真核生物mRNA的加工修飾與轉錄調控(二)

真核生物mRNA的加尾也是共轉錄進行的,涉及20多種蛋白質。這一過程需要識別聚腺苷酸化位點(PAS),切割前mRNA(pre-mRNA),新增poly(A)尾巴。此過程還具有觸發轉錄終止的作用。

哺乳動物前mRNA中與加尾相關的順式元件包括三個主要元件和兩個輔助元件。前者包括聚腺苷酸化訊號(PAS)、切割位點和富含G / U的下游元件(DSE),後者包括富含U的上游輔助元件和富含G的下游輔助元件。

真核生物mRNA的加工修飾與轉錄調控(二)

mRNA 3‘-末端加工的順式元件。Curr Opin Struct Biol。 2019 Dec;59:143-150。

相應的反式因子則包括多個複合物:切割和聚腺苷酸特異性因子(CPSF)、切割刺激因子(CSTF)、切割因子Im(CF Im,其中m代表mRNA)和IIm(CF IIm)以及poly(A)聚合酶(PAP)等。

CPSF可以特異性識別PAS(AAUAAA基序),指導前mRNA的切割。CPSF至少包括4種蛋白,根據其分子量(KD)命名,其中CPSF-160直接與PAS結合。

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哺乳動物mRNA 3’-末端加工複合物及相應順式元件。Cell Mol Life Sci。 2008 Apr; 65(7-8): 1099–1122。

CF Im和CSTF複合物分別識別上游輔助元件(USE)和下游元件(DSE),有助於選擇切割位點,並確保有效的前mRNA識別和切割。CF IIm可與RNAP II的CTD結合,是前mRNA切割所必需的。

CPSF-73有內切酶活性,可切割AAUAAA序列下游的mRNA。也有研究認為PAP同時具有核酸內切酶活性和聚腺苷酸聚合酶活性。總之先在PAS下游約10–30個鹼基處切割mRNA,然後再逐步新增20–250個腺苷殘基的尾部。

PAS不一定唯一,大約有近70%的人類基因具有多個poly A位點。所以終止訊號的選擇也是一種基因表達調控方式,稱為可變聚腺苷酸化(Alternative polyadenylation,APA)。白血病細胞中一些抑癌基因會由於選擇上游的poly A位點而表達截短的蛋白,喪失抑癌功能。

一種調控方式是透過抗終止作用阻止上游PAS的使用,從而轉錄出全長mRNA。真核生物的SCAF4(SR, CTD-associated factor 4)和SCAF8具有抗終止作用,可以結合在RNAPII的CTD,阻止上游poly A位點的使用。所以SCAF4/8雙敲除導致轉錄提前終止,生成截短的mRNA,具有細胞致死性。

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SCAF4和SCAF8的抗終止作用。Cell。 2019 Jun 13; 177(7): 1797–1813。e18。

Poly A與成熟mRNA的穩定性、翻譯起始以及出核運輸有關。酵母中Mex67:Mtr2複合物可以與核孔蛋白相互作用,使RNA透過核孔擴散。Sub2(一種DEAD盒解旋酶)和TREX複合體介導成熟mRNA與Mex67:Mtr2複合物結合,形成出核mRNP(export competent mRNP)。透過核孔後,二者解離,防止mRNA返回。

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酵母mRNA的加工與運輸。J Biol Chem。 2019 Mar 1; 294(9): 2977–2987。

在原核生物中也有聚腺苷酸化反應。例如,大腸桿菌PAPI可以催化一些RNA的聚腺苷酸化反應,但其功能與真核生物不同,是加速這些RNA的降解。

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大腸桿菌中PAP I依賴性RNA降解。Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci。 2018 Dec 19; 373(1762): 20180166。

mRNA中還存在很多化學修飾,有鹼基的修飾,也有核糖的修飾。這些修飾可以參與mRNA的剪接、核輸出、轉錄本穩定性和翻譯起始等事件,進而調控多種生理及病理過程。

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真核生物mRNA的化學修飾成分。Mol Cancer。 2020 Apr 17;19(1):78。

mRNA中常見的修飾包括N6-甲基腺苷(m6A),N1-甲基腺苷(m1A),5-甲基胞嘧啶(m5C),5-羥甲基胞嘧啶(hm5C),假尿苷(Ψ),肌苷(I)和核糖甲基化(2‘-O-Me)等。其中m6A最為普遍,研究也較多。

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化學修飾在mRNA中的位置。Mol Cancer。 2020 Apr 17;19(1):78。

m6A修飾佔哺乳動物RNA總腺苷的0。2-0。6%,在細胞過程中起著重要作用。m6A是可逆的mRNA修飾,具有自己的書寫器、擦除器和閱讀器。

這些稱呼來自表觀遺傳學,指各種修飾在形成、去除以及發揮功能的過程中所需的反式因子。例如,甲基化修飾的書寫器(writer)一般是各種甲基轉移酶,擦除器(eraser)就是相應的去甲基酶,也包括一些相關的輔助蛋白。

m6A的常用書寫器有METTL3、METTL14、WTAP和RBM15等,各有不同的底物或細胞定位等。例如,METTL3是mRNA中主要的m6A形成酶,但不催化rRNA或snRNA的甲基化。

m6A發揮作用的主要機制是募集m6A結合蛋白,即其reader,主要是一些含有YTH結構域的蛋白,以及真核起始因子3(eIF3)等。

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m6A的writer、reader和eraser。Annu Rev Cell Dev Biol。 2017 Oct 6;33:319-342。

YTH(YT521B同源性)結構域能夠選擇性地結合RNA中的m6A。例如YTHDF家族成員(DF1​​,DF2和DF3)均以其YTH域識別m6A,以另一個結構域發揮不同功能。DF1可以促進翻譯,而DF2促進mRNA降解。

另一種reader,YTHDC1,可以調節某些轉錄本的剪接,還參與XIST(一種非編碼RNA)介導的女性X染色體失活。

eIF3可以結合5´UTR中的m6A,從而形成一種不依賴eIF4的翻譯起始過程,而正常的翻譯起始是eIF4依賴的。據研究,在一些壓力和疾病狀態下eIF4E的活性會受到損害,所以m6A可以介導一種選擇性的、疾病特異性的翻譯。

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m6A修飾調節細胞的生理過程。Mol Cancer。 2020 Apr 17;19(1):78。

RNA的修飾不僅限於mRNA。人體rRNA中有超過200種修飾。而在各種常見的RNA中,tRNA修飾的數量最多,化學種類最廣,從鹼基異構、甲基化到複雜的環結構修飾。真核tRNA平均每個分子含有13個修飾。tRNA的修飾有助於翻譯的效率和保真度,以及摺疊、穩定性和細胞定位等。

總之,RNA的修飾可以使RNA更穩定、高效,甚至具有額外的細胞功能。RNA修飾的異常也會導致細胞功能的異常,與多種疾病相關。

真核生物mRNA的加工修飾與轉錄調控(二)

RNA修飾與人體疾病。Mol Cancer。 2020 Apr 17;19(1):78。