RNA编接

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第906页（3984字）

现代生物学的核心问题是阐明真核生物的基因表达与调控机制。

RNA编接是向mRNA前体中插入或缺失数目不等的核苷酸残基，从而生成成熟mRNA的过程。它是动基体原生动物锥虫(Trypanosome)等生物体基因的一种普遍而独特的转录水平调控方式，对于分子生物学及遗传学研究具有重要意义。

1986年，本(R．Benne)等人在布氏锥虫(T brucei)和簇生型短膜虫(Crithidia faciculata)中首次发现了RNA编接现象。研究资料表明，在它们的线粒体细胞色素C氧化酶亚基Ⅱ(COⅡ)基因的转录物5’一端附近，含有4个非基因组编码的尿嘧啶核苷酸(U)残基。

由于这些额外编接的U序列的出现，恰好形成完整的开放阅读框(ORF)，从而抑制该基因分子内的移码，产生有活性的CO Ⅱ。1987年，费京(J．E．Z．Feagin)等指出，布氏锥虫细胞色素b蛋白(CYb)mRNA的5’一端含有34个非基因组编码的U序列，后者出现的结果是向mRNA中引入AUC起始密码子。1990年，科斯劳斯基(D．J．Koslowsky)、巴特(G．J．Bhat)分别发现布氏锥虫细胞色素氧化酶Ⅲ(CO Ⅲ)、NADH脱氢酶7(ND7)和ATPase6(A6)mRNA约50%的序列是由编接产生的，如此广泛的编接作用也是非基因组编码的。

1987年，鲍威尔(L．M．Powell)和陈(S．H．Chen)分别同时发现哺乳动物脱脂脂蛋白B48mRNA是通过U取代DNA编码的胞嘧啶核苷酸残基(C)产生的编接物。

1988年，托马斯(S．M．Thomas)发现副粘液病毒的P蛋白mRNA中编接了两个非基因组编码的鸟嘌呤核苷酸残基(G)。1989年，科威罗(P．S．Covello)、高珀拖(R．T．M．Gualberto)、拉马丁那(L．Lamattina)和黑塞尔(R．Heisel)分别报道，在高等植物月见草和小麦线粒体基因组编码的NADH脱氢酶亚基1 mRNA中有28个位点发生向U的编接转变，说明RNA编接现象广泛存在于真核生物中。但是，迄今尚无报道在原核生物中是否存在RNA编接。

由于RNA编接表观上是在非基因组指导下进行的分子遗传学过程(无DNA模板)，因此，它的发生机制引起国际生物学界的高度重视。

1988年，爱珀瑞海姆(J．M．Abraham)应用Notthern吸印杂交术和cDNA顺序测定技术揭示，编接是转录后发生的，并可能是从Ploy(A)化的初级转录物3’一端逐步向5’一端进行；同时指出，核糖体与编接无关。1989年，贝卡拉瑞(N．Bakalara)证实在动基体原生动物利什曼(Leishmania)线粒体中存在末端尿嘧啶核苷酰转移酶(TUTase)和RNA连接酶活性。

1990年，珀罗姆(B Blum)和贝卡拉瑞等在RNA编接机制研究中获得重大进展。

他们在利什曼线粒体中发现一类新的称作指导RNA(guide RNA，gRNA)的重要分子，提出动基体原生动物RNA编接的分子模型。动基体原生动物线粒体DNA(kDNA)非常特殊，每个kDNA系统包括约104个小环和50个大环DNA分子，以高度有序方式排列在一起，形成所谓的动基体。在用计算机搜寻已知的利什曼大环DNA顺序中是否存在能与被编接RNA形成G∶U碱基对位点时，珀罗姆发现有7段大环DNA顺序可与4个mRNA前体形成14到51个碱基的正确配对(包括形成G∶U配对)。

他们进而用相应的寡核苷酸探针对线粒体RNA作Northern吸印，证明这些用计算机确定的顺序确实是被转录的，生成的转录物大小与tRNA相似，他们称之为gRNA。原则上，这些gRNA的5’一端顺序可与未编接mRNA的相应区域形成多达16个碱基对的配对。这一潜在的相互作用引导珀罗姆提出RNA编接的机制是由gRNA指导下的单方向异源双链修复的观点。根据这一模型，gRNA5’一端可与转录后的未编接mRNA前体形成部分双链，然后在此锚区上游(mRNA5’一端方向)的第1个错误配对位点上进行一系列的修复反应，包括在错配位点进行内切断裂，由TUTase添加末端U残基和由3’－外切核酸酶或TUTase逆反应切除U残基或嘌呤核苷酸残基，最后由RNA连接酶将修复位点重新连接起来。因此，在动基体原生动物中发生的编接是由gRNA的顺序提供信息指导完成的。但是，gRNA不是作为通常概念上的模板发挥其功能的，因为，编接插入的U是与gRNA中的G配对的，而G∶U碱基对不能满足任何已知的RNA或DNA聚合酶的专一性。

尽管如此，通过RNA编接的遗传信息传递仍然是通过形成互补碱基对完成的。所以，RNA编接实质上还是由基因组指导完成的。

1990年，珀罗姆使用杂交选择技术分离测定了CYb等3种基因的gRNA，发现在它们的3’一端都具有非基因组编码的O1igo(U)尾，用计算机确定的2级结构说明，这些3’一Oligo(U)尾参与识别编接位点和稳定初始的gRNA－mRNA前体杂交物。

1991年，珀罗姆应用聚合酶链式反应(PCR)和Northern吸印技术证明，gRNA与mRNA形成杂交双链分子，gRNA的3’－oligo(U)尾共价连接在RNA编接位点上，说明编接插入U残基很可能是由于TUTase催化的转酯反应，为其编接模型提供了重要证据。

1990年，斯特姆(N．R．Sturm)应用Northern和Southern吸印技术及计算机分析，发现动基体小环DNA编码了CO Ⅲ的gRNA，首次揭示小环DNA的遗传学功能。同年，斯特姆应用PCR和顺序测定技术扩增并测定了利什曼CO Ⅲ和CYb经部分编接后的mRNA和cDNA顺序，结果表明，编接按严格的3’向5’方向进行。

但是，1990年，狄克(C．T．Decker)运用同样的技术，测定了经部分编接的锥虫CYb和CO Ⅲ mRNA和cDNA顺序，却发现锥虫CYb和CO Ⅲ的编接是随机进行的，并不严格按3’→5’方向进行。据此，狄克提出，编接是在gRNA指导下随机插入和缺失U的平衡过程，并由gRNA选择正确的编接产物。1991年，科斯劳斯基用PCR、cDNA克隆顺序测定技术分析指出，锥虫ND7和A6的编接也不是严格按3’向5’方向进行的。因此，RNA编接方向及编接机制的阐明，仍有待于更有力的生物化学及遗传学证据。

1991年，格瑞夫(J Greeve)应用无细胞抽提物编接反应系统、RNase处理和肝素－Sepharose纯化方法证明，大鼠ApoB48 mRNA的编接不需要其它RNA参与，是由一个纯蛋白性的编接酶催化完成的，其编接机制与动基体原生动物的完全不同。1991年，松默(B．Sommer)应用PCR、基因组southern吸印及顺序测定技术发现，在小鼠脑中谷氨酸激动的数种离子通道蛋白亚基中一个位点发生A向G的编接转变，由此决定了该通道蛋白的药理学的和生理学的特性。

1991年，魏辛格(B．Wissinger)应用PCR、cDNA克隆顺序测定技术证明，月见草线粒体ND1mRNA通过反式剪接作用生成。其外显子和内含子部分许多位点均发生C向U编接转变，而且内含子顺序中发生的编接作用对于ND1mRNA的反式剪接是必需的。由此可见，RNA编接的机制和功能是多种多样的，随物种不同而异。

应用PCR、核酸顺序测定和分子杂交技术，今后将会在更多的生物体中发现RNA编接现象，找出RNA编接位点的核酸序列规律。配合遗传缺陷型、位点定向诱变技术和体外生物化学系统分析，可以将参与RNA编接的各种组分确定并分离纯化，并把它们重组成体外编接系统，从而阐明RNA编接的机制、生物学功能及其进化意义。

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【参考文献】：

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2 Weiner A M, et al.Cell, 1990,61:917

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7 Cattaneo R. Ann Rev Genet, 1991,25:71

8 Greeve J, et al.Nucl Acids RES, 1991,19:3569

9 Wissinger B, et al. Cell,1991,65:473

10 Sommer B, et al. Cell ,1991,67 :11

(中国药科大学药理研究室陈丁丁撰)