RNA剪接因子的结构与功能研究进展

RNA剪接因子的结构与功能研究进展 RNA剪接因子hnRNP的结构与功能研究进展 动物遗传育种 刘小艳 2005414 摘 要 RNA剪接是一个多步骤、形成多种中间状态复合物的复杂过程，尽管在已经发现的一百多种pre-mRNA剪接相关因子中，仅研究了约8%相关蛋白质的空间结构，已充分显示对剪接相关因子三维晶体结构以及溶液结构的测定与研究，在理解RNA剪接的复杂机理以及生物学特性中具有不可替代的重要意义( 关键词 RNA剪接，hnRNA结合蛋白，剪接体，晶体结构，溶液结构 原核生物中mRNA的转录与翻译几乎是同步发生的，而真核生物，转炉是发生在 尤其mRNA分子的寿命较长，在5’和3’细胞核内，翻译则在核外进行。真核生物RNA 两个末端都要受到修饰。而RNA剪接(RNA splicing)是tRNA、rRNA，特别是mRNA加工 剪接需与成熟的重要生物学过程，也是蛋白质分子多样性产生的关键机制之一。RNA要多种因子参与，包括杂性核RNA(heterogeneous nuclear RNA，hnRNA)，结合蛋白hnRNP (heterogeneous nuclear ribonucleoprotein)，小型核RNA (small nuclear RNA，snRNA)，结合蛋白snRNP(small nuclear ribonucleoprotein)等。在真核细胞内，RNA原初转录物的分子很大，通过剪接产生成熟的mRNA分子。hnRNP与hnRNA结合形成核酸蛋白质复合物hnRNPP(hnRNP particles)可穿梭于细胞核与胞质之间，具有转运和剪接RNA的作用。另一方面，snRNP与细胞核内snRNA (分子质量为100-200 nt的小RNA)紧密结合，而构成核内小核酸蛋白质复合物snRNPP(snRNP particles)，参与RNA剪接、多聚腺苷化以及转录拷贝3’端的成熟。 最近，Reed等通过蛋白质组学方法证明，与pre-mRNA剪接相关的蛋白质因子大[1],2,约有145种，它们参与RNA剪接过程中的不同环节。托普霉素亲和层析(tobramycin ,3] affinity-selection) 以及麦芽糖亲和层析(maltose-binding affinity)等方法能识别和分离70种以上的相关剪接蛋白质。由于RNA 剪接机制愈来愈受到国内外同行的关注，在最近几年中，部分pre-mRNA 剪接因子，尤其hnRNP的晶体及溶液结构获得了一些研究成果，为阐释RNA剪接的复杂机制提供了至关重要的信息。 1 hnRNP的结构与功能 hnRNP-A1 (又名解链蛋白1，unwending protein 1，A1)是真核细胞核hnRNPP复合物中含量十分丰富的分子(A1能与pre-mRNA结合，形成hnRNPP 复合物，并通过对几种富含Ser,Arg剪接因子的拮抗，以球状(globa1)调节因子的方式参与RNA 交替剪接(alternative splicing)，现为选择性地跨过某些外显子，实现5’端交替+ 剪接。A1蛋白不断地穿梭在细胞核和胞质之间，能将polyAmRNA从细胞核运输到胞,4]质，该过程的调节与其C端富含Gly结构域的结构相关。了解hnRNP A1与RNA相互作用中空间结构方面的信息，将有助于揭示RNA穿过细胞核膜以及剪接过程中的分子细节。 RNA 结合结构域(RNA binding domain，RBD; 又称RNA识别基序RNA-recognition [5]motifs，RRM)是蛋白质与RNA相互作用的常见结构域之一。在一定条件下，单个RBD就能特异识别RNA并进行高亲和的相互作用，但在某些情况下，需要多个RBD之间的协同才能实现蛋白质与RNA 的结合。人类hnRNP A1的N端具有两个RNA结合域，即RBD1,2]分辨率为0(19nm)研究表明，hnRNP A1含有两个在空间上相对和RBD2(晶体结构( 独立的BRD，彼此由一条linker连接。在未结合RNA 时，连接肽在空间上具有较大的柔性，这有利于RBD 与RNA 直接相互作用。两个RBD在空间位置彼此靠近，呈反平行排列，构成RNA结合平台(binding platform)，并且依靠两对Arg-Asp离子键来实现稳定。反平行RNA结合平台的存在，使得RNA 能够结合并集聚于该平台，形成浓缩状态，从而有利于RNA分子的剪接和运输。 尽管A1具有两个RBD (与其类似物U1A的RBD同源)，分别包含了4条反平行β折叠和两段α螺旋。但是，这两个RBD之间在结构上具有一定的差别，与RBD2相比较，RBD1的N端起始处存在一段310-α螺旋，这可能是与RNA直接结合的结构基础。Krainer和Steitz的研究工作很好地展示了两个RBD在空间上的折叠和相互靠近的完美空间[4，5,几何特性，及其与RNA结合时的相互协同机制。 1995年，Ishikawa等分离纯化了一种能与UUAG 片段特异结合的hnRNP，命名为[6,hnRNP Do(简称Do)。该蛋白质分子的中部具有两个RBD，且在其C端区域包括一个 box，富含Gly与Arg残基，因而被称作2×RBD-Gly结构。在hnRNP家族中，如A1、RGG- A2,B1和D0，共同具有能与RNA特异结合的2×RBD-Gly结构。RBD则被认为是RNA 剪接因子所共同拥有的特征结构。因此，在RBD蛋白家族中，这些蛋白质被归类为2×RBD-Gly亚家族。在D0分子中，RBD的N端区域有19个氨基酸残基插入序列，调节RBD对RNA底物的选择性结合，类似的插入序列在hnRNP A2,B1蛋白质中也能观察到。 尽管D0含有两个RBD (靠近N端为RBD1;C端为RBD2)，但其中任意一个都能与UUAG[7]片段特异性结合，同时还能选择性地与人类端粒重复序列单链d (TTAGGG)n特异性结合。RBD 的N端区域由两段α螺旋和4条反平行β折叠重叠形成，这是RNP-type-RBD 的共同结构特征。与RBD2不同的是，RBD1的两条α螺旋具有N一帽状盒(capping boxes)，第二条β折叠存在一个β凸起(β一bulge)，一条附加的反平行β折叠与一个β_转角的类似结构形成一个环区(1oop)。该环区的空间结构由氢键参与稳定。从RBD整体上看，与RNA相互作用的必需氨基酸残基在结合区的中央及边缘都有分布，中央区的氨基酸残基与RNA之间为非特异性相互作用，而边缘区的残基则与特异性识别相关。 [8]2001年，Katahira等采用NMR技术比较了D0中两个RBD在溶液中的结构，获得更为详细的结果。RBD2折叠成为RNP-type RBD 的特征结构，即α螺旋和β折叠共同参与的紧密折叠结构，一条反平行β折叠与两段α螺旋面对面叠在一起(除了与RNP—type RBD有相同的4条反平行β折叠外，还在其上游发现了一条额外折叠，被称为β4 (一)。为此，RBD2就含有5条β折叠，这与RBD1有较大的不同。化学位移微扰实验显示，与RNA 相互作用的必需氨基酸位于RBD2的β折叠边沿，即位于β4(一)与4个β折叠起始端之间(β4一β)。而RBD1的必需基团却位于对侧的α螺旋上。进一步实验表明，RBD2的RNA结合位点能以相同的方式与DNA相互作用。当未结合RNA时，RBD2的β4一β区域表现为相对缓慢(毫秒至微秒级) 的构象交换(conformational exchange)。RBD与RNA复合物的形成可以淬灭该构象交换(RBD2在空间上的柔性，可 能使D0在与RNA识别过程中产生不同的构象，从而发挥诱导契合的作用。 2 展 望 RNA剪接的相关因子中，仅有不到约8%蛋白质的三维空间结构进行了研在参与 究，并且在已经研究的因子中，只有部分Sm蛋白质，如B,B’、D1、D2、D3等形成 的复合物、hnRNP A1以及hnRNP D0的结构得到了较为完整的结构。尽管其他一些剪 接相关蛋白，如DEA(D,H)一box RNA螺旋酶家族的真核转译起始因子 elF4A(eukaryotic translation initiation factor 4A)。 TlP_39(tuberoindundibular peptide-39)片段、hnRNPK、YB-1(human Y-box protein 1)等晶体结构也有报道，但是大都是多肽片段与RNA复合物的三维结构(近年来的研 究表明，RNA剪接不但与胚胎发育、性别确定、激素分泌和细胞衰老等密切相关，还,9，10]与人类某些重大疾病的病理过程相关，如神经退行性疾病等( 随着本领域研究 的不断深入，RNA剪接因子结构与功能的研究必将成为一个重要的国际前沿领域( 【参考文献】 Z L， Lichllder J J，Gygl S P，et a1(Comprehensive proteomic analysis ,1,Zhou of the human spliceosome(Nature，2002，419 (12):182, 185 ,2,Hartmuth K， Urlaub H， Vornlocher H P，et a1(Protein composition of human prespliceosomes isolated by a tobramycin affinity—selection method( Proc Natl Acad Sci USA，2002，99(26): 16719,16724 ,3,Zhou Z， Sim J， Griffith J， et a1( Purification and electron microscopic visualization of functiona1 human spliceosomes(Proc Nat1 Acad Sci USA， 2002，99 (19):122O3, 12207 ,4,Xu R M ， Jokhan L， Cheng X，et a1( Crystal structure of human UP1， the domain of hnRNP A1 that contains two RNA-recognition motifs(Structure， 1997，5 (4): 559~ 570 ,5,Shamoo Y，Krueger U ，Rice L M ，et a1(Crysta1 structure of the two RNA binding domains of human hnRNP A1 at 1(75A resolution( Nat Struct Bio1， 1997，4 (3):215, 222 ,6,Kajita Y，Nakayama J，Aizawa M，et a1(The UUAG specific RNA binding protein，heterogeneous nuclear ribonucleoprotein D0(Commonmodular structure and binding properties of the 2×RBD-Gly family( J Bio1 Chem ，1995，270 (38):22167,22175 ,7,Nagata T， Kurihara Y， Matsuda G ， et a1( Structure and interactions with RNA of the N-terrnina1 UUAG-specific RNA-binding domain of hnRNP D0(J Mol Biol，1999，287 (2):221, 237 ,8,Katahira M，Miyanoiri Y，Enokizono Y，et a1(Structure of the C-terrnina1 RNA-binding domain of hnRNP DO (AUF1)，its interactions with RNA and DNA( and change in backbone dynamics upon complex formation with DNA. 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