真核生物mRNA稳定性的控制机制

真核生物mRNA稳定性的控制机制
韩　飞　王　高
(海南大学生命科学与农学院,海南海口　570228)
摘　要:真核生物mRNA的稳定性的调节是调节基因表达的主要机制之一。

调控mRNA的途径主要有4个:mRNA 自身的序列元件(5′-帽结构、5′-非翻译区、编码区、3′-非翻译区、poly(A)尾巴、5′-和3′-两末端的相互作用), mRNA结合蛋白(5′-帽结合蛋白、编码区结合蛋白、3′-UTR结合蛋白、poly(A)结合蛋白),mRNA的翻译产物(自主调控),核酸酶、病毒等因素对mRNA稳定性的控制。

关键词:mRNA序列;结合蛋白;翻译产物
中图分类号　Q522 文献标识码　B 文章编号　1007-7731(2007)11-27-03
Regul a ti on of eukaryote m RNA st ab ility
Han Fe iW ang Gao　(life science and agriculture school Hainan university,Hainan Haikou570228)
Abstract:The regulati on of eukaryote mRNA′s stabiluoy turnover is an i m portant deter m inant of levels of gene exp ressi on1 There are four main way t o regulati on of eukaryote mRNA′s stability:sequential ele ment of mRNA(5′-cap;5′-UTR; coding regi on;3′-UTR;poly(A)tail;reacti on of bet w een5′and3′);mRNA binding p r otein(5′Cap-B inding Pr otein; coding regi on p r otein;3′UTR-B inding Pr otein;poly(A)-B inding Pr otein);translati on p r oducti on of mRNA(I ndepend2 ently regulates);ribonuclease,virus and others fact or1
Key words:sequential ele ment of eukaryote mRNA;binding p r otein;translati on p r oducti on
对于真核生物的mRNA来说,它的半衰期、丰度、基因表达与调控之间存在着非常重要的联系。

mRNA的稳定性,即mRNA的半衰期,受内外因素影响而发生变化,而mRNA的稳定性变化会对基因表达产生调控。

因为mR2 NA半衰期的微弱变化可能在短时间内使mRNA的丰度发生1000倍甚至是更大的变化。

同时,mRNA水平的调节比其它调节机制更快捷、经济。

如编码c-f os和c-jun 的调节蛋白,它们的mRNA不稳定,因此调节转录本的稳定性可能成为调节基因表达的主要机制之一。

还有涉及分化和发育的基因主要受mRNA定位的选择性翻译而调控。

因此,探索mRNA稳定性控制机制对于研究细胞生长、分化、肿瘤的发生以及抗体对各种应激情况的发生有重要意义。

现将参与调控mRNA稳定性的各种因素概述如下。

1　真核生物mRNA的序列元件与mRNA稳定性111　5′-帽结构　真核mRNA5′-末端帽结构的功用有2个:①保护5′-端免受磷酸化酶和核酸酶的作用,从而使mRNA分子稳定;②提高在真核蛋白质合成体系中mR2 NA的翻译活性。

研究表明:如果细胞内的脱帽酶被mR2 NA中的序列元件激活,则有可能导致mRNA的降解。

因为在这种情况下,细胞中的5′→3′核酸外切酶,或者某种作用位点曾被帽结构及与其偶联的结合蛋白所屏蔽的核酸内切酶,此时便可乘虚而入,对失去帽结构的mRNA进行降解[1]。

112　5′-非翻译区(5′-UTR)　在5′-非翻译区参与mRNA稳定性调控的研究中,引人关注的是对原癌基因的研究。

正常的C-myc基因的mRNA不稳定,半衰期仅为0-15m in。

但突变的C-myc基因的mRNA被截短,它们有正常的编码区,3′非翻译区及poly(A),却没有了通常的5′端非翻译区。

但这截短了的mRNA的半衰期却比其正常的mRNA延长了约3-5倍。

正因为如此,淋巴节细胞才有可能被诱发产生超量的C-myc蛋白,从而使细胞异常增殖而导致癌变[2]。

113　编码区　真核基因的编码区同样也参与对mRNA稳定性的调节。

令人信服的证据是有关的组蛋白mRNA进行各种转换。

研究发现:突变后的mRNA的半衰期至少比正常转录本增加2倍以上,其原因可能是与终止信号的位置发生变化有关。

如果终止密码子发生突变,使核糖体得以继续前行进入3′-UTR,将激发mRNA降解。

这可能是因为扰乱了的RNA二级结构或调控稳定性的蛋白-RNA 之间的互作。

现已在哺乳动物的C-myc基因的mRNA的编码区中,检测到了一种可促使mRNA分子降解的序列元件,特称为不稳定子。

据报道:β-微管蛋白mRNA编码的N端四肽,在微管单体过量时可激发其mRNA迅速降解。

最近的研究表明这是由于核糖体有着某些偶联因子,它们可不同程度地破坏mRNA,而且这种活性受mRNA本身或蛋白因子的序列所决定。

在哺乳动物细胞C-fos基因的mRNA的编码区中也发现促使mRNA降解的序列元件,甚至已鉴定出一系列能识别这些不稳定性元件的结合蛋
72
安徽农学通报,Anhui Agri1Sci1Bull12007,13(11):27-29
作者简介:韩飞(1984-),男,安徽肥东人,研究方向为作物遗传育种。

收稿日期:2007-05-16
白。

由上述可见,编码区序列对mRNA稳定性的调控,多与翻译过程直接相关。

当然,有些作用机理,现在还没有真正的搞清楚[3]。

114　3′-非翻译区(3′-UTR)　3′-UTR对mRNA稳定性起着重要作用。

3′-UT R中最具普遍意义同时也是研究最为透彻的序列元件是稳定子-I R序列形成的茎环结构和不稳定子-AU的富含元件(ARE)。

许多真核基因转录本的3′-UT R都可形成茎环结构。

普遍认为该结构具有促进mRNA稳定的作用,其主要依据是,稳定的环结构既然能够阻碍反转录酶通过,则同样可望抵御3′→5′核酸外切酶的降解活性,从而在一定程度上加强了mR2 NA3′-末端的屏蔽作用。

典型例子是运铁蛋白受体mR2 NA上的铁效应元件。

ARE保守元件普遍存在于哺乳动物mRNA的3′UTR序列中,尤其是一些短寿命mRNA,包括许多编码生长因子的mRNA和C-fos mRNA。

ARE元件的核心序列通常是AUUUA,其作用最初是在哺乳动物粒细胞巨噬细胞集落刺激因子mRNA中发现的。

如今,ARE 常被定义为mRNA不稳定子,其启动mRNA衰变的机理大致是:先激活某一特异核酸内切酶切割转录本,使转录本脱去poly(A)尾,从而变得对3′→5′核酸外切酶敏感,然后再激活下一步的降解过程。

同时也可能通过对翻译的调控来间接地影响mRNA稳定性,因为ARE对翻译的抑制作用已在β-干扰素(I FN-β)、G M -CSF、C-fos及肿瘤坏死因子(T N F)中得以证实。

相对而言,植物基因对ARE序列元件的要求似乎不那么严格,因为只有个别叶绿体基因mRNA3′-UTR中具有类似的ARE元件,但叶绿体基因是一类兼有真核特性的原核基因。

植物中还发现一个也能导致mRNA不稳定的序列元件,即大豆等植物的S AUR基因3′-UTR中一段长约40nm的高度保守序列(D ST)。

D ST 和至今在哺乳动物细胞中鉴定的不稳定子都不同,或许,这是植物基因所特有的一种元件[4]。

115　poly(A)尾巴　自发现真核RNA3′-末端具有尾巴以来,就认为poly(A)参与mRNA稳定性的调控。

因为poly(A)尾巴缓冲了核酸外切酶对mRNA3′→5′方向的降解。

这一观点基于诸多实验:细胞质中poly(A)尾巴的长度多随着mRNA滞留时间的延长而逐渐缩短,尤其是一些短寿命mRNA,如C-f os,其poly(A)的缩短异乎寻常地迅速,对爪蟾卵等的研究发现,许多不同的mRNA经po2 ly(A)化后具有更高的化学稳定性;小鼠在渗透胁迫下抗利尿激素基因mRNA变得更稳定,伴随这种稳定的是po2 ly(A)长度的增加。

另一更直接的证据是,有人曾将一种很稳定的mRNA的poly(A)去除,结果其半衰期从原来的60多h,下降到只有4-8h。

不过,并非在poly(A)尾巴完全去除之后才开始进行3′→5′的核酸外切作用,而是poly(A)剩下不足10个A时,mRNA便开始降解,因为其不足10个A的序列长度无法与poly(A)结合蛋白高度亲和,其屏蔽功效自然也就丧失。

至于mRNA稳定性的增加究竟应归功于poly(A)本身的附加和删除还是poly (A)的长度,尚不清楚[5]。

116　两末端的相互作用提高mRNA稳定性　P ABP和CBP的相互作用不但能促进高效翻译起始,而且在维持mRNA的完整性方面也起着重要作用。

在酵母和哺乳动物mRNA降解时,去poly(A)的反应发生于去帽子之前。

Poly(A)首先降解导致P ABP从mRNA上释放,随着P ABP 的释放,5′-端帽子被脱帽子酶Dcp lP,Edc3p、Dcp2p、Dhhl p、L s m l p切掉,整个mRNA也迅速被5′→3′RNA核糖体外切酶XrnlP降解。

P ABP从mRNA上的释放使5′-端帽子易受攻击,P ABP在此过程中起了保护作用。

P ABP 能增强eEF4F和帽子结构的结合,说明P ABP是以e I F4G 为中介通过稳定e I F4E与帽子的结合来发挥其功能。

而在哺乳动物中,mRNA的去poly(A)发生在5′-端帽子降解之前,说明P ABP很可能以P A I P21为中介通过促进e I F4F与帽子结合而发挥其保护作用。

2　mRNA特异性结合蛋白与mRNA稳定性
211　5′-帽结合蛋白(Cap-B inding Pr otein,CB P)　至今已发现两种CB P:一种存在于胞质中,即e IF4E;另一种是存在于细胞核内的蛋白质复合体,它的结构和功能尚不清楚,称为帽结合蛋白复合体(CBC)。

e I F4E 与m7GG DP结合的构像已被鉴定出来。

e I F4E的α,β亚基组装成一个凹陷的臂,此臂由8个弯曲的β片层结构在3个长的α螺旋的基础上组成。

它的基底面为凹面,其中有一条长窄的帽结合槽。

在槽中有两个具有保守性的色氨酸侧链可以识别m7G,并将其夹在中间。

鸟嘌呤可以通过3个氢键与槽中一个保守性的谷氨酸的主链和侧链识别、结合,还可以与另一个保守性的色氨酸以范德华力结合。

这种结构可以解释e I F4E 与mRNA5′-端帽结构在翻译起始时怎样相互识别,也可以证明e IF4E与mRNA5′-端帽结构结合后可以抑制D cp1对5′-端帽结构的降解[1]。

CBC最初是在HELA细胞核提取物中发现的,它被认为与mRNA前体在体外剪接以及U系核小核糖核蛋白出核作用有关。

对提纯出来的CBC进行分析,发现它是由一个异源二聚体组成的复合物,包括一个80×103u的CBP和一个20×103u的CBP组成。

将CBP80进行氨基酸序列分析,发现在蛋白质的氨基端存在一个公认的二重核定位信号(NLS)。

此信号是从胞浆中摄取异源二聚体复合物入核所必需的,LCBP20是通过与CBP80共同转运进入核中,如果缺少了CBP80,CBP20就无法扩散入核质中。

CBP20的基本结构中有一个RNA结合域,两种亚基都是与帽结合所必需的,任何一个亚基在其独立存在时都不表现对帽或RNA链的亲和性。

这一发现提示,核内这种CBC和e I F4E是以不同的方式与帽结构识别、结合,从而调控mRNA稳定性。

212　编码区结合蛋白　在c-f os,c-myc,c-jun中存在
82
着能识别编码区中mRNA稳定性调节元件的结合蛋白。

例如:70kd蛋白与c-myc mRNA编码区结合,防止mRNA 降解,而竞争RNA与P
70
蛋白结合,可促进c-myc编码区暴露而易受核酸酶作用。

213　3′-UTR结合蛋白　在真核生物mRNA3′-UT R序列结合蛋白中,最引人注意的是ARE结合蛋白。

ELAV蛋白是现在已知对mRNA起稳定作用的ARE-binding fac2 t ors。

此外,还发现CP1(hnRNP E1)和HuR可以通过与mRNA3′-UTR中特定的序列结合,从而稳定renin mR2 NA。

这是由于CP1和HuR分别与renin mRNA3′-UTR 序列中的cis-acting C-rich sequences和AU-rich se2 quences互相作用,促进mRNA稳定。

214　poly(A)结合蛋白　研究最为深入的poly(A)结合蛋白当属P ABP。

研究表明,poly(A)-P ABP复合物是某些转录本维持稳定的必要成分,其作用是保护mRNA免受核酸酶降解。

然在酵母中,P ABP却启动poly(A)缩短,因为poly(A)-RNase(P AN)活性的发挥需要P ABP。

其P AN不同于已鉴定的任何一种真核RNase,它需要蛋白质-RNA复合物作为底物。

体外分析发现,P AN的脱po2 ly(A)机理与ARE刺激下的脱poly(A)可能类似。

对P AN的研究揭示了一些有趣的特性:(1)P AN的作用底物并非裸露的RNA,由此推翻“RNA结合蛋白总是保护RNA免遭降解”设想;(2)P AN活性可被远距离调控,这意味着导致mRNA不稳定的序列元件可以“隐藏”于mR2 NA的其它位置而不一定就在降解的启动位点;(3)P AN 可作为翻译起始因子,这与前面所述翻译过程本身也可能参与mRNA衰变的观点相符[6]。

3　mRNA翻译产物与mRNA稳定性
有些mRNA的稳定性受自身翻译产物的调控,这是一种自主调控,如组蛋白基因是细胞周期依赖性的。

在S期组蛋白mRNA达高峰期,以偶联新合成的DNA。

一旦DNA复制减缓、终止,组蛋白基因的转录、翻译也随之减慢、停止,且已合成的mRNA迅速降解。

实验证明,组蛋白mRNA的迅速降解是由DNA合成结束后余下的组蛋白所引发的。

推测组蛋白结合与mRNA3′-端区域,从而使3′-端对一种或多种核酸变的更敏感。

另一自主调控的实例是细胞中微管蛋白mRNA的稳定性与微管蛋白单体的浓度密切相关,提高细胞内微管蛋白单体的浓度,可使与核糖体结合的微管蛋白mRNA稳定性急剧降低。

这是由于游离的微管蛋白结合到刚从活跃翻译的核糖体上合成的新生肽链的N端4个氨基酸(甲硫氨酸-精氨酸-谷氨酸-异亮氨酸),由此向核糖体发生某种信号,激活了与核糖体偶联的核酸酶,从而使mR2 NA受酶切降解。

4　其他因素与mRNA稳定性
除上述因素之外,mRNA稳定性还受到核酸酶、病毒、胞外因素的调控。

以HS V为例,它和其它病毒一样,是靠捕获宿主细胞的蛋白合成装置来为已所用。

运铁蛋白受体mRNA的稳定性受细胞内外铁离子水平的调控;肌质网中的Ca2+泵调节心脏和平滑肌中的mRNA稳定性;神经生长因子通过磷蛋白ARPP-19调节G AP-43 mRNA的稳定性;一些正负调节因子通过钙和磷酸调节甲状腺旁mRNA的稳定性;在老鼠肺中发现,糖皮质激素增强脂肪酸合成酶mRNA的稳定性;cAM P通过特异的RNA结合蛋白控制人类肾素mRNA的稳定性。

当然,任何因素,可能最终都是通过核酸酶或结合蛋白来促成mRNA降解。

5　展望
mRNA的稳定性影响着基因的表达,许多因素如激素、病毒、离子通过我们尚未完全了解的机制影响mRNA 的稳定性,今后的工作需要继续鉴定和描述mRNA本身的结构和mRNA调节蛋白的结构与特性,以及了解mRNA 的翻译,多核蛋白体的结构和转移作用因子如何影响mR2 NA的半衰期。

如果我们了解了真核生物是如何调节mR2 NA的衰变速度,那么mRNA稳定性对于细胞生长、分化、肿瘤和感染的影响将会一目了然。

因此,有可能通过合理设计的药物来改变mRNA的半衰期来影响它对细胞生长、分化、感染及其它不良状态的反应。

参考文献
[1]李颖,冯建生1真核生物mRNA的帽结构与帽结合蛋白[J]1生
命科学研究,1999,3(4):286-291
[2]魏淑珍1mRNA的结构与基因表达的转录后调控[J]1衡水师
专学报,2(4):71-73
[3]钟珍萍,吴乃虎1真核生物mRNA稳定性的分子机制[J]1生物
工程进展,1997,17(3):34-38
[4]章国卫,朱睦元1真核细胞中mRNA的降解机制[J]1遗传,
1999,21(6):49-53
[5]熊高飞,熊向阳,张吉翔1mRNA结构及其稳定性的关系[J]1
细胞生物学杂志,2006,28:513-517
[6]胡云清1高等真核生物中mRNA稳定性的控制[J]1国外医学
遗传学分册,1997,20(1):44-45(李小丽编,汪季涛校)
(上接17页)二要切实抓好生猪生产。

各地区要高度重视生猪生产,加强疫病防治,鼓励发展标准化规模饲养,研究扶持养殖业发展的保险政策。

地方政府要根据实际情况对饲养母猪的养殖场和专业户给予适当补助,保护母猪生产能力,提高生猪出栏率,缓解生猪生产周期性波动对市场的影响。

中央财政对中西部地区养猪集中、贡献较大的地区给予适当补助。

三要组织好猪肉等副食品市场供应。

各地要做好产销区衔接,充分挖掘潜力,及时组织货源,增加市场投放,保证猪肉供应,做到不断档、不脱销。

特别要注意做好中心城市、大中专院校学生食堂以及传统节日的猪肉供应工作。

铁道、交通部门要对生猪运输给予优先安排。

四要严格控制玉米深加工盲目发展。

各地要停止新建、扩建玉米深加工项目,并对在建项目进行全面清理。

(下转49页)
92。