核仁小分子RNA的结构_功能与合成

核仁小分子RNA的结构_功能与合成 核仁小分子 的结构、功能与合成RNA 陆勇军 屈良鹄 ( )中山大学生命科学学院, 广州 510275 关键词 前体加工 伴侣 snoRN A rRN A RN A 九 十 年 代 以 来, 许 多 新 的 核 仁 小 分 子 snoRN A 分子的一级和 二 通过对大量 ( ) 陆续被发现。 它们的大小一 级结构比较, 的结构元件被一一确 RN A snoRN A snoRN A 般在几十到几百个核苷酸, 能与特定的蛋白 定。按其结构特点, 可以将目前已知的 snoR 2 2 () 质如核纤蛋白 或 自身免 ƒ( ) f ib r illa r in T h T o 分为两大类: 1ƒ类。 它们的N A bo xC D 疫抗原等相结合生成 在细胞中稳 , () snoRN P 5 ’端 有 端 有 , 3bo xC U GA U GA ’ bo xD定地存在, 并且富集于核仁区。是一( ) snoRN A 。 一 般 在 的 下 游 还 有 一 个CU GA bo xC 类新的核酸调控分子, 在真核生物核糖体的之 间 含 有 一 个 bo xD ’, 而 在 bo xD ’ 和 bo xD 生物合成中起关键作用。基因组织 SnoRN A bo xC ’。 bo xC ’ƒD ’一 般 仅 有 一 个 核 苷 酸 与 在生物进化过程中的多样性, 促使人们从新 ƒ不同。 大部分该类 序列中bo xC D snoRN A 的角度更加全面地认识真核生物基因的结或 的上游都包含一段长 8, 14的bo xD D ’ n t 构、组织与基因表达的机制。 重组 snoRN A 的一段保守核心序列 片段, 与成熟的 rRN A 在基因调控和基因治疗中有重要的应用前 互补。 具有互补序列的 bo xC D 类 snoRN A ƒ景。对 的研究已成为真核生物分子 snoRN A 也 称 为 反 义 ( snoRN A an t isen se生物学的一个新领域。 3 ) 。 ƒ类 的转录前 snoRN A bo xC D snoRN A 1. sn oRNA 的命名 体一般都能形成末端配对的茎2环结构, 该结 广 泛 分 布 于 从 哺 乳 动 物 至 单SnoRN A 构对蛋白质与 的结合、的snoRN A snoRN A 1 () 2 末端保护是必需的。 细胞生物酿酒酵母的细胞中。截至 1999 年bo xH ƒA CA 类。 它 2 月止, 国际分子生物学数据库中各种生物们的 3’端第 3 个核苷酸的上游有一个保守 的 三核苷酸序列“”或类似于“”的 A CA A CA 的总和已达 240 余种。 由于 snoRN A snoR 2结构, 如“”、“”等。 该类 A GA A U A snoRN A 的数目增加很快, 目前还没有统一命名 N A 可以形成相似的二级结构: 整个分子可形成 系统。 一般, 哺乳动物是以“”命名的, 按照U 两个发夹结构, 由一个单链的铰链区相连接, 被发现的先后次序编号, 如 、等; 酵1422 U U 该 铰 链 区 含 有 保 守 的 序 列 母的 大部分用“”来命名, 也以 bo xH snoRN A snR ()(发现次序编号。早期曾根据分子长度编号, 如 A N A N N A 。RN a se M R P RN A m ito cho n2 ) () 是另一种类型 即现在的酵母 该方法现已不 128 14, d r ia l RN A p ro ce ssin g RN A snR U 的 目 前 只 发 现 一 种, 是 核 酸 酶 , 用。 snoRN A 的核酸成分, 也称为 722 、2. sn oRNA 的结构 RN a se M R P RN A 是非常重要的, 它们 进一步研究 sRN A 〔徐丰、金由辛译自W a ssa rm an KM 等. 可能具有我们还想象不出的功能, 了解这些 〕 1999, 7: 37T ren d s in M ic robiology, 功能将非常有助于了解细胞调控的机理。 722ƒ。 不同生物的该类 M R P RN A snoRN A 没有发现共同的结构元件, 却有相似的二级 前体及原核生物 结构, 该结构与参与 tRN A rRN A 前体切割的 RN a se P RN A 很 相 似, 都有中央笼状的保守结构及形成类似的假 结。 3. sn oRNA 的功能 1 ()1 参与 前体加工rRN A 前体的加工是由一个称为 核糖体 RN A 图 1 参与 rRN A 前体加工的 snoRN A 。m , 鼠; , 酿酒酵母; , 非洲爪蟾。虚框表示作用位 , snoRN P 是加工体 yx 加工体的复合物完成的 点未确定的 。snoRN A 的重要组成部分。虽然详细的机制尚待阐明, 义 互补的 片段都包含有一 snoRN A rRN A ) ( 但 是, 迄今已 、、酵母及 723814 U U U 个 2’22核糖甲基化的位点, 该位点恰好与O 的 缺 失 可 以 阻 止 2ƒM R P RN A 等 snoRN A 上 游 第 5 个 核 苷 酸 互 补, 表 明 反 义 bo xD )(前体的加工。其中 酵母、人、3 14 rRN A U U snoRN A 与 该 位 点 的 甲 基 化 修 饰 有 密 切 关 ()) (酵母、人、人等是 前体早期加 22 U rRN A 系。 目前已证明, 该位点的甲基化修饰系由)( 工 所必需, 而 爪蟾、及酵母的 7223 8 ƒU U 的 反 义 片 段 与 下 游 的 bo xC ƒD 类 snoRN A 前体 M R P RN A 和 RN a se P 参与了 rRN A bo xD 共同指导完成, bo xC ’ 也参与了甲基转 () 的晚期切割 图 1。 移反应的过程。因此这类 又称为指 snoRN A ( )类 反 义 指 导 2 bo xC ƒD snoRN A 4(导 甲 基 化 的 snoRN A M e th y la t io n gu ide 中 2’22核糖的甲基化修饰 rRN A O ) 。snoRN A 根 据 已 知 的 ƒ类 反 义 bo xC D snoRN A () 有趣的是, 部分 及 中 sn o RN A tRN A 的序列, 用计算机搜索, 寻找具有该特征的 的核苷酸也存在核糖的甲基化修饰及假尿嘧 序 列, 发 现 了 一 大 批 新 的 反 义 DN A snoR 2 5 、6 啶, 其中及的甲基化修饰已2 6 U U snoRN A 。经过系统比较发现, 与 ƒ类反N A bo xC D 指导 前体的修饰。ƒ类反义 指导 中 2’22核糖的 . 图 2 SnoRN A rRN A Abo xC D snoRN A rRN A O 甲基化修饰。ƒ类 指导 中尿嘧啶向假尿嘧啶的转换。. Bbo xH A CA snoRN A rRN A snoRN A 的成熟依赖于宿主基因的转录。 内 被证明也是由 snoRN A 指导完成的。核仁作 为甲基化修饰中心的地位正在被重新认识。的发现, 是九十年代 含子序列编码 snoRN A ( ) 3 类 指 导初分子生物学领域的一个重大进展, 也是继 ƒbo xH A CA snoRN A 4 “断裂基因”发现之后基因概念的又一重大突中尿嘧啶向假尿嘧啶的转换rRN A 的宿 在哺乳动物 生物合成过程中, 大 破。 值得指出的是, 虽然编码 snoRN A rRN A ()主基因多为高效表达的看家基因, 但是有一 约有 95 个尿嘧啶被转换成假尿嘧啶 。同7 些宿主基因的外显子序列并不具有保守性, 核 糖 甲 基 化 修 饰 一 样, 这 一 转 换 也 是 在也没有稳定的转录产物, 相反, 这些基因的内 前体合成的早期完成的。 结构分析和 rRN A 含子却编码高度保守的 分子。如哺 snoRN A 遗传学的证据证明, ƒ类所形成的bo xH A CA () 乳动物的 基因 U H G U snoRN A ho st gen e 特定序列互补, 而该互 的 内 含 子 编 码 了 8 个 类 的 ƒrRN A 二级结构能与 bo xC D snoR 2 补结构决定了“”向“”的转换。U 7 但其外显子并无任何蛋白质产物, 似乎, N A 3() 4伴侣RN A 7 。 同的成熟的 必须以特定的构象与 蛋 U H G 基因就是专门编码 snoRN A rRN A ( 白质亚基结合, 才能构成能行使功能的核糖 样, 编码 和 都是 ƒ 17 19 U U snoRN A bo xH ) 体。如上所述, ƒ类反义 具有 类的宿主基因也不具有编码蛋白质的 bo xC D snoRN A A CA 功能。 因此, 和以前的观念相反, 基因的内含 与 互 补 的 片 段, 有 少 数 如 rRN A snoRN A 子“反客为主”的现象可能是相当普遍的。 目 、等还具有两个互补片段, 这些互补1424 U U ( 中保 前已有越来越多的调控元件和新的基因 如rRN A 片段以相当密集的方式覆盖了 ) 守的区域。 在体外培养的处于对数生长期的 反义 基因等被发现位于内含子中, 看 RN A 哺乳动物细胞中, 指导甲基化的 分来基因内含子的概念正在更新。 snoRN A 内含子 的基因组织及加工 成 基本同步, 每个 snoRN A 子的代谢周期与成熟 rRN A 熟机制也是当前一个重要的研究课题。 根据 细胞的 snoRN A 拷贝数非常接近于延伸中 加工的研究而 的 前体转录物的数目。在整个转录过对哺乳动物内含子 snoRN A rRN A 8 前 提出的“外切酶模型”认为, 哺乳动物内含程中反义 snoRN A 一直与新生的 rRN A 子 的成熟只与内含子形成的套索 体结合, 完成修饰功能后在 RN A 解旋酶的 snoRN A 催化下迅速从 前体中解离, 再与另一 结构有关, 由外切酶对去分枝的内含子序列 rRN A 个新生的 前体结合。 基于以上现象,进行加工, 释放出成熟的 分子。 该 rRN A snoRN A 模 型 能 解 释 一 个 内 含 子 编 码 一 个 高级构象的形 snoRN A 推测 snoRN A 参与了 rRN A 的现象, 与哺乳动物和其它生物中大都只有成过程, 即伴侣的作用。该推测尚待实验的进 一个内含子编码一个 的报道是一 snoRN A 一步证实。致的。但是, 目前在单细胞生物酿酒酵母和植 4. sn oRNA 的基因组织、表达及成熟 物 中 发 现 了 成 簇 存 在 的 的 基 因,snoRN A 有两种基因组织。 一种是独立snoRN A 转录的基因, 如 U 3、U 8、U 13 等, 在基因的侧 snoRN A 基因簇的发现指出了“外切酶模型” 翼序列含有启动子、终止子及相关的其它顺 的局限性, 因为这些基因簇首先转录成一个 前体, 而该前体的成熟 式调控元件, 这类基因多为单拷贝, 随机散布 多顺反子的 snoRN A 于染色体基因组中, 由 聚合酶 转录。 至少需要一种内切酶的参与。如在酵母中, 非 ?RN A 内含子序列的 和 相连成串, 两 14 190 U snR )(独立转录的 植物、722等则3 ƒU M R P RN A 者相距仅 66, 它们转录的共同的前体是由 bp 由 聚合酶? 转录。 另一种 的 RN A snoRN A ( 内切酶 该酶是 ? 的同源1 RN A R n tRN a se 编码序列位于蛋白质基因的内含子中, 这类 9 5 ) 分子加工成熟的。等在酿酒酵母两 snoRN A 的结构和功能的 用前景。从迄今对 Q u 至少可以有三个方 个转录方向相反的未知功能的蛋白质基因的 研究结果来看, snoRN A ( )面 应 用: 1 间隔序列中, 鉴定出了由 7 个 ƒ类反利 用 人 工 合 成 的 snoRN A 在 bo xC D 义 的基因组成的基因簇, 该基因簇 rRN A 或其它 RN A 中引进新的核苷酸修饰 snoRN A 进 行 加 工; 在上游一个远端启动子的控制下, 首先转录 位 点, 或 在 特 定 位 点 对 该 RN A () 2 改 造 成 能 携 带 核 酶 的 重 组 成一个多顺反子的前体, 然后再由 1 和将 snoRN A R n t ( ) 即 对特定目标序列 , 切割, 释放出成熟的 分子。值 1snoRN A sno r ibo zym eR a tp snoRN A () 进行切割; 3最后在人类端粒酶 组分RN A 得指出的是, 多个结构和功能相同的基因相 结构域对 连成簇, 并受一个共同的启动子控制, 这种基 中发现的 bo xH ƒA CA 类 snoRN A 因组织非常类似于原核生物中的操纵子结 端 粒酶 RN A 的装配、3’末端的加工及端粒 酶的活性都是必需的。 因此, 根据 构。 在植物中独立基因或内含子序列组成的 snoRN A 10 、11 的结构和功能元件设计具有新的调控功能的基因簇也不断有报道, 尤其是我们实验 应用研究的新 领 室在水稻 基因第一个内含子中发现70 重组 RN A , 将是 snoRN A H sp ( 及 域。6 个 不 同 类 型 的 ƒ了由 snoRN A bo xC D ) 6. 展望类基因组成的基因簇, 为研究 ƒbo xH A CA 内含子基因簇的协同表达和加工机制提供了 10 年来, snoRN A 结构及功能的研究 近 一个良好的模型, 有关研究正在进行中。 取 得 了 突 破 性 进 展, 特 别 是 1996 年 以 来, 生 物 合 成 过 程 中 的 两 大 基因的 研 snoRN A 在 rRN A 对各种生物内含子 snoRN A 功能—— 指导 中 2’22核糖的甲基化 , 在不同生物中, 同一个 snoRN A 可 rRN A O 究发现 修饰及尿嘧啶向假尿嘧啶的转换被确定后,以由不同的宿主基因编码, 或由同一基因的 4 在分子生物学界刮起了“核仁风暴”, 该领 不同内含子编码, 甚至在同一种生物中一个 域已成为分子生物研究的热点之一, 欧美各 基 因 也 可 以 位 于 不 同 的 宿 主 基 因 snoRN A 国都有重要的实验室投入该领域的研究。 目 中, 如爪蟾的 表明 基因在进14, U snoRN A 指导的假尿嘧啶合成的相 化过程中具有转座性或可移动性。前, 参与 snoRN A 大 关酶类已被陆续分离和鉴定, 近期内将可望 目前在脊椎动物中发现的 snoRN A 分离鉴定催化核糖甲基转换反应的酶, 进一 , 而在酿酒酵母中发 都由基因的内含子编码步阐明 指导甲基化和假尿嘧啶形 snoRN A 现的 多由独立的基因转录, 这种现 snoRN A 成的机制。另外, 随着各种模式生物基因组计 象可能与酿酒酵母大约只有 4% 的基因含有 划的完成或顺利开展, 以及基因识别技术的 内含子有关。 然而, 令人感兴趣的是, 一些在 开发, 将有越来越多的生物的 被鉴 snoRN A 脊 椎 动 物 中 由 内 含 子 序 列 编 码 的 snoRN A 定, 在此基础上有可能发现新的基因组织、新 在酵母中的同源分子却由独立的基因转录, 如 、、等, 反 映 了 生 物 合 1434 U ZZsnoRN A 成 途径的多样性。 研究内含子序列编码的 类型和功能, 从而为彻底阐明核 snoRN A 的 与由独立基因转录的同源分子之间 snoRN A 糖体生物合成的机制奠定基础。 内含子功能 的进化关系, 对阐明真核生物基因及内含子 片段数据的不断积累, 有助于我们了解内含 的起源和结构进化具有重要意义。 子本身的起源和进化以及内含子编码的遗传 5. sn oRNA 在基因调控和工程方面的应用 信息在真核生物基因组的表达和进化中的作 ( 用。 与 其 它 小 分 子 如snoRN A RN A ) , 它们 在起源及功能上的相互关系、作为一种核酸调控分子snoRN A snRN A RN A() 修饰与 编辑之间的关系、的结在基因工程 如基因治疗方面具有重要的应RN A snoRN P 人线粒体 基因突变与疾病tRNA 王学敏 杨雨善 ( )第二军医大学, 上海 200433 关键词 线粒体 基因突变 tRN A 线粒体是体内重要的细胞器, 存在于胞 cep h a lom yop h th y, lac t ic ac ido sis an d ) 质内。许多生物化学反应都在线粒体内进行,, , 2syn d rom eM EL A S st ro k elik e ep iso de s 其中尤为重要的是通过氧化磷酸化作用产生常在 40 岁以前发病, 患者出现癫痫发作, 脑 的 功能障碍如共济失调、痴呆并伴有间歇性呕 A T P , 供生命活动需要。 线粒体内 tRN A (吐和乳酸性酸中毒等; 遗传性耳聋肾病综合 总数只有 22 个 核编码的 总数至少为 tRN A )30 多个。这样, 线粒体 与编码氨基酸 征, 有进行性肾功能不全、听力丧失、视力减 tRN A 之比基本是 1: 1, 若某一种线粒体 基退、血尿、蛋白尿、管型尿、复发性肾盂肾炎,tRN A 因发生影响功能的突变, 则其它 不能20, 30 岁死亡。另有几种少见的突变均可出 tRN A 进行补偿。而且线粒体 的主要功能是 现 在 该 基 因 中: 3252、3256、3260、3271、tRN A np L eu (U U R ) 参与体内呼吸链氧化磷酸化 13 个酶亚基的 3291; 其中 点突变可见 3260 tRN A np (于母系遗传性肌病和心肌病 合成, 因此, 许多与氧化磷酸化功能缺陷相关M a te rn a lly in 2 的疾病与人线粒体 基因突变有关。目,tRN A h e r ited m yop a th y an d ca rd iom yop a th y 基因 ) 前已比较明确的伴有人线粒体 tRN A , 突变位点在反密码环的茎中。M M C L ys 点突变的疾病如下: 2. 基因 ?、8356 ?、8344 tRNAn pA GTC () L eu UUR[ 1 ][ 1、2 ]1. 基因 ?突变 3243 tRNAn pA G 8363 ?突变GA 这个 识别亮氨酸 、两 tRN A U U A U U G 该类突变可见于肌阵挛性癫痫和不规整 L eu (U U R )(个密码子。突变发生在 环红 纤 维 病 2tRN A D HU M yo c lo n ic ep ilep sy an d ragged 的第一位碱基, 可见于非胰岛素依赖性糖尿) 中枢神经系统 , , red f ib e r d isea seM ER R F 病; 神经性耳聋; 线粒体肌脑病伴乳酸性酸中 受累, 表现为肌肉消瘦、肌阵挛性癫痫、小脑 (毒 及中风样发作综合征 共济失调、痴呆、感觉神经性耳聋、扩张性心M ito cho n d r ia l en 2 2. B a lak in A G et a l. C el l, 1996, 86: 823 构和体外组装、snoRN P 在加工体中与其它 3. . , 1995, 20: 261B ach e lle r ie J P et a lT rend s B ioch em S ci 和蛋白质的相互作用也是目前正在研 RN A 4. . , 1997, 89: 669Sm ith CM et a lC el l 究的课题。可以相信, snoRN A 研究的不断深 5. . , 1999, 19: 1144Q u L H et a lM ol C el l B iol 入及基因组中其它功能 分子的不断发 RN A 6. . , 1996, 260: 178N ico lo so M et a lJ M ol B iol 现, 将会极大地丰富我们对现有的生物基因 7. . , 1996, 379: 464T ycow sk i KT et a lN a tu re 8. . , 1995, 9: 1411K iss T et a lG enes & D ev 结构和组织的认识,“组学”将成为未来 RN A 9. . , 1998, 17: 3726C h anf reau G et a lEM B L J 分子生物学的一个重要组成部分。 10. . , 1997, 16: 5742L eade r D J et a lEM B L J 11. 屈良鹄等.《自然科学进展》, 1997, 7: 371 参 考 文 献 ( )本文 1999203218 收到 1. M axw e ll E S et a l. A nnu R ev B ioch em , 1995, 35: 897