脱腺苷酸和3’→5’降解路线,

采用exosome降解mRNA.3)内切核酸酶降解路线.4)独立于3’-poly(A)脱腺苷酸直接5’-脱帽的5’→3’降解路线,或称质量监控路线.mRNA降解的4条路线1)依赖于3’-poly(A)脱82mRNA降解的四条路线见:

Annu.Rev.Biochem.73:861-890,2004.mRNA降解的四条路线见:Annu.Rev.Bioch83影响mRNA5’-脱帽的因素影响mRNA半衰期的顺式因子位于mRNA的5’-UTR区、编码区和3’-UTR区，这些成分依其功能可分为稳定成分和非稳定成分。影响mRNA5’-脱帽的因素影响mRNA半衰期的顺式因子位84MIE和PGK1的功能MIE：mRNA不稳定成分，顺式作用1）酵母Mat1a（MatinghormoneA-factor2precursor，或Mat1a，结合激素A因子前体）mRNA是一种极不稳定的mRNA，在其编码区有一段65nt的顺序是加速mRNA降解必需的成分，称之为MIE（Mat1instableelement）。Mat1amRNA5’UTR区35nt内含有一些罕见的密码子，其32nt碱基可激发mRNA的降解。

Mat1amRNA

的加速降解在翻译时发生的，Mat1amRNA在翻译时核糖体停留在某些顺序位置，由此引发mRNA的降解。（TheEMBOJournal18：3139-5152，1999）。P-STE：mRNA稳定成分，顺式作用2）酵母PGK1（Phosphoglyceratekinase,磷酸甘氨酸激酶）mRNA是一个稳定性很强的mRNA。通过缺失突变发现，PGK1的稳定成分（PGK1stabilizerelement，P-STE）位于近3’-UTR区，长约64nt，可阻止poly（A）的降解及随后的5’-脱帽事件，其它一些“长命”

mRNA中也找到P-STE同源的序列。MIE和PGK1的功能MIE：mRNA不稳定成分，顺式作用85不稳定成分决定mRNA的半衰期不稳定成分决定mRNA的半衰期86终止密码前移mRNA快速降解的实验终止密码前移mRNA快速降解的实验87终止密码前移的mRNA

识别与降解机制MammalianmRNAsgenerallyhaveanaverageof7–8splicing-generatedexonexonjunctions.Aprematureterminationcodon(PTC)thatislocatedintheregionindicatedinblue,whichisfollowedbyanexon–exonjunctionmorethan50–55nucleotides(nt)downstream,elicitsnonsense-mediatedmRNAdecay(NMD),whereasaPTCthatislocatedintheregionindicatedingreenfailstoelicitNMD.Thenormalterminationcodon(Ter)usuallyresideswithinthe3'-mostexon3.1)绝大多数基因的终止密码位于最后一个外显子.2)在pre-mRNA的剪接过程中,剪接装置可在最后一个外显子之前的外显子中发现终止密码,并启动质量监测机制降解终止密码前移的mRNA.NatureReviewsMolecularCellBiology5,89-99(2004)终止密码前移的mRNA

识别与降解机制Mammalianm88mRNA在细胞质的P-小体内降解mRNA在细胞质的P-小体内降解89P-小体位于细胞质内的特定空间P-小体位于细胞质内的特定空间90思考题1)有哪些转录后加工与修饰的方式?2)mRNA加帽的功能.3)Poly(A)序列如何影响翻译起始?4)真核生物Poly(A)加尾信号与转录终止信号是否相同?5)简述mRNA前体剪接过程中发生的两次转脂事件6)什么是可变剪接?可变剪接的生物学意义?7)哪些突变会影响mRNA前体剪接方式的改变?8)内含子与外显子在组成上有何特点?9)是否所有RNA内含子的剪切均需蛋白质参与?举例说明.10)什么是反式剪接?简述反式剪接的过程.11)什么是RNA编辑?RNA编辑与RNA修饰有何不同?12)线粒体和叶绿体mRNA前体的加工有哪些特点.13)有哪些mRNA降解路线?思考题1)有哪些转录后加工与修饰的方式?91细胞中RNA的组成细胞中RNA的组成92PolI,PolII和PolII类基因中的

非编码RNA1)PolI:rRNA,28SRNA,5.8SRNA,18SRNA2)PolII:URNA,miRNA,siRNA3)PolIII:5SRNA,tRNA,7SLRNAPolI,PolII和PolII类基因中的

非编码RNA193原核生物极少转录后加工1)原核生物mRNA缺少加帽和加尾;2)原核生物mRNA没有内含子,不存在剪接

加工;3)未发现原核生物mRNA存在编辑的例子;4)原核生物无终止密码mRNA的翻译延伸.原核生物极少转录后加工1)原核生物mRNA缺少加帽和加尾;94tm

RNA的工作机制NostopcodonmRNA的翻译.tm

RNA的工作机制Nostop95真核生物RNA的加工与修饰真核生物RNA的加工与修饰96

RNA的加功与修饰未端修饰（end-modification）加帽与加尾.真核生物和古细菌的mRNA合成时，需在5’-端加帽及3’-端加上一段Poly(A)尾巴。剪接（splicing）内含子切除,真核生物中大多数编码蛋白质的基因都有内含子，这是一段不编码的顺序，在转录时与编码顺序一道拷贝成前体RNA。前体

RNA中的内含子剪除后转为成熟的mRNA，然后翻译成蛋白质。某些古细菌的转录物也有内含子，但在真细菌中非常罕见。剪切原核生物和真核生物的rRNA和tRNA初级转录物常由多个功能单位组成，必须剪切后才能转变为成熟的分子。化学修饰所有生物的rRNA和tRNA都必须进行化学修饰，将某些化学基团加入到每个RNA分子中。编辑通过化学修饰改变mRNA的编码信息称为RNA编辑，仅在某些生物种属和细胞器基因组中存在。RNA的加功与修饰未端修饰（end-modificatio97线粒体RNA和叶绿体RNA的

加工与修饰1)不加帽2)不加尾3)有内含子,自我剪接4)广泛的编辑5)广泛的修饰线粒体RNA和叶绿体RNA的

加工与修饰1)不加帽98

mRNA加帽的功能(1)在所有转录的RNA产物中,只有POLII基因转录产物才有帽子结构,其功能是:1）阻止mRNA的降解细胞内存在许多RNA酶（RNase），它们可攻击游离的RNA分子。

RNA酶的降解从5’端起始，当在mRNA的5’

端加上m7GpppG帽子后，带有3个连接磷酸的5'帽可阻止RNase切割。2）提高翻译效率真核生物mRNA必须通过5’帽结合蛋白才能接触核糖体,起始翻译。缺少加帽的mRNA由于不能被5’帽结合蛋白识别，其翻译效率比加帽mRNA低二十倍。mRNA加帽的功能(1)在所有转录的RNA产物中,只99mRNA加帽的功能(2)3）作为进出细胞核的识别标记凡由PolII转录的RNA均在5’端加帽，包括snRNA，这是RNA分子进出细胞核的识别标记。大多数snRNA转录后在细胞核中接收

5’端单甲基m7G加帽，然后转移到细胞质与snRNP蛋白结合。在细胞质中snRNA5’帽需再修饰成为三甲基带帽结构m2，2，7G，随后重新返回细胞核参与mRNA

的剪接加工。U6snRNA由PolIII转录，在其5’端保留的三磷酸基团无帽子结构，因而不能输出细胞核。某些突变型的被输送到细胞质中的snRNA由于不能合成三甲基带帽结构，不能返回细胞核。4）提高mRNA的剪接效率

5’帽结合蛋白涉及第一个内含子剪接复合物的形成，直接影响mRNA的剪接效率。mRNA加帽的功能(2)3）作为进出细胞核的识别标记凡100加

帽

可

保

护mRNA加

帽

可

保

护mRNA101

RNA进出细胞核mRNA的帽子结构是进出细胞核的识别标记,未加帽的mRNA不能输出细胞核.核膜通道具识别其蛋白质成分 RNA进出细胞核mRNA102mRNA3’

加

尾

mRNA3’

加

尾

103mRNA加尾的作用1）提高mRNA的稳定性2）控制与提高mRNA翻译效率3）有助于mRNA前体最后一个内含子的剪切mRNA加尾的作用1）提高mRNA的稳定性104

poly

(A)有

助

于mRNA的

稳

定

U1A蛋白合成的自我调节:UIAmRMA的5’有UIA蛋白结合顺序.当UIA蛋白过剩时,UIA与前体mRNA5’结合,导致3’切割因子与AUUAAA位点结合,阻止加尾,并引起mRNA前体降解.U1A蛋白质:U1snRNPs中与U1snRNA结合的蛋白质,与mRNA剪接加工有关. poly

(A)有

助

于mRNA的

稳

定

U1A蛋白105poly（A）提

高

翻

译

效

率poly（A）提

高

翻

译

效

率106Poly(A)与翻译起始有关eIF4:eIF4E,4A,4GPoly(A)与翻译起始有关eIF4:eIF4E,4A,4107Poly

(A)可

调

控

翻

译

起

始许多动物卵细胞的成熟依赖于母源mRNA的加尾.一些母源mRNA的Poly(A)尾太短,不能起始翻译.原因是加尾蛋白CPSF在Maskin的作用下不与加尾信号结合.孕激素可作用CPEB磷酸化,减弱Maskin的作用,促使CPSF与加尾信号结合,Poly(A)延伸,翻译进行.Poly

(A)可

调

控

翻

译

起

始许多动物卵细胞108mRNA前体的剪接1)mRNA前体的剪接步骤2)mRNA前体中与剪接有关的顺序3)mRNA前体剪接中的转脂反应4)snRNA在mRNA前体剪接中的作用5)SR蛋白质在mRNA前体剪接中的作用6)可变剪接7)反式剪接mRNA前体的剪接1)mRNA前体的剪接步骤109mRNA两步剪接—两次转脂事件mRNA两步剪接—两次转脂事件110

前体mRNA剪接相关顺序前体mRNA剪接相关顺序111前体mRNA剪接中的两次转脂反应前体mRNA剪接中的两次转脂反应112mRNA的

剪

接

过

程mRNA的

剪

接

过

程113snRNA在前体mRNA剪接中的作用snRNA在前体mRNA剪接中的作用114内含子的种类与分布内含子类型分布------------------------------------------------------------------------------------GUAU内含子真核生物核前体mRNAAUAC内含子真核生物核前体mRNAI型（GroupI）真核生物核前体mRNA

细胞器RNAII型（GroupII）细胞器RNA

某些原核生物RNAIII型（GroupIII）细胞器RNA

孪生内含子（Twintrons）细胞器RNA

前体tRNA内含子真核生物核前体tRNA

古细菌内含子不同RNA------------------------------------------------------------------------------------内含子的种类与分布115组群I内含子(GroupI)—核酶这是最早在单细胞原生生物的rRNA剪切加工中发现的内含子切除现象,不依赖蛋白质仅由rRNA分子自身催化的剪接反应,又称为核酶.组群I内含子(GroupI)—核酶这是最早在单116组群II内含子(GroupII)组群II内含子(GroupII)主要出现在线粒体和叶绿体mRNA前体剪接中.GroupII内含子剪接也不依赖蛋白质,主要由前体mRNA的构型提供剪接活性,也属于一类核酶.GroupII的内含子二级结构与UsnRNA的类似,因此推测后者由GroupII型进化而来,UsnRNA提供了与前者类似的空间结构.组群II内含子(GroupII)组群II内含子(Group117前体mRNA的可变剪接前体mRNA的可变剪接118果蝇的性别发育与基因调控TheX:Asignalandthecontrolofsexdetermination,sexualbehavior,anddosagecompensation.TheX:AsignaltargetstheSxlgene,controllingitsexpression.AutoregulationofSxlisestablishedonlyinembryoswhosechromosomalconstitutionis2X:2A(twoXchromosomes;twosetsofautosomes),butnotinX(Y):2A(oneXchromosome;twosetsofautosomes)embryos.TheautoregulatoryfeedbackloopregulatesSxl

expressionthroughoutdevelopmentandadultlife.Sxlcontrolstheexpressionofthetraandmsl-2genes,whoseproductsarerequiredforcontrolofsomaticsexdetermination/sexualbehavioranddosagecompensation,respectively.Thedottedlinesindicatethattheexpressionofthegeneis“off,”andthesolidlinesindicatethattheexpressionofthegeneis“on”.见:MICROBIOLOGYANDMOLECULARBIOLOGYREVIEWS,Sept.2003,p.343–359果蝇的性别发育与基因调控TheX:Asignaland119果蝇性别因子mRNA的可变剪接果蝇性别因子mRNA的可变剪接120雌果蝇SXL

阻止msl

内含子

切除

及

翻译起始果蝇X染色体补偿是通过提高雄性X染色体基因的转录水平实现的.通过msl基因产物及roXRNA等与染色体结合增强转录.雌性细胞中mslmRNA的加工及翻译均受到SXL蛋白的抑制.雌果蝇SXL

阻止msl

内含子

切除

及

翻译起始果蝇X染121mRNA前体的可变剪接扩充了基因的信息内含mRNA前体的可变剪接扩充了基因的信息内含122

神经生长导向因子mRNA的可变剪接Schmucker,D.,DrosophilaDscamisanaxonguidancereceptorexhibitingextraordinarymoleculardiversity.Cell101:671–684,2000.神经生长导向因子mRNA的可变剪接Schmucker,123(Dscam)gene的结构与进化Theexon–intronorganizationoftheDscamgenefromeachorganismisshown.Theblackexonsareconstitutivelyspliced.Thealternativeexonsintheexon4,6,9,and17clustersareshadedinred,purple,green,andblue,respectively.Thenumberofvariableexonswithineachclusterineachorganismisindicatedbeloweachcluster.Theexon10clustersinA.gambiaeandA.melliferacorrespondtotheexon9clusterintheDrosophilaspecies.Theexon14and22clustersinA.gambiaeandA.mellifera,respectively,correspondtotheexon17clustersintheDrosophilaspecies.(Dscam)gene的结构与进化Theexon–int124

果蝇DSCAMmRNA可变剪接说明果蝇的DSCAM（downsyndromecelladhesionmolecular，唐氏综合症细胞粘连分子）基因编码神经轴突导向受体（axonguidancereceptor），该分子的胞外功能域中有一段多肽由10个免疫球蛋白（immunoglobulin，Ig）重复单位组成，其中第4，6和9重复单位由可变剪接产生。DSCAM的功能涉及果蝇躯体约250000个神经元在发育过成中的迁移与连接，指令轴突应该到达的位置。DSCAM基因的外显子与内含子组成非常特别，其外显子4，6，9和17均由许多顺序相似但略有不同的亚单位组成独立的可变剪接区，分别有12，48，33和2种剪接方式。在每个成熟的mRNA中，外显子4，6，9和17都只有一个亚单位入选，全部可能的剪接方式为12×48×33×2=38016种，产生38016个不同的蛋白质（Schmucker，2000）。在已经克隆与测序的50个DSCAMcDNA中，发现49种不同的4，6和9外显子组合。目前还不知到细胞采取何种机制来挑选不同的外显子成员，也不清楚由此产生的蛋白质在功能上究竟有何种差别。果蝇DSCAMmRNA可变剪接说明果蝇的DSCAM（125果

蝇Dscam基

因

的

可

变

剪

接果

蝇Dscam基

因

的

可

变

剪

接126声波感应蛋白基因（slo）的可变剪接声波感应蛋白基因（slo）的可变剪接127真核生物可变剪接的比例Thebartotheleft(lightpurple)foreachorganismshowstheestimateofalternativesplicingbasedonallESTsandthetotalnumberofpublishedmRNAsequencesandESTsforthespecies:Homosapiens,23,161mRNAsand3.1millionESTs;47%

Musmusculus,9,682mRNAsand1.9millionESTs;Rattusnorvegicus,5,803mRNAsand263,362ESTs;Drosophilamelanogaster,2,973mRNAsand115,191ESTs;Bostaurus,1,370mRNAsand159,130ESTs;Caenorhabditiselegans,18,821mRNAsand108,115ESTs;Arabidopsisthaliana,3,084mRNAsand112,112ESTs.

真核生物可变剪接的比例128人类与小鼠直系基因可变剪接比较人类与老鼠种间同源基因的可变剪接模式基本相同,也有少数外显子的剪接表现差异.NatureGenetics,34:177-180,2003人类与小鼠直系基因可变剪接比较人类与老鼠种间同源基因的可变剪129物种间同源基因差异剪接的外显子

多为新生外显子物种间同源基因差异剪接的外显子

多为新生外显子130可变剪接的机制可变剪接的机制131mRNA可变剪接机理的研究1)有多少基因发生可变剪接?2)每个基因有多少可变剪接?3)不同的可变剪接产物是否都有功能?是否有功能趋异?4)不同可变剪接产物之间的比例是如何控制的