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真核生物mRNA的加工修饰与转录调控(三)

 lcy1971 2020-05-17

还有一种加工方式称为RNA编辑(RNA editing),即RNA中某些核苷酸的增加、删除和替代。这会使mRNA中的信息与DNA不同,进一步增加了遗传信息的多样性,也丰富了基因表达调控方式。

这些编辑可以分为两类,碱基的替代属于一对一编辑,不改变碱基总数,RNA与其编码DNA的读码框(ORF)是相同的,称为共线性(co-linear);碱基的增加和删除则可以改变ORF。

一对一编辑主要是A to I和C to U,均由脱氨酶催化,但不是核苷酸代谢中的酶,而是以RNA为底物的几种酶:RNA腺嘌呤脱氨酶(adenosine deaminases acting on RNA,ADAR)、RNA胞嘧啶脱氨酶(CDAR)、tRNA腺嘌呤脱氨酶(ADAT)和APOBEC等。

ADAR作用机制。J Exp Biol. 2015 Jun; 218

次黄嘌呤(I)与鸟嘌呤类似,都在6位具有羰基氧,可与胞嘧啶配对。所以在翻译过程中被解释为鸟嘌呤,最终的编辑效果是A→G转变。实验室中做逆转录时,也会被转变为G。

并非所有A都可以被编辑成I。据估计,人类转录组中可能有超过一百万个编辑位点,几乎都位于重复序列中。当其形成局部双链时,可以被ADAR的N端双链RNA结合基序(dsRBM)识别,然后催化脱氨。

插入和删除编辑的机制要复杂一些,需要RNA编辑核心复合体(RECC)催化,还需要gRNA(引导RNA)参与。大致过程是先切割mRNA,然后添加或删除核苷酸,最后重新连接片段。

插入和删除编辑机制。Trends Parasitol. 2016

RNA编辑可以通过多种方式对细胞功能产生影响:改变蛋白质的氨基酸序列(recoding);改变前mRNA的剪接模式(可变剪接);导致microRNA种子序列或靶向位点序列发生变化;影响RNA的稳定性。

RNA编辑通过多种机制起作用。Front Endocrinol (Lausanne). 2018

RNA编辑与神经系统、免疫系统、心血管系统等多种疾病相关。例如仅ADAR1就与多种肿瘤的发生、发展相关,有促进也有抑制。很多基因都可以被编辑,既包括癌基因,也包括抑癌基因。

ADAR1介导的RNA编辑与肿瘤发展。Front Endocrinol (Lausanne). 2018

与RNA修饰类似,RNA编辑也不局限于mRNA。很多种RNA都可以被编辑,例如前面提到过的microRNA。除自身RNA外,病毒RNA也可被编辑,这与病毒的感染和防御密切相关。有些编辑有助于抵御病毒,也有些会促进感染,这也是病毒与宿主互相斗争的领域之一。

转录是基因表达的第一步,所以转录调控是基因表达调控的关键环节。不论时序调控还是适应调控,针对第一步的调控总是浪费最少的,这与代谢途径的调控是同样的道理。

转录调控主要发生在起始和终止阶段,当然在其它阶段也都有调节手段,例如延伸中的暂停,初始转录本的加工等。对转录起始的调控主要是启动子,不同的启动子可以针对不同的发育阶段(时序调控)或环境条件(适应调控)。

操纵子是细菌基因表达和调控的单位,其启动子有正调节和负调节方式。阻遏蛋白是典型的负调控因子。环腺苷酸通常是正调控因子,通过其受体蛋白(CRP)促进转录,可促进许多诱导酶的合成。

半乳糖操纵子。Biomolecules. 2015

半乳糖操纵子有两个重叠的启动子,P1和P2,转录起点分别为+1和-5。每个启动子对不同的调节剂作出反应以应对生理需要。cAMP-CRP复合物(CCC)结合在活化位点(activating site,AS),与RNAP作用,促进P1抑制P2,而GalR(其阻遏蛋白)抑制P1促进P2。

CRP复合物对gal启动子的调控。Biomolecules. 2015

当葡萄糖丰富时,细菌优先利用葡萄糖。此时cAMP浓度低,P2起作用,仅转录半乳糖差向酶(galE),用于从UDP-葡萄糖生成UDP-半乳糖,以合成细胞壁。当仅有半乳糖时,P1起作用,转录整个操纵子,以半乳糖作为能源。

转录终止的调控也很重要。弱化子(attenuator),以前称为衰减子,是原核生物巧妙利用终止子进行转录调控的典型代表。弱化子利用了原核生物的转录-翻译偶联,其实这个特性对原核生物转录的延伸和终止都有很重要的影响。

组氨酸衰减子机制。PLoS Genet. 2014

某些因子可使RNAP越过终止子继续转录,称为通读。通读在噬菌体的时序调控中比较常见,其早期基因与晚期基因以终止子相隔,早期基因产生抗终止因子,发生通读以表达晚期基因。

参考文献:

  1. Joshua J C Rosenthal. The emerging role of RNA editing in plasticity. J Exp Biol. 2015 Jun;218(Pt 12):1812-21.

  2. Inna Aphasizheva, et al. U-Insertion/Deletion mRNA-Editing Holoenzyme: Definition in Sight. Trends Parasitol. 2016 Feb;32(2):144-156.

  3. Che-Pei Kung, et al. The Role of RNA Editing in Cancer Development and Metabolic Disorders. Front Endocrinol (Lausanne). 2018 Dec 18;9:762.

  4. Dale E A Lewis, et al. Molecular Mechanisms of Transcription Initiation at gal Promoters and their Multi-Level Regulation by GalR, CRP and DNA Loop. Biomolecules. 2015 Oct 16;5(4):2782-807.

  5. Fabienne F V Chevance, et al. The effects of codon context on in vivo translation speed. PLoS Genet. 2014 Jun 5;10(6):e1004392.

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