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rRNA转录加工过程

2022.4.19

主要加工方式是切断。

真核细胞的rRNA基因(rDNA)属于一种被称为丰富基因(redundant gene)族的DNA的序列,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。由不能转录的间隔区(spacer)把这些单位分隔开。在这里,间隔区与内含子是不同的概念。在分类上,rDNA这种类型的序列被称为高度重复序列(highly repeat sequence)DNA。在不同的种属生物中,rDNA的大小不一,重复单位由数百个至数千个以上。每个重复单位的可转录段从7kb至13kb不等,间隔区为数千bp。虽然有间隔区与重复单位的大小不同,但是真核生物最后转录出来的rRNA大小相同。真核生物核蛋白体中有18S、5.8S、28S及5SrRNA。5SrRNA独立于其他三种rRNA的基因转录,在成熟过程中加工甚少。45SrRNA前体中包含18S、5.8S、28srRNA。45S rRNA经剪接后,先分离出属于核蛋白小体的18S-rRNA。余下部分在拼接成5.8S和28S的rRNA。rRNA成熟后,在核仁上装配,与核蛋白体蛋白一起形成核蛋白体,输出胞浆。静止状态的细胞,rRNA的寿命较短,而生长中的细胞,rRNA比较稳定。

1982年,T.R.Ceck在研究一种叫四膜虫(Tetrahymena)的简单真核生物rRNA剪接中发现rRNA前体剪接是一种自我剪接(self-splicing)方式,即RNA本身也有催化作用。一般而言,剪接的化学反应过程包括磷酸二酯键的断裂和再连接。大多数的mRNA剪接需要并接体参与,这种核蛋白起酶的作用。但在四膜虫rRNA的剪接过程中,去除所有蛋白质,剪接仍可迅速完成。通过研究rRNA的结构,发现了一定的规律,就是根据四膜虫的rRNA一级结构绘出的二级结构。图2中用粗线表示5’-端和3’-端要被剪切删除的部分,并列出l了5’-端的部分碱基序列。,在图2上可见到形成众多的局部双链区,这是由于线性的RNA分子有很多的反向互补序,此为能进行自我剪接的结构基础。

rRNA的剪接不需要任何蛋白质参与即可发生,这就说明了RNA本身即具有酶的催化作用。因而把具有酶促活性的RNA命名为核酶(ribozyme)。

已知的一个最简单的能进行自我剪接的RNA的结构,如图3所示。因为二级结构与锤头相似,因此将其命名为锤头结构(hammer-head structure),这是核酶能起作用的结构基础。这属于分子内催化,同一分子上包括有催化部分和底物部分,催化部分即为锤头结构,至少3个茎(stem),1至3个环(loop)。碱基部分至少13个是一致性(consensus)序列,用A,C,G,U标出,其余书写为N的是指任何碱基均可。底物部分即为箭头所示附近的核苷酸,含有GU序列。1983年S.Altman等又发现RnaseP中RNA组分可以催化tRNA前体的加工。通过以上研究工作,认为RNA具有酶活力,此发现具有重大生物学意义。首先,打破了酶是蛋白质的传统观念,对传统酶学提出挑战,对于如何给酶下一个更准确的定义,还有待进一步探讨;其次,对于在生命起源中,为先有核酸,还是先有蛋白质这一有争议的问题,提供了线索。

具有实际意义的是:人们根据核酶的特殊结构,设想用人工合成的小片段RNA,配合在欲破坏其结构的RNA或DNA分子上,使其成为锤头结构,此即为人工设计的核酶。人工核酶用于研究上,把核酸分子切成特异性片段,已经获得了成功。进一步设想,用人工设计的核酶来破坏一些有害基因转录出的mRNA或其前体,从而抗癌及抗病毒。因此,核酶的发现有广阔的应用前景。

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