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真核生物mRNA的加工修飾與轉(zhuǎn)錄調(diào)控(三)

 lcy1971 2020-05-17

還有一種加工方式稱為RNA編輯(RNA editing),即RNA中某些核苷酸的增加、刪除和替代。這會使mRNA中的信息與DNA不同,進(jìn)一步增加了遺傳信息的多樣性,也豐富了基因表達(dá)調(diào)控方式。

這些編輯可以分為兩類,堿基的替代屬于一對一編輯,不改變堿基總數(shù),RNA與其編碼DNA的讀碼框(ORF)是相同的,稱為共線性(co-linear);堿基的增加和刪除則可以改變ORF。

一對一編輯主要是A to I和C to U,均由脫氨酶催化,但不是核苷酸代謝中的酶,而是以RNA為底物的幾種酶:RNA腺嘌呤脫氨酶(adenosine deaminases acting on RNA,ADAR)、RNA胞嘧啶脫氨酶(CDAR)、tRNA腺嘌呤脫氨酶(ADAT)和APOBEC等。

ADAR作用機制。J Exp Biol. 2015 Jun; 218

次黃嘌呤(I)與鳥嘌呤類似,都在6位具有羰基氧,可與胞嘧啶配對。所以在翻譯過程中被解釋為鳥嘌呤,最終的編輯效果是A→G轉(zhuǎn)變。實驗室中做逆轉(zhuǎn)錄時,也會被轉(zhuǎn)變?yōu)镚。

并非所有A都可以被編輯成I。據(jù)估計,人類轉(zhuǎn)錄組中可能有超過一百萬個編輯位點,幾乎都位于重復(fù)序列中。當(dāng)其形成局部雙鏈時,可以被ADAR的N端雙鏈RNA結(jié)合基序(dsRBM)識別,然后催化脫氨。

插入和刪除編輯的機制要復(fù)雜一些,需要RNA編輯核心復(fù)合體(RECC)催化,還需要gRNA(引導(dǎo)RNA)參與。大致過程是先切割mRNA,然后添加或刪除核苷酸,最后重新連接片段。

插入和刪除編輯機制。Trends Parasitol. 2016

RNA編輯可以通過多種方式對細(xì)胞功能產(chǎn)生影響:改變蛋白質(zhì)的氨基酸序列(recoding);改變前mRNA的剪接模式(可變剪接);導(dǎo)致microRNA種子序列或靶向位點序列發(fā)生變化;影響RNA的穩(wěn)定性。

RNA編輯通過多種機制起作用。Front Endocrinol (Lausanne). 2018

RNA編輯與神經(jīng)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)等多種疾病相關(guān)。例如僅ADAR1就與多種腫瘤的發(fā)生、發(fā)展相關(guān),有促進(jìn)也有抑制。很多基因都可以被編輯,既包括癌基因,也包括抑癌基因。

ADAR1介導(dǎo)的RNA編輯與腫瘤發(fā)展。Front Endocrinol (Lausanne). 2018

與RNA修飾類似,RNA編輯也不局限于mRNA。很多種RNA都可以被編輯,例如前面提到過的microRNA。除自身RNA外,病毒RNA也可被編輯,這與病毒的感染和防御密切相關(guān)。有些編輯有助于抵御病毒,也有些會促進(jìn)感染,這也是病毒與宿主互相斗爭的領(lǐng)域之一。

轉(zhuǎn)錄是基因表達(dá)的第一步,所以轉(zhuǎn)錄調(diào)控是基因表達(dá)調(diào)控的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。不論時序調(diào)控還是適應(yīng)調(diào)控,針對第一步的調(diào)控總是浪費最少的,這與代謝途徑的調(diào)控是同樣的道理。

轉(zhuǎn)錄調(diào)控主要發(fā)生在起始和終止階段,當(dāng)然在其它階段也都有調(diào)節(jié)手段,例如延伸中的暫停,初始轉(zhuǎn)錄本的加工等。對轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控主要是啟動子,不同的啟動子可以針對不同的發(fā)育階段(時序調(diào)控)或環(huán)境條件(適應(yīng)調(diào)控)。

操縱子是細(xì)菌基因表達(dá)和調(diào)控的單位,其啟動子有正調(diào)節(jié)和負(fù)調(diào)節(jié)方式。阻遏蛋白是典型的負(fù)調(diào)控因子。環(huán)腺苷酸通常是正調(diào)控因子,通過其受體蛋白(CRP)促進(jìn)轉(zhuǎn)錄,可促進(jìn)許多誘導(dǎo)酶的合成。

半乳糖操縱子。Biomolecules. 2015

半乳糖操縱子有兩個重疊的啟動子,P1和P2,轉(zhuǎn)錄起點分別為+1和-5。每個啟動子對不同的調(diào)節(jié)劑作出反應(yīng)以應(yīng)對生理需要。cAMP-CRP復(fù)合物(CCC)結(jié)合在活化位點(activating site,AS),與RNAP作用,促進(jìn)P1抑制P2,而GalR(其阻遏蛋白)抑制P1促進(jìn)P2。

CRP復(fù)合物對gal啟動子的調(diào)控。Biomolecules. 2015

當(dāng)葡萄糖豐富時,細(xì)菌優(yōu)先利用葡萄糖。此時cAMP濃度低,P2起作用,僅轉(zhuǎn)錄半乳糖差向酶(galE),用于從UDP-葡萄糖生成UDP-半乳糖,以合成細(xì)胞壁。當(dāng)僅有半乳糖時,P1起作用,轉(zhuǎn)錄整個操縱子,以半乳糖作為能源。

轉(zhuǎn)錄終止的調(diào)控也很重要。弱化子(attenuator),以前稱為衰減子,是原核生物巧妙利用終止子進(jìn)行轉(zhuǎn)錄調(diào)控的典型代表。弱化子利用了原核生物的轉(zhuǎn)錄-翻譯偶聯(lián),其實這個特性對原核生物轉(zhuǎn)錄的延伸和終止都有很重要的影響。

組氨酸衰減子機制。PLoS Genet. 2014

某些因子可使RNAP越過終止子繼續(xù)轉(zhuǎn)錄,稱為通讀。通讀在噬菌體的時序調(diào)控中比較常見,其早期基因與晚期基因以終止子相隔,早期基因產(chǎn)生抗終止因子,發(fā)生通讀以表達(dá)晚期基因。

參考文獻(xiàn):

  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.

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  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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