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1、1,原核生物RNA的转录后加工 Post-transcriptional processing in prokaryotes 真核生物RNA的转录后加工 Post-transcriptional processing in Eukaryotes RNA的剪接、编辑和再编码 RNA Splicing,Editing and Recoding,第9章 RNA转录后的剪切与加工 Section 9 RNA Post-transcriptional processing,2,3,大多数新生RNA分子必须经过多种修饰才成为成熟的产物，RNA加工是对初生转录物进行修饰的总称，主要方式有： （1）核苷酸的切
2、除 （2）初生RNA转录物或剪切产物的两端（3端和5端）添加核苷酸 （3）对某些特殊的核苷酸碱基或糖苷进行修饰。,RNA 的加工方式 Types of RNA processing,4,原核生物的 rRNA 加工 rRNA processing in prokaryotes,原核生物RNA的转录后加工 Post-transcriptional processing in prokaryotes,原核生物的tRNA的前体加工 pre-tRNA processing in prokaryotes,原核生物的mRNA前体加工 pre-mRNA processing in prokaryotes,5,
3、大肠杆菌共有7个转录单位分散在基因组中。每个转录单位由16S rRNA，23S rRNA和 5S rRNA以及1-4个tRNA基因组成。 初生转录物的沉降系数为30S，约含6500nt， 5端为pppA。,原核生物的 rRNA 加工 rRNA processing in prokaryotes,6,（1）初转录产物通过内部互补序列间的碱基配对折叠形成一些茎环结构（图），这些茎环结构有助于与一些蛋白质结合形成核糖核蛋白复合体（RNP，ribonucleoprotein）；,rRNA转录后的加工步骤,7,（2）结合之后进行甲基化修饰，并由RNaseIII进行剪切，释放出16S rRNA，23S r
4、RNA和 5S rRNA 前体分子；,8,（3）在RNA酶M5、M16、M23的作用下，分别对前体rRNA分子的5端和3端进行进一步的剪切，之后释放出成熟的RNA分子。,9,10,11,tRNA的一级结构：单股RNA，73-93nt核苷酸； tRNA的二级结构：为三叶草结构,而且很保守 (1)3端含CCA-OH序列 ；(2)TC环(TCloop)；(3)额外环或可变环(extro variable loop)；(4)反密码子环(anticodon loop)； (5)二氢尿嘧啶环(dihydr-Uloop或D-loop),原核生物的tRNA的前体加工 pre-tRNA processing i
5、n prokaryotes,12,原核生物的tRNA基因的转录单元大多数是多基因的。不但同一种tRNA的几个基因拷贝可以转录在一条RNA中,而且不同的tRNA也可以转录在一条RNA中。还有的tRNA与rRNA组成转录单元。,13,原核生物研究最为透切的是tRNATyr,它是携带Tyr(酪氨酸)的tRNA,识别密码子GAU。,举例：大肠杆菌tRNATyr的加工过程,14,首先，转录物前体经过折叠形成特征茎环结构,15,(1) RNase F内切酶在3端切除侧翼序列。于是3端 就留下一个额外的9个核苷酸； （2）RNase D外切酶从3端切下7个核苷酸； （3） RNase P内切酶切去5端的前导
6、序列，产成熟的5端； （4） RNase D外切酶继续切去3端剩余的2个核苷酸，产生成 熟的3端CCAOH; （5）tRNA再经过一系列的碱基修饰，形成成熟的tRNA分子。,加工步骤,16,原核生物的mRNA前体加工 pre-mRNA processing in prokaryotes,原核生物中mRNA转录物根本不需要加工或很少需要加工。因为原核生物的核糖体在mRNA分子的合成未完成前就开始翻译。 一些内部顺反子的3端和5端形成茎环结构以保护自身免受外切酶的降解。 少数多顺反子mRNA需通过内切核酸酶切成较小的单位后才进行翻译。如：核糖体大亚基蛋白,17,真核生物的转录后加工 Post-tr
7、anscriptional processing in Eukaryotes,真核生物的 rRNA 加工rRNA processing in Eukaryotes 真核生物的tRNA加工 tRNA processing in Eukaryotes 真核生物的mRNA加工 mRNA processing in Eukaryotes,18,总RNA电泳图,19,真核生物 rRNA前体的加工,真核生物有四种rRNA ,即5.8S rRNA,18S rRNA,28S rRNA及5S rRNA。 5.8S rRNA,18S rRNA,28S rRNA由45S的前体rRNA剪切而来。 5S rRNA由RN
8、A Pol III 转录，只需简单加工或不需加工。 不同的生物其前体的大小是特定的，如酵母为7000nt，哺乳动物为35000nt。 近年来人们发现,哺乳动物的rRNA的最原始转录物并不是45S,而是47S。由于3端部分很快进行转录后处理,5也除掉一小部分而变为45S。还可能存在一种46S的中间体。,20,21,22,加工步骤： （1）rRNA基因转录产生47S前rRNA初生转录物 （2）切除掉外部转录间隔区（ETSs，external transcribed spacers), 形成45S前rRNA （3） 再切去内部转录间隔区（ITSs, internal transcribed spac
9、ers)，形成41S前rRNA （4）释放出32S和20S的前RNA （5）进一步修剪，形成成熟的rRNA，包含了5.8S rRNA,18S rRNA,28S rRNA,23,Mammalian pre-rRNA processing,24,真核生物的tRNA加工 tRNA processing in Eukaryotes,以真核生物酵母菌tRNATyr的加工为例 tRNATyr的前体5端有16nt的前导区，3端有2个额外的核苷酸，有一个14nt的内含子（右图） 初转录物前体形成特征茎环结构,25,酵母菌tRNATyr的加工过程： （1）内切酶识别茎环结构切去5端前导区和3端额外的 2个核苷酸
10、。 （2）在tRNA核苷转移酶的作用下在3端加上5-CCA-3成为成熟的3端。 （3）tRNA内切酶切除了内含子，并由连接酶把缺口连接，之后成为成熟的tRNA,26,真核生物tRNA的内含子剪切,27,真核生物的Pol II转录的基因很多、大小不一，从60-300nt（snRNA）到长度超过100kb的。 Pol II的初转录产物称为核内不均一RNA（hnRNA, heterogeneous nuclear RNA).那些即将被加工的转录物称为前mRNA（pre-mRNAs)。 真核生物前mRNA的加工过程包括5端加帽、3端剪切及加PolyA尾、剪接和甲基化加工，最后形成成熟的mRNA。,真核
11、生物的mRNA加工 mRNA processing in Eukaryotes,28,5端加帽 5 capping,在mRNA转录链长度超过20-30nt之前，其5端经化学修饰被加上7-甲基鸟苷残基，这种5端的修饰称为帽子结构。图 连接方式是5-5连接，与正常的3-5连接方式不同，是由mRNA鸟苷转移酶催化这一添加核苷酸反应。,29,帽子结构,7-甲基鸟苷,鸟苷转移酶,5,3,5,30,帽子结构的功能： 1）帽子结构为核糖体对于mRNA的识别提供了信号 ； 2）帽子结构增加mRNA的稳定性,保护mRNA免遭5外切核酸酶的攻击； 3）同时有利于mRNA及其前体的其他反应如剪接、转运和翻译。,31
12、,32,3端剪切及加尾 3cleavage and polyadenylation,大部分成熟mRNA具有3多聚A尾巴，它是经过剪切后再加上一串A残基而成，通常叫做poly A尾巴。这个特征可用于纯化mRNA。 特定序列元件：1）5-AAUAAA-3 聚腺苷酸信号序列，2）在其后1120nt处紧随着一个“ 5-YA-3 ”结构，3）在其下游方向的GUGUGUG 。这些序列共同决定了聚腺苷酸化位点(polyadenylation site)。,33,剪切与加尾过程： 1）特定蛋白因子识别序列元件并与mRNA结合，形成复合体后即开始剪切。 2）聚腺苷酸聚合酶（PAP）在剪切后的3端加上多至250个
13、的A残基。,34,poly A尾巴的功能： 1）稳定mRNA分子，抵抗3-端外切酶攻击的作用。 2）有助于细胞质中成熟mRNA的翻译。,35,作业：请填写下表的真核生物RNA,36,RNA的剪接、编辑和再编码 RNA Splicing,Editing and Recoding,RNA的剪接 （拼接）RNA Splicing RNA的编辑 RNA Editing,37,RNA的剪接有4种方式： 1）I型自我剪接 2）II型自我剪接 3）核mRNA剪接体剪接 4）核内tRNA前体的酶促剪接,剪接：切除基因内的内含子后将外显子连接在一起的过程称为剪接。,RNA的剪接 RNA Splicing,依靠自
14、身的核酶把内含子切除,38,3) 核mRNA剪接体剪接 剪接体（spliceosome)：mRNA前体在剪接过程中组装形成的多组分复合物，主要由snRNA和蛋白质组成。是一种具有催化剪接反应的核糖核蛋白复合体。,剪切的特殊序列：,剪接方式：,39,（1）剪切过程：二步反应（two-step reaction),branchpoint,A,40,（2）剪切过程由U1、U2、 U4、U5和U6 snRNP催化 1）U1与5端剪切位点GU 结合； 2）U2与分支位点A结合，随后U4、U5、U6形成复合体，使得内含子形成环状结构，外显子的3端与5端相互靠近； 3）mRNA与snRNP的复合体被称为剪接
15、体。,41,（3）核内tRNA前体的酶促剪接,真核生物tRNA的内含子剪切,第1步：由内切酶断裂磷酸二酯键，切去内含子，不需 要ATP； 第2步：连接酶连接，需要ATP。,42,可变mRNA加工 Alternative mRNA processing,可变加工 Alternative processing 可变poly(A)位点 Alternative poly(A) sites 可变剪接 Alternative splicing（选择性剪接）,43,可变加工 Alternative processing,可变加工是指一个特定的前mRNA通过使用不同的poly (A)位点或不同的剪接方式产生出
16、一种以上的成熟的mRNA. 可变加工的类型有:可变剪接和可变poly (A)加工,44,2. 可变poly(A)位点 Alternative poly(A) sites,有3种情况： （1）一些前mRNA含有多组的Poly(A)位点，细胞或生物只使用其中的一组，因而在不同的时间里同一个基因可产生出具有相同编码区，不同稳定性或定位的成熟的mRNA。 （2）同一细胞中两个位点以一定频率被利用，结果该细胞会同时含有两种mRNA。 （3）一种细胞可能只利用一个Poly（A）位点，而不同细胞利用另一Poly（A）位点。,45,3. 可变剪接 Alternative splicing,可变剪接是指从一个特
17、定的基因转录物中通过利用不同5 、3剪接位点产生出不同的成熟的mRNA的过程。主要有四种方式： （1）利用不同的启动子 （2）利用不同的Poly（A）位点 （3）保留某些内含子 （4）保留或去除某些外显子,46,47,RNA编辑 RNA editing,定义：RNA编辑是RNA加工的一种形式，是通过改变、插入或删除初生转录物特定部位的碱基而改变其中的核酸序列。,DNA序列 GA G AA mRNA序列 GAU* U*GU* AU*A 蛋白质序列 Asp Cys Ile,48,RNA编辑的机制：,（1）指导RNA(guide RNA, gRNA)的存在,主要是转酯反应；,49,（2）脱氨反应，使
18、C换成U. 例如人类Apo-B蛋白，在肠细胞内通过将mRNA上的一个C换为U产生一个终止子(CAAUAA)，翻译形成一个截短蛋白。,50,作业：,1）请解释：RNA加工、RNA编辑、剪接（拼接）、可变加工。 2）简述原核生物的RNA加工原理及过程 3）简述真核生物mRNA的加工原理及过程； 4）下图是真核生物前mRNA的一段序列，请标出前mRNA剪接加工的确切剪接位点及保守序列并说明剪接过程。假设剪接发生在一个内含子的GU序列与相邻内含子的AG序列或发生在同一个内含子的GU序列的3端与AG序列的5端，会有什么后果？,5.CG.A A G U A A G U CURAY U/C N C A G GACG3 外显子 内含子 外显子,