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暨南大学生物化学讲义-第十二章RNA的生物合成(转录)(7)

暨南大学 /2011-11-25

翻译出有调控功能的、在原有外显子插入了一段氨基酸序列的蛋白质;

    翻译后删除内含子:这是把蛋白质翻译后加工也算入内含子的概念中来。例如图

11-17胰岛素的C肽是不存在于有活性的胰岛素分子上的,如按这一定义,C基因也可

认为是内含子。类似的翻译后加工情况,在真核生物是很常见的。

    显然,最初把外显子、内含子分别定义为可翻译与不翻译的组分,是不够恰当的。

因此目前的定义应扩充为:外显子是在断裂基因及其初级转录产物上可表达的片段。内

含于是隔断基因线性表达的序列。

                        二、tRNA的转录后加工

真核生物的 tRNA由 RNA-po Ill催化生成初级转录产物,然后加工成熟。图 12一21是tRNA的基因及初级产物。比较初级与成熟tRNA,可以看出5’端和分子中部分核苷酸在转录后加工被除去,图中用虚线表示。  

从以下实验,可以推论和证实tRNA的剪接是需酶的:①成熟的tRNA能竞争性地

抑制tRNA的剪接;这是酶促反应的特征之一;②tRNA的成熟过程对温度敏感。用这些

原理已造成可供tRNA剪接研究用的酵母细胞株,并证实tRNA的剪接过程如图12-22

所示。

此外,tRNA的转录后加工还包括各种稀有碱基的生成。

(l)甲基化:例如在tRNA甲基转移酶催化下,某些嘌呤生成甲基嘌呤

如 A~mA,G-mG。

    (2)还原反应:某些尿嘧啶健还原为双氢尿嘧啶(DHU)。

    (3)核苷内的转位反应:如尿嘧啶核苷酸转变为 尿嘧啶核苷酸(Ψ)。

    (4)脱氨反应:某些腺苷酸脱氨成为次黄瞟吟核苷酸(I)。次黄嘌呤(inosine)是颇

常见于tRNA的稀有碱基之一。

    (5)加上CCA-OH的3’一末端:在核苷酸转移酶作用下,在3’一末端除去个别碱基后,换上tRNA分子统一的CCA-OH末端,完成柄部结构。

                      三、rRNA的转录后加工

  真核细胞的 rRNA基因(rDNA)属于一种称为丰富基因(redundant gene)族的 DNA序

列,即染色体上一些相似或完全一样的纵列串联基因(tandem gene)单位的重复。这些单

位由不能转录的间隔区(spacer)把转录片段分隔组成。注意间隔区和以前提到的内含子是不同的概念。在分类上把rDNA这种类型的序列称为高度重复序列highly repeat sequence)DNA。不同种属的生物,rDNA的大小不一,重复单位[图12-23(l)]可有数百个或至千个以上;每个重复单位(图12-23(2))的可转录片段7kb至13kb比不等,间隔区则为数千bp。尽管有间隔区与重复单位的大小不同,所有真核生物最后转录出来的r RNA大小却相同。

rDNA位于核仁之内,自成一组转录单位。大多数真核生物核内都可发现一种45S的转录产物,它是三种rRNA的前身[图1 2.23(3)]。4 5SrRNA经剪接后,先分出属于核小体小亚基18S-rRNA。余下的部分再拼接成5.8S及28S的rRNA。rRNA成熟后,就在核仁上装配,即与核蛋白体蛋白一起形成核蛋白体,输出胞浆。生长中的细胞,rRNA较稳定,静止状态的细胞,rRNA的寿命较短。

值得一提的是,属于丰富基因族的还有5S-rRNA基因,组蛋白基因,免疫球蛋白的基因等等。

   研究rRNA的转录后加工,最近提出了一个生命科学中的重大问题:RNA分子有酶

的作用。这是研究一种叫四膜虫(Tetrahymena)的简单真核生物的rRNA剪接中发现的。

rRNA剪接是一种自我剪接方式。本来,剪接的化学过程应包括磷酸二酯键的断裂和再

连接。大多数的mRNA剪接需并接体参与,这种核蛋白起酶的作用。但在四膜虫rRNA

剪接中,除去了所有蛋白质,剪接仍可完成。研究rRNA的结构发现一定的规律:图

12-24是根据四膜虫rRNA的一级结构绘出的二级结构。参考第三章tRNA的结构,就可

能理解这个图,所以没有列出全部核苷酸序列。图中把5’-端和3’一端要被剪接删除的部

分用粗线表示并列出5’一端的部分碱基序列。线性的RNA分子由于有很多的反向互补序

列,在图上可见形成众多的局部双链区。这是能进行自我剪接的结构依据。

    rRNA的剪接不需任何蛋白质参与即可发生,说明RNA本身就有酶的催化作用。由

于 RNA发挥酶的作用,因此把有酶促活性的 RNA命名为核酶(ribozyme)。

    现在已知的一个最简单的能进行自我剪接的RNA的结构见图12-25,由于二级结构

与槌头相似而命名为相头结构(hammerhead structure),这也就是核酶能起作用的结构要

求。这是分子内的催化,同一分子上包括有催化部分和底物部分。底物部分就是箭头所

示(切口)附近的核苷酸,注意含有GU的序列。催化部分就是槌头结构:至少含有3个

茎(stem),l至3个环(loop)。碱基部分至少有13个是一致性(consensus)序列,用A,G,C,U标出,其余书写为N的是指任何碱基均可。

    核酶大多在古老的生物中发现,有人认为它是现代生物物种内存在的“活”化石,

对研究生命的起源和进化有重大意义。执行生命功能最重要的两类生物大分子,到底是

先有核酸,还是先有蛋白质呢?核酶的发现,还对传统酶学提出挑战。酶沿用的定义是

“活细胞产生的有催化活性的蛋白质”。对世纪80年代中期之前已发现的数千种酶,毫

无例外都是蛋白质;酶的各种理化、动力学、生物学行为,都可以用酶是蛋白质来理解。现在又证明:RNA也可以是酶。如何给酶下~个更准确的定义呢?

    更有现实意义的是:由于核酶结构的阐明,可以用人工会成的小片段RNA,配合

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