mRNA选择性剪接的分子机制_cropped

1、mRNA选择性剪接的分子机制_croppedMolecularMechanismofmRNAAlternativeSplicingZHANGGuo2Wei,SONGHuai2Dong,CHENZhu()ShanghaiInstituteofHematology,RuijinHospital,Shanghai200025,ChinaAbstract:Eukayoticpre2mRNAsaresplicedtoformmaturemRNA.Thepre2mRNAsalternativesplicinggreatlyincreasesthedi2()versityofproteinsandtheco

2、mplexityofgenesexpression.Therecognitionofsplicesitescanoccuracrossintronintrondefinition()oracrossexonexondefinition.Therearemanykindsofalternativesplicingpatterns,includingthechoiceofalternativesplicingsites,thechoiceofalternativesplicingends,thealternativesplicingofmutuallyexclusiveexons,andanint

3、roncanbeexcisedfromorretainedinmRNA.Thesplicesiteschoiceprocessisregulatedbymanykindsofcis2actingandtrans2actingelementsandiscloselyrelatedwiththebasicsplicingprocess.Someofthesplicingfactorsinbasicsplicingprocesscanregulatethealternativesplicing.Thealternativesplicingisalsoaco2transcriptionalproces

4、s.Promoterscanregulatealternativesplicingandproducediffer2entmRNAisoforms.Manymolecularmechanismsofalternativesplicinghavebeenproposed,anditwasalsofoundthattheRNAed2itingandtrans2splicingcouldalsoregulatealternativesplicing.Keywords:mRNA;alternativesplicingmRNA选择性剪接的分子机制章国卫,宋怀东,陈竺()上海市瑞金医院上海血液学研究所,上

5、海200025摘要:真核细胞mRNA前体经过剪接成为成熟的mRNA,而mRNA前体的选择性剪接极大地增加了蛋白质的多()(样性和基因表达的复杂程度,剪接位点的识别可以以跨越内含子的机制内含子限定或跨越外显子的机制外显)子限定进行。选择性剪接有多种剪接形式:选择不同的剪接位点,选择不同的剪接末端,外显子的不同组合及内含子的剪接与否等。选择性剪接过程受到许多顺式元件和反式因子的调控,并与基本剪接过程紧密联系,剪接体中的一些剪接因子也参与了对选择性剪接的调控。选择性剪接也是1个伴随转录发生的过程，不同的启动子可调控产生不同的剪接产物。mRNA的选择性剪接机制多种多样,已发现RNA编辑和反式剪接也可参

6、与选择性剪接过程。关键词:mRNA;选择性剪接()文章编号:03792417220040120102206中图分类号:Q522文献标识码:A，31机制对人类基因组的大规模测序使人们发现人类基。Modrek等人通过大规模的EST分析发因组所含有的基因数目远少于原来的估计，也远少35%，59%的基因存在选择现在人类基因组中有于细胞中蛋白质的数目，这说明基因表达的复杂性性剪接，而这仍可能是一个明显低估的数值。其中要远超过人们的想象。已知可增加蛋白质种类和数70%，88%的选择性剪接产生改变了的蛋白质产量的方式有DNA重组、RNA编辑和选择性剪接等,物,大多数都涉及功能的改变,如改变了蛋白质的氨基端或

7、羧基端、或者增删了某个功能区域等。mRNA的选择性剪接是产生如此众多蛋白质的主要收稿日期:2003-04-07;修回日期:2003-07-31()作者简介:章国卫1970-,男,博士研究生。研究方向:遗传学。E2mail:zhanggw()可以被选择保留或切除图1,e;多个外显子可以()进行不同组合的可变拼接图1f；内含子可以被选1mRNA剪接的基本模式()择保留在mRNA中图1,g等。这些不同的剪接形以外显子和内含子为单元的基因结构形式在真,产生了不同的剪接产物。式形成了不同的剪接组合核生物中普遍存在,人类基因中的大多数都含有内有时候这种剪接组合产生的产物数目是极其惊人含子。因此通过切除内含

8、子把外显子按一定的顺序的。如果蝇的Dscam基因经选择性剪接产生的产物达38000余种,超过果蝇整个基因组基因数目的两拼接起来形成成熟的mRNA,再经过翻译产生蛋白质就是1种最普遍的基因表达方式。现在已经知倍。道,mRNA的剪接是基于对剪接位点的识别基础上,由被称为剪接体的核酸蛋白复合物完成的。剪接体包含了5种SnRNP和超过200种的蛋白质因子,这些蛋白质因子有富含精氨酸和丝氨酸的SR蛋白和4非SR蛋白包括hnRNP、RNA螺旋酶、激酶等。剪接复合体的形成开始于UlsnRNP结合至5，剪接位()点和SF1splicingfactor1、U2snRNP结合至3剪接位点处的分支点,U2snRNP

9、的结合需要辅助因子U2AF,U2AF由65kDa和35kDa两个亚基组成,U2AF65识别多聚嘧啶区域,U2AF35识别3剪接位图1mRNA选择性剪接的方式点的AG,随后U2snRNP结合到分支点上,从而形成Fig.1PatternsofmRNAalternativesplicing了剪接前体。最后U5和U4n6snRNP的结合完成剪接体的组装，经过两个连续的转酯反应完成了内含53内部外显子的选择调控子的切除和外显子的连接。选择性剪接位点选择机制与基本剪接机制是紧选择性剪接的基本形式2密联系的，剪接体中的剪接因子也参与了对选择性剪接的调控。剪接位点的选择受到许多顺式元件和在不同的真核生物基因中

10、，外显子和内含子的反式因子的调控，顺式元件可以位于外显子内或位长度往往有很大差别，有的外显子很长而内含子很(于内含子内，反式因子可以通过识别正性剪接增强短，而大多数脊椎动物基因的外显子常常很短，一般)()子或负性剪接沉默子的顺式元件对不同的剪接在50,300核苷酸,而内含子却很长,常常达到数万位点进行选择。调控选择性剪接的反式因子有两核苷酸,平均长度有3365核苷酸,因此外显子之间类:基本剪接因子和特异性剪接因子。基本剪接因常被很长的内含子所间隔。这两种结构形式的基因子间的协同作用和拮抗作用以及相对浓度的改变可的剪接位点的识别机制不同。对于小内含子基因,以影响剪接位点的选择,特异性剪接因子可以

11、调控剪接因子识别内含子两侧的剪接位点形成剪接复合特异的剪接过程。()体，称为内含子限定introndefinition;对于大内含子剪接增强子多位于它们所调节的剪接位点附基因，剪接因子寻找外显子两侧相匹配的3和5剪近，有助于吸引剪接因子到剪接位点上，变更它们的(接位点形成剪接复合体称为外显子限定exondefi26位置可使剪接活性发生很大改变，甚至使它们转变)nition。这预示着当剪接位点的突变或者其他因成为负调控元件。一类富含嘌呤核苷酸的外显子剪素影响剪接体的形成时，就会影响外显子拼接的进()接增强子exonsplicingenhancer，ESE是最常见的一()行，从而产生外显子被跳过e

12、xonskipping的现象。()种剪接增强子。如果蝇的doublesexdsx基因的第已经发现的选择性剪接形式有多种，几乎包括,3四个外显子中就存在这么一个ESE,通过促进对较了所有可能的形式:通过选择外显子上不同的5，弱的3剪接位点的作用而促进上游内含子的剪()或3,剪接位点进行选择性剪接图1,a、b;对5,末7,8切。调控因子Tra,Tra2和两个SR蛋白结合其()端和3，末端的选择性剪接图1,c、d;内部外显子上,从而促进了U2AF结合到前面的3,剪接位点完,还可以通过剪接装置自己结合到剪接位点附近的7成剪接；在雄性个体中没有Tra的表达，此时第四外的调控位点而受到抑制。如果蝇的P元件

13、转位酶()显子被跳过图2,a。也可以以类似的方式调控5，第三外显子中有1个无功能的假5,剪接位点起了沉剪接位点,如果蝇的fruitless基因的选择性剪接中，默子的作用，使UlsnRNP结合在它上面，从而使真在雄性个体中较上游的5,剪接位点发生剪接，而在正的5,剪接位点上没有UlsnRNP结合，导致剪接被雌性个体中，Tra,Tra2和SR蛋白结合到ESE上促使阻止而使得在果蝇的体细胞中第三外显子被跳3()。类似的在caspase22的mRNA前体中，在第九U1结合到较下游的5，剪接位点发生剪接图2,b,过()内含子下游有一段100核苷酸长度的片段IN100，ESE也可以同时促进较弱的5,和3,

14、剪接位点参与剪9接反应。SR蛋白在ESE的剪接调控功能中发挥其中含有一段序列与真正的3,剪接位点非常相似，重要作用。这类高度保守的RNA结合蛋白含有1这段序列作为一个“诱饵”参与了剪接过程,但不能()个或2个RNA识别基序RRM,并在C端有富含精与第九外显子产生剪接产物，从而导致第九外显子11氨酸和丝氨酸的RS区域。RRM决定了SR蛋白与的跳过,使得第八和第十外显子直接相连。RNA结合的活性,RS区域介导了蛋白质和蛋白质的在剪接的负调控中，hnRNP是一类与抑制元件相互作用。在剪接反应中，SR蛋白介导了U1snRNP相互作用的重要蛋白，hnRNP能结合新生mRNA而抑制剪接的发生。hnRNPA

15、1结合mRNA前体，使得和U2AF间的相互作用，促进U1snRNP和U2AF结合在剪接位点上。在选择性剪接中，SR蛋白结合到U1snRNP只能结合远端较强的5剪接位点，近端较ESE上，促进U2AF结合至3剪接位点或UlsnRNP弱的5剪接位点不被结合。SR蛋白与hnRNPAnB蛋白或U2AF相互作用调控了对不同剪接位点的选结合至5剪接位点。剪接增强子也可存在于内含子12择中，如在哺乳动物基因Src中就存在1个内含子剪。SR蛋白SF2nASF能和hnRNPAI相互竞争结()接增强子合intronsplicingenhancer，ISE，但它的作用mRNA前体，干扰hnRNPA1与mRNA前体的结

16、10合，使得U1snRNP能与所有的5剪接位点结合，从模式与ESE有所不同。最近，Li等人发现在内而使剪接体可以选择较近的5剪接位点。SF2nASF含子中存在着大量潜在的5剪接位点，它们中的与hnRNPA1之间相对浓度的变化调控了5剪接位9415%上游都含有1个或多个与其前面的外显子同点的选择。另外与ESE结合的SR蛋白还可以拮抗框的终止密码子。这些终止密码子会影响其下游这()与外显子剪接沉默子exonsplicingsilencer，ESS结合的hnRNP的抑制作用。多聚嘧啶区域结合蛋白些5剪接位点的选择,当这些终止密码子发生突变()PTB也是一种剪接负调控因子,参与了剪接调控时,这些5剪接

17、位点会参与剪接,产生剪接产物。这的许多过程。能与U2AF竞争结合多聚嘧啶区域,表明在细胞内可能存在着1个与剪接相偶联的检查对3剪接位点起负调控作用。PTB也能抑制5剪接机制以保证在mRNA剪接中阅读框架的正确。位点,并且可能通过包裹外显子使其不被剪接体结7,8,12合而使外显子被跳过。也有一些特异性剪接因子在特定的组织或特定的发育阶段起作用。果蝇()中的SXLsex2lethal是1种类hnRNP蛋白,只在雌性个体中表达,SXL结合到tra的mRNA前体中两个3剪接位点中较上游1个位点的多聚嘧啶区域,从而阻遏了U2AF的接近而使其选择下游较弱的3剪接位点,使得在雌性个体中表达TRA引起了一系列

18、的连锁反应,最终导致了雌性性别决定。图2ESE的剪接调控作用机制Fig.2ModelsforsplicingactivationbyESE4伴随转录的选择性剪接许多起抑制作用的顺式元件,它们即可位于外显子内也可位于内含子中。剪接位点可以被二级结,mRNA的转录和转录后越来越多的证据表明12,15构抑制,也可以通过反式因子的结合而达到调控目加工这两大过程是紧密联系的,RNA聚合酶?15,18（）大亚基的C端结构域CTD在mRNA转录和剪接的物。12偶联中起中心作用。CTD磷酸化后可以与mRNA加Ccderes等人在他们一系列实验的基础上提出了两个由启动子控制的选择性剪接模型：募集模工过程中参与5

19、端加帽、剪接和多聚腺苷酸化的反（）型图3,a、b,启动子负责对剪接因子的募集。结式因子相结合,从而可以引导这些因子到达mRNA合在两个启动子X,Y上的RNA聚合酶?具有相同前体上相应的位置。如CTD可以促使在剪接中起的聚合活性,但启动子X,Y募集剪接因子如SR蛋重要作用的SR蛋白结合至mRNA前体。Fong等人白至CTD的能力不同，启动子Y的募集能力弱，导16（致中间外显子被跳过；RNA聚合酶？延伸模型图最近的工作证明,UsnRNP能与人转录延长因子TAT2SF1相互作用并极大地增强RNA聚合酶的延）3,c、d,启动子控制了转录加工的进程。在启动子伸活性,表明转录和剪接的偶联比人们预想的还要X

20、上RNA聚合酶?加工进程慢,致使较弱的3剪接紧密。在细胞环境中mRNA前体的剪接是伴随着转位点可被识别剪接,启动子Y上RNA聚合酶?加工14,17录同时进行的动态过程,同样的,选择性剪接也进程快,致使下游较强的3剪接位点与上游位点竞是一个伴随转录发生的过程,不同的启动子选择可争,造成上游外显子被跳过。致使产生不同的剪接产物；不同结构的启动子也可以导致发生不同的剪接过程,产生不同的剪接产Piiku_j7厂丨IPhmi4j：rXlriuiuij：rYTT鑒ImnihvXIIlkIIFhinrljXIbU.FdlTjiiliJ.4亠乂tGiiii|：rX1汕TFwfecM；怡图3由启动子控制的选择性

21、剪接模型Fig.3Modelsofalternativesplicingcontrolledbypromoter着另一些不同的内含子,主要的类型是GC2AG形25式。ThanarajTA和FrancisClark对人类基因转录5剪接末端的选择调控()本EST和mRNA序列进行了剪接序列比对,发现()mRNA5末端的帽结构和帽结合蛋白CBC与015%的内含子是GC2AG型,5%的可选择内含子是GC2AG型,62%的GC2AG内含子是可选择内含子。聚集于第一个5剪接位点处的剪接复合体决定了第一个外显子的位置。而对于3末端的确定则要更复GC供体位点要弱于GT供体位点,为了能被剪接体识别,组成型GC2

22、AG内含子拥有很强的保证同U1杂,在一些mRNA前体中存在多个多聚腺苷酸位点,对多聚腺苷酸位点的不同选择将改变mRNA的编码和U5nU6snRNA结合的保守序列。而大量的可选择区或3UTR结构。多聚腺苷酸位点的存在有3种形内含子在其供体位点处拥有较弱的保守序列,这为22():1串联形式图3,a，在3UTR排列着两个式位点的选择提供了基本的机制。而且，这些内含子()以上的多聚腺苷酸位点可供剪接;2复合形式图几乎总是含有几个可选择的受体位点以及十分弱的)3,b,在内部的某个外显子中隐含有1个5剪接位多聚嘧啶区域，多聚嘧啶区域似乎在剪接中不起作点以及其后的1个多聚腺苷酸位点，当5剪接位点用,而在受体

23、位点AG后的两个碱基的保守性很强,不被识别时转录在这个多聚腺苷酸处终止,当它被这可加强U2AF35对受体位点的结合,这可能是一识别时,此处的多聚腺苷酸位点与内含子一起被切种GC2AG型可选择内含子调节剪接位点选择的机()除,转录在下游的多聚腺苷酸位点终止;3外显子制。()跳过形式图3,c，与前者不同之处在于含有多聚腺苷酸的内部外显子中没有5剪接位点,此时外显7RNA编辑调控选择性剪接子被整个切去。对位点的选择受识别位点强弱的影26响以及3末端加工复合体中诸因子的浓度和活性变RueterSM等人在1999年发现RNA编辑可23化的调控。也发现有一些顺式元件和反式因子以调控大鼠ADAR2mRNA的

24、选择性剪接。ADAR2是1个双链RNA特异的腺苷脱氨酶,在哺乳动物影响了位点的选择,这些因子可能影响最后1个外mRNA的编辑中，可特异地将腺苷转变成为次黄苷。显子3剪接位点的剪接或多聚腺苷酸化过程。如在B淋巴细胞的分化中hnRNPF可与CstF264竞争结他们发现了由两个不同的选择性剪接过程产生的合Ig重链mRNA前体而调节了对多聚腺苷酸位点ADAR2mRNA产物。其中1种剪接过程选择了近处24的受体位点，在ADAR2编码区中加入了47个核苷的选择。1亠II,|1/X吐n酸，改变了原来的编码框。核酸序列分析表明其近处和远处的受体位点分别是AA和AG，选择近处的受体位点必须通过ADAR2的编辑功

25、能将AA转变成AI，AI可以象AG一样被识别，证明RNA编辑也可参与选择性剪接过程。8反式剪接与选择性剪接mRNA的产生并不一定局限于单个基因中。人体中已知有4个细胞色素P4503A基因:CYP3A4、CYP3A5、CYP3A7和CYP3A43，都有很高的相似性，由13个外显子组成，并有保守的外显子内含子边图4mRNA前体3末端的剪接模式Fig.4Modelsforalternativepoly(A)siteselection界，在第七染色体中成簇存在。FintaC和Zaphiro227Ppoulos发现CYP3AmRNA是个嵌合体，是由CYP3A43的第一外显子连接到CYP3A4或CYP3A

26、56GC2AG型内含子的剪接外显子上而形成的。由于CYP3A43与CYP3A4和绝大多数内含子都符合GT2AG规则,但也存在CYP3A5是头对头排列的,因此通常的绕过转录终止12AaronCGoldstrohm,ArnoLGreenleaf,MarianoA.Garcia2Blanco.点的剪接机制不能解释这一现象。可能的机制是反Co2transcriptionalsplicingofpre2messengerRNAs:considerationsfor式剪接将相互独立的mRNA上的外显子连接成为一themechanismofalternativesplicing.Gene,2001,277:

27、31,47.个转录本,而且这一过程并不影响多聚腺苷酸的形13YickWFong,QiangZhou.Stimulatoryeffectofsplicingfactorsontranscriptionalelongation.Nature,2001,414:929,933.成,这或许又是一种mRNA的选择性剪接机制。ChangqingZeng,SusanMBerget.ParticipationoftheC2terminaldo2至今,许多不同的mRNA选择性剪接机制已被14mainofRNApolymerase?inexondefinitionduringpre2mRNA揭示,我们可以看到这是

28、一个非常复杂的世界,但了splicing.MolCellBiol,2000,20:8290,8301.解很少。mRNA的选择性剪接增加了蛋白质组的多PaulaCramer,CGustavoPesce,FranciscoEBaralle,AlbertoRKorn21528样性,并且与人类疾病的发生有着密切的联系,blihtt.Functionalassociationbetweenpromoterstructureandtranscriptalternativesplicing.ProcNatlAcadSciUSA,1997,94:11456,了解选择性剪接的机制有助于我们更深入地了解基1146

29、0.因组和基因表达的方式及蛋白质的功能,疾病发生PaulaCramer,JavierFCaceres,DemidnCazalla,SebastidnKadener,16的机制。然而，要了解这一机制的详细内容，还需要AndresFMuro,FranciscoEBaralle,AlbertoR.Kornblihtt.Couplingof进行对在不同细胞中基因序列、作用因子及其相互transcriptionwithalternativesplicing:RNApol?promotersmod2作用更全面和详细的研究。ulateSF2nASFand9G8effectsonanexonicsplicin

30、genhancer.MolCell，1999，4:251，258.SebastianKadener,JuanPabloFededa,MichaelRosbash,AlbertoR()References:参考文献17Kornblihtt.Regulationofalternativesplicingbyatranscriptionalen2hancerthroughRNApol?elongation.ProcNatlAcadSciUSA，1BarmakModrek，andChristopherLee.Agenomicviewofalternative2002，99:8185，8190.spli

31、cing.NatureGenetics，2002，30:13，19.AdaliPecci,LucianaRochaViegas,JoseLinoBaranao,MiguelBeato.SusanM.Berget.Exonrecognitioninvertebratesplicing.JBiol182PromoterchoiceinfluencesalternativesplicinganddeterminestheChem，1996，270:2411，2414.balanceofisoformsexpressedfromthemousebcl2Xgene.JBiolBrentonR.Grave

32、ley.Alternativesplicing:increasingdiversityinthe3proteomicworld.TrendsGenet，2001，17:100，107.Chem，2001，276:21062，21069.GretchenEdwalds2Gilbert，KristenL.Veraldi，andChristineMilcarek.DouglasL.Black.Mechanismsofalternativepre2messengerRNA194splicing.AnnuRevBiochem,2003,72:291,336.()AlternativepolyAsites

33、electionincomplextranscriptionunits:AJavierLopez.Alternativesplicingofpre2mRNA:developmentalcon2meanstoanend?NucleicAcidsRes,1997,25:2547,2561.5sequencesandmechanismsofregulation.AnnuRevGenet,1998,32:JingZhao,LindaHyman,ClaireMoore.FormationofmRNA3endsin20279,305.Eukaryotes:mechanism,regulation,andi

34、nterrelationshipswithotherChristopherWJSmith,JuanValcdrcel.Alternativepre2mRNAsplic2stepsinmRNAsynthesis.MicrobiolMolBiolRev,1999,63:405,6ing:thelogicofcombinatorialcontrol.TrendsBiochemSci,2000,25:445.381,388.KristenLVeraldi,GeorgeKArhin,KathleenMartincic,Ling2HsiuBiancaJLam,KlemensJHertel.Ageneralroleforsplicingenhancers21Chung2Ganster,JeffreyWilusz,ChristineMilcarek.hnRNPFinfluenc2inexondefinition.RNA,2002,8:1233,1241.7esbindingofa642kilodaltonsubunitofcleavagestimulationfactortoBinghuiLi,ChaimWachtel,Ela