转录后加工

在转录中新合成的 RNA 往往是较大的前体分子，需要经过进一步的加工修饰，才转变为具有生物学活性的、成熟的 RNA 分子，这一过程称为转录后加工。主要包括剪接、剪切和化学修饰。

（一） mRNA 的加工

 

在原核生物中转录翻译相随进行，多基因的 mRNA 生成后，绝大部分直接作为模板去翻译各个 基因所编码的蛋白质，不再需要加工。但真核生物里转录和翻译的时间和空间都不相同， mRNA 的合成是在细胞核内，而蛋白质的翻译是在胞质中进行，而且许多真核生物的基因是不连续的。不连续基因中的插入序列，称为内含子（ intron ）；被内含子隔开的基因序列称为外显子（ exon ）。一个基因的外显子和内含子都转录在一条很大的原初转录本 RNA 分子中，分子量达 1 × 10⁷ ～ 2 × 10⁷ 。而且很不均一，故称为核内不均一 RNA （ hnRNA ）。它们的寿命很短，只有几分钟。首先降解为分子较小的 RNA ，再经其它修饰转化为 mRNA 。真核细胞 mRNA 的加工包括：（ 1 ） hnRNA 被剪接（ splicing ），除去由内含子转录来的序列，将外显子的转录序列连接起来。（ 2 ）在 3 ′末端连接上一段约有 20 ～ 200 个腺苷酸的多聚腺苷酸（ poly A ）的“尾巴”结构。不同 mRNA 的长度有很大差异。（ 3 ）在 5 ′末端连接上一个“帽子”结构 m⁷ GpppmNp 。（ 4 ）在内部少数腺苷酸的腺嘌呤 6 位氨基发生甲基化（ m⁶ A ）。

（二） tRNA 的加工

 

原核生物的 tRNA 基因的转录单元大多数是多基因的。不但相同或不同的 tRNA 的几个基因可转录在一条 RNA 中，有的 tRNA 还与 rRNA 组成转录单元，因此 tRNA 前体的加工过程包括剪切、剪接（需要核酸内切酶和连接酶催化），在 3 ′ - 末端添加 -CCA_OH 、以及核苷酸修饰转化为成熟的 tRNA 。 tRNA 中含有许多稀有碱基，所有这些碱基均是在转录后由四种常见碱基经修饰酶催化，发生脱氨、甲基化、羟基化等化学修饰而生成的。

（三） rRNA 的加工

 

原核细胞首先生成的是 30S 前体 rRNA ，经核糖核酸酶作用，逐步裂解为 16S 、 23S 和 5S 的 rRNA ：

原核生物 16S rRNA 和 23S rRNA 含有较多的甲基化修饰成分，特别是 2- 甲基核糖。一般 5S rRNA 中无修饰成分。在真核细胞中 rRNA 的转录后加工与原核细胞类似，但更为复杂。 rRNA 在核仁中合成，生成一个更大 35 ～ 45S 前体 rRNA 。前体分裂而转变为 28S 、 18S 和 5.8S 的 rRNA 分子。真核生物 5S rRNA 前体是由独立于上述三种 rRNA 之外的基因转录的。真核生物 rRNA 中也含有较多的甲基化成分。

有关 RNA 剪接、剪切机制的研究不仅发现了 RNA 分子本身具有催化功能，促使人们对酶的本质是蛋白质的传统观念进行重新评价，而且对于了解生命的起源和进化是有力的推动。 1981 年 Cech 研究组首次报导了喜温四膜虫 26S rRNA 前体能自我切除内含子，这一过程完全没有蛋白质参与。目前已发现的具有催化功能的 RNA 有磷酸二酯酶（核糖核酸酶）、磷酸单酯酶、核苷酸转移酶、磷酸转移酶、 RNA 限制性内切酶、 tRNA 5 ′端成熟酶、α -1,4- 葡聚糖分支酶和肽基转移酶等。人们把具有催化活性的 RNA 称为核酶（ ribozyme ）。

目前研究表明核酶催化 rRNA 、 tRNA 、 mRNA 的剪接机理是不相同的。 RNA 内含子有四种类型，即Ⅰ型自我拼接内含子、Ⅱ型自我拼接内含子、核 mRNA 内含子和核 tRNA 内含子。

Ⅰ型内含子自我拼接首先发现于原生动物喜温四膜虫 26S rRNA 前体（约 6 400 个核苷酸）中，一个含 413 个核苷酸的内含子的切除。此拼接过程需要有一价和二价阳离子以及鸟苷（或鸟苷酸）存在，方可自我催化剪接。该过程为二次磷酰基的转移反应，无需供给能量。鸟苷在此作为辅因子，提价游离的 3 ′ -OH ，接受内含子的 5 ′ - 磷酰基，产生上游外显子 3 ′ -OH 。紧接着发生类似的第二次磷酰基的转移，即下游外显子 5 ′端磷酰基转移到上游外显子 3 ′ -OH 上，释放出内含子，两个外显子完成拼接。

Ⅱ型内含子自我拼接主要存在于线粒体和叶绿体的 RNA 前体和 mRNA 的前体中，拼接反应是另一种类型的内含子自我剪切，它不需要鸟苷辅因子而是依靠内含子中一个腺苷酸的 2 ′ -OH 接受内含子的 5 ′ - 磷酰基，同样发生二次磷酰基的转移。完成拼接并释放套索式的内含子。核 mRNA 前体的拼接过程与Ⅱ型内含子类似，不同之处在于它是在 U-snRNP （富含尿嘧啶的核内小分子 RNA 和蛋白质复合物）的参与下完成的。

核 tRNA 前体的拼接过程是先由核酸内切酶切除内含子顺序，然后在激酶、连接酶和磷酸酯酶的作用下把两个 tRNA 半分子连接起来。 1984 年美国 Altman 证实了 tRNA 前体的 5 ′ - 末端成熟过程由 RNase P 催化。该酶除了蛋白质组分外，还含有一条 375 个核苷酸的 RNA 分子。在体外，当提高 Mg² 浓度时，单独的 RNA 组分就可催化 tRNA 5 ′ - 末端的剪切过程。 Cech 和 Altman 因 20 世纪 80 年代初的重要发现，同获 1989 年度的诺贝尔化学奖。

 

类病毒、拟病毒和卫星 RNA 的自我剪切机制目前已有很多实验表明只要满足“锤头”状（或发夹状）二级结构和十几个核苷酸的保守序列，剪切反应就会在锤头结构右上方自动发生。