u原核生物原核生物RNA的转录后加工的转录后加工Post-transcriptional processing in prokaryotesu真核生物真核生物RNA的转录后加工的转录后加工Post-transcriptional processing in EukaryotesuRNA的剪接、编辑和再编码的剪接、编辑和再编码RNA Splicing,Editing and Recoding第第9章章 RNA转录后的剪切与加工转录后的剪切与加工Section 9 RNA Post-transcriptional processing12 大多数新生大多数新生RNA分子必须经过多种修饰才成为成分子必须经过多种修饰才成为成熟的产物，熟的产物，RNA加工是对初生转录物进行修饰的总称，加工是对初生转录物进行修饰的总称，主要方式有：主要方式有：（1）核苷酸的切除）核苷酸的切除（2）初生）初生RNA转录物或剪切产物的两端（转录物或剪切产物的两端（3端和端和5端）端）添加核苷酸添加核苷酸（3）对某些特殊的核苷酸碱基或糖苷进行修饰。）对某些特殊的核苷酸碱基或糖苷进行修饰。RNA 的加工方式的加工方式 Types of RNA processing3原核生物的原核生物的 rRNA 加工加工 rRNA processing in prokaryotesv原核生物原核生物RNA的转录后加工的转录后加工Post-transcriptional processing in prokaryotes原核生物的原核生物的tRNA的前体加工的前体加工 pre-tRNA processing in prokaryotes原核生物的原核生物的mRNA前体加工前体加工 pre-mRNA processing in prokaryotes4大肠杆菌共有大肠杆菌共有7个转录单位分散在基因组中。每个转录单个转录单位分散在基因组中。每个转录单位由位由16S rRNA，23S rRNA和和 5S rRNA以及以及1-4个个tRNA基基因组成。因组成。初生转录物的沉降系数为初生转录物的沉降系数为30S，约含约含6500nt， 5端为端为pppA。原核生物的原核生物的 rRNA 加工加工 rRNA processing in prokaryotes5（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）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（成核糖核蛋白复合体（RNP，ribonucleoprotein）；）；rRNArRNA转录后的加工步骤转录后的加工步骤6（2）结合之后进行甲基化修饰，并由）结合之后进行甲基化修饰，并由RNaseIII进行剪切，进行剪切，释放出释放出16S rRNA，23S rRNA和和 5S rRNA 前体分子；前体分子；7（3）在）在RNA酶酶M5、M16、M23的作用下，分别对前体的作用下，分别对前体rRNA分子的分子的5端和端和3端进行进一步的剪切，之后释放出成熟端进行进一步的剪切，之后释放出成熟的的RNA分子。分子。8910tRNA的一级结构：单股的一级结构：单股RNA，73-93nt核苷酸；核苷酸；tRNA的二级结构：的二级结构：为三叶草结构为三叶草结构,而且很保守而且很保守 (1)3端含端含CCA-OH序序列列 ；(2)TC环环(TCloop)；(3)额外环或可变环额外环或可变环(extro variable loop)；(4)反密码子环反密码子环(anticodon loop)； (5)二氢尿嘧啶环二氢尿嘧啶环(dihydr-Uloop或或D-loop) 原核生物的原核生物的tRNA的前体加工的前体加工 pre-tRNA processing in prokaryotes11原核生物的原核生物的tRNA基因的转录单元大多数是多基因的。基因的转录单元大多数是多基因的。不但同一种不但同一种tRNA的几个基因拷贝可以转录在一条的几个基因拷贝可以转录在一条RNA中中,而且不同的而且不同的tRNA也可以转录在一条也可以转录在一条RNA中。还有的中。还有的tRNA与与rRNA组成转录单元。组成转录单元。12原核生物研究最为透切的是原核生物研究最为透切的是tRNATyr,它是携带它是携带Tyr(酪氨酪氨酸酸)的的tRNA,识别密码子识别密码子GAU。举例：举例：大肠杆菌大肠杆菌tRNATyr的加工过程的加工过程1353首先，转录物前体经过折叠形成特征茎环结构首先，转录物前体经过折叠形成特征茎环结构14(1) RNase F内切酶在内切酶在3端切除侧翼序列。于是端切除侧翼序列。于是3端端 就留下一个额外的就留下一个额外的9个核苷酸；个核苷酸；（2）RNase D外切酶从外切酶从3端切下端切下7个核苷酸；个核苷酸；（3） RNase P内切酶切去内切酶切去5端的前导序列，产成熟的端的前导序列，产成熟的5端；端；（4） RNase D外切酶继续切去外切酶继续切去3端剩余的端剩余的2个核苷酸，产生成个核苷酸，产生成 熟的熟的3端端CCAOH;（5）tRNA再经过一系列的碱基修饰，形成成熟的再经过一系列的碱基修饰，形成成熟的tRNA分子。分子。加工步骤加工步骤15原核生物的原核生物的mRNA前体加工前体加工 pre-mRNA processing in prokaryotes原核生物原核生物中中mRNA转录物根本不需要加工或很少需要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加工。因为原核生物的核糖体在mRNA分子的合成未分子的合成未完成前就开始翻译。完成前就开始翻译。一些内部一些内部顺反子顺反子的的3端和端和5端形成茎环结构以保护自端形成茎环结构以保护自身免受外切酶的降解。身免受外切酶的降解。少数少数多顺反子多顺反子mRNA需通过内切核酸酶切成较小的单需通过内切核酸酶切成较小的单位后才进行翻译。如：核糖体大亚基蛋白位后才进行翻译。如：核糖体大亚基蛋白16v真核生物的转录后加工真核生物的转录后加工Post-transcriptional processing in Eukaryotes 真核生物的真核生物的 rRNA 加工加工rRNA processing in Eukaryotes真核生物的真核生物的tRNA加工加工 tRNA processing in Eukaryotes真核生物的真核生物的mRNA加工加工 mRNA processing in Eukaryotes17总RNA电泳图18 真核生物真核生物 rRNA前体的加工前体的加工 真核生物有四种真核生物有四种rRNA ,即即5.8S rRNA,18S rRNA,28S rRNA及及5S rRNA。 5.8S rRNA,18S rRNA,28S rRNA由由45S的前体的前体rRNA剪切而来。剪切而来。 5S rRNA由由RNA Pol III 转录，转录，只需简单加工或不需加工。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，如酵母为不同的生物其前体的大小是特定的，如酵母为7000nt，哺哺乳动物为乳动物为35000nt。近年来人们发现近年来人们发现,哺乳动物的哺乳动物的rRNA的最原始转录物并不是的最原始转录物并不是45S,而是而是47S。由于由于3端部分很快进行转录后处理端部分很快进行转录后处理,5也除也除掉一小部分而变为掉一小部分而变为45S。还可能存在一种还可能存在一种46S的中间体。的中间体。1945S rRNA2021加工步骤加工步骤：（1）rRNA基因转录产生基因转录产生47S前前rRNA初生转录物初生转录物（2）切除掉外部转录间隔区（）切除掉外部转录间隔区（ETSs，external transcribed spacers), 形成形成45S前前rRNA （3） 再切去内部转录间隔区（再切去内部转录间隔区（ITSs, internal transcribed spacers)，形成形成41S前前rRNA（4）释放出释放出32S和和20S的前的前RNA（5）进一步修剪，形成成熟的进一步修剪，形成成熟的rRNA，包含了包含了5.8S rRNA,18S rRNA,28S rRNA22Mammalian pre-rRNA processing RNaseRNaseRNaseRNase23真核生物的真核生物的tRNA加工加工 tRNA processing in Eukaryotes以真核生物酵母菌以真核生物酵母菌tRNATyr的加工为例的加工为例tRNATyr的前体的前体5端有端有16nt的前导区，的前导区，3端有端有2个额外的核苷酸，有一个个额外的核苷酸，有一个14nt的的内含子（右图）内含子（右图）初转录物前体形成特征茎环结构初转录物前体形成特征茎环结构24 酵母菌酵母菌tRNATyr的加工过程：的加工过程：（1）内切酶识别茎环结构切去）内切酶识别茎环结构切去5端前导区和端前导区和3端额外的端额外的 2个核苷酸。个核苷酸。（2）在）在tRNA核苷转移酶核苷转移酶的作用下在的作用下在3端加上端加上5-CCA-3成为成为成熟的成熟的3端。端。（3）tRNA内切酶切除了内含子，并由连接酶把缺口连接，之内切酶切除了内含子，并由连接酶把缺口连接，之后成为成熟的后成为成熟的tRNA25ACCACCACCACC53真核生物真核生物tRNA的内含子剪切的内含子剪切26真核生物真核生物的的Pol II转录的基因很多、大小不一，从转录的基因很多、大小不一，从60-300nt（snRNA）到长度超过到长度超过100kb的。的。 Pol II的初转录的初转录产物称为核内不均一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那些即将被加工的转录物称为前mRNA（pre-mRNAs)。真核生物真核生物前前mRNA的加工过程包括的加工过程包括5端加帽、端加帽、3端剪切端剪切及加及加PolyA尾、剪接和甲基化加工，最后形成成熟的尾、剪接和甲基化加工，最后形成成熟的mRNA。真核生物的真核生物的mRNA加工加工 mRNA processing in Eukaryotes275端加帽端加帽 5 capping在在mRNA转录链长度超过转录链长度超过20-30nt之前，其之前，其5端端经化学修饰被加上经化学修饰被加上7-甲基鸟苷残基，这种甲基鸟苷残基，这种5端的端的修饰称为帽子结构。图修饰称为帽子结构。图连接方式是连接方式是5-5连接，与正常的连接，与正常的3-5连接方式连接方式不同，是由不同，是由mRNA鸟苷转移酶催化鸟苷转移酶催化这一添加核这一添加核苷酸反应。苷酸反应。28帽子结构7-甲基鸟苷鸟苷转移酶53 529帽子结构的功能：帽子结构的功能：1）帽子结构为核糖体对于）帽子结构为核糖体对于mRNA的识别提供了信号的识别提供了信号 ；2）帽子结构增加）帽子结构增加mRNA的稳定的稳定性性,保护保护mRNA免遭免遭5外切核酸酶外切核酸酶的攻击；的攻击；3）同时有利于）同时有利于mRNA及其前体及其前体的其他反应如剪接、转运和翻译。的其他反应如剪接、转运和翻译。30313端剪切及加尾端剪切及加尾 3cleavage and polyadenylation大部分成熟大部分成熟mRNA具有具有3多聚多聚A尾巴，它是经过剪切后再加上一尾巴，它是经过剪切后再加上一串串A残基而成，通常叫做残基而成，通常叫做poly A尾巴。这个特征可用于纯化尾巴。这个特征可用于纯化mRNA。特定序列元件：特定序列元件：1）5-AAUAAA-3 聚腺苷酸信号序列聚腺苷酸信号序列，2）在）在其后其后1120nt处紧随着一个处紧随着一个“ 5-YA-3 ”结构，结构，3）在其下游方向）在其下游方向的的GUGUGUG 。这些序列共同决定了这些序列共同决定了聚腺苷酸化位点聚腺苷酸化位点(polyadenylation site)。32剪切与加尾过程：剪切与加尾过程：1）特定蛋白因子识别序列元件并与特定蛋白因子识别序列元件并与mRNA结合，形成复结合，形成复合体后即开始剪切。合体后即开始剪切。2）聚腺苷酸聚合酶聚腺苷酸聚合酶（PAP）在剪切后的在剪切后的3端加上多至端加上多至250个的个的A残基。残基。33poly A尾巴的功能：尾巴的功能：1）稳定）稳定mRNA分子，抵抗分子，抵抗3-端外切酶攻击的作用。端外切酶攻击的作用。2）有助于细胞质中成熟）有助于细胞质中成熟mRNA的翻译。的翻译。34RNA名称存在位置转录RNA聚合酶类型功能备注rRNAtRNAmRNAhnRNAhnRNPsnRNAsnRNP5srRNA作业：请填写下表的真核生物作业：请填写下表的真核生物RNA35vRNA的剪接、编辑和再编码的剪接、编辑和再编码RNA Splicing,Editing and RecodingRNA的剪接的剪接 （拼接）（拼接）RNA SplicingRNA的的编辑编辑 RNA Editing36RNA的剪接有的剪接有4种方式：种方式：1）I型自我剪接型自我剪接2）II型自我剪接型自我剪接3）核）核mRNA剪接体剪接剪接体剪接4）核内）核内tRNA前体的酶促剪接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。的过程称为剪接。RNA的剪接的剪接 RNA Splicing依靠自身的核酶把内含子切除依靠自身的核酶把内含子切除373) 核核mRNA剪接体剪接剪接体剪接剪接体（剪接体（spliceosome)：mRNA前体在剪接过程中组装形成的多组分复合前体在剪接过程中组装形成的多组分复合物，主要由物，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。复合体。剪切的特殊序列：剪切的特殊序列：剪接方式：剪接方式：38（1）剪切过程：二步反应（）剪切过程：二步反应（two-step reaction) GG GG branchpointA39（2）剪切过程由剪切过程由U1、U2、 U4、U5和和U6 snRNP催化催化1）U1与与5端剪切位点端剪切位点GU 结合；结合；2）U2与分支位点与分支位点A结合，随后结合，随后U4、U5、U6形成复合体，使形成复合体，使得内含子形成环状结构，外显得内含子形成环状结构，外显子的子的3端与端与5端相互靠近；端相互靠近；3）mRNA与与snRNP的复合体的复合体被称为剪接体。被称为剪接体。40（3）核内）核内tRNA前体的酶促剪接前体的酶促剪接真核生物真核生物tRNA的内含子剪切的内含子剪切第第1步：由内切酶断裂磷酸二酯键，切去内含子，不需步：由内切酶断裂磷酸二酯键，切去内含子，不需 要要ATP；第第2步：连接酶连接，需要步：连接酶连接，需要ATP。41可变可变mRNA加工加工 Alternative mRNA processing1.可变加工可变加工 Alternative processing2.可变可变poly(A)位点位点 Alternative poly(A) sites3.可变剪接可变剪接 Alternative splicing（选择性剪接）选择性剪接）421.可变加工可变加工 Alternative processing可变加工是指一个特定的前可变加工是指一个特定的前mRNA通过使用不通过使用不同的同的poly (A)位点或不同的剪接方式产生出一种位点或不同的剪接方式产生出一种以上的成熟的以上的成熟的mRNA.可变加工的类型有可变加工的类型有:可变剪接和可变可变剪接和可变poly (A)加加工工432. 可变可变poly(A)位点位点 Alternative poly(A) sites有有3种情况：种情况：（1）一些前）一些前mRNA含有多组的含有多组的Poly(A)位点，细胞或生物只使用其中的位点，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种mRNA。（3）一种细胞可能只利用一个一种细胞可能只利用一个Poly（A）位点，而不同细胞利用另一位点，而不同细胞利用另一Poly（A）位点。位点。443. 可变剪接可变剪接 Alternative splicing可变剪接可变剪接是指从一个特定的基因转录物中通过利用不是指从一个特定的基因转录物中通过利用不同同5 、3剪接位点产生出不同的成熟的剪接位点产生出不同的成熟的mRNA的过的过程。主要有四种方式：程。主要有四种方式：（1）利用不同的启动子）利用不同的启动子（2）利用不同的）利用不同的Poly（A）位点位点（3）保留某些内含子）保留某些内含子（4）保留或去除某些外显子）保留或去除某些外显子4546RNA编辑编辑 RNA editing定义：定义：RNA编辑是编辑是RNA加工的一种形式，是通过改变、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。酸序列。DNA序列序列 GA G AAmRNA序列序列 GAU* U*GU* AU*A蛋白质序列蛋白质序列 Asp Cys Ile47RNA编辑的机制：编辑的机制：RNA editing（1）指导）指导RNA(guide RNA, gRNA)的存在的存在,主要是转酯反应；主要是转酯反应；48（2）脱氨反应，使）脱氨反应，使C换成换成U.例如人类例如人类Apo-B蛋白，在肠细胞内通过将蛋白，在肠细胞内通过将mRNA上上的一个的一个C换为换为U产生一个终止子产生一个终止子(CAAUAA)，翻译，翻译形成一个截短蛋白。形成一个截短蛋白。49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 GACG.3外显子 内含子 外显子50