第二节RNA转录后的加工与修饰
不论原核或真核生物的rRNAs都是以更为复杂的初级转录本形式被合成的，然后再加工成为成熟的RNA 分子。然而绝大多数原核生物转录和翻译是同时进行的，随着mRNA开始的DNA上合成，核蛋白体即附着在mRNA上并以其为模板进行蛋白质的合成，因此原核细胞的mRNA并无特殊的转录后加工过程，相反，真核生物转录和翻译在时间和空间上是分天的，刚转录出来的mRNA是分子很大的前体，即核不均一RNA。hnRNA 分子约只有10%的部分转变成成熟的mRNA，其余部分将在转录后的加工过程中被降解掉。
（一）mRNA的加工修饰
原核生物中转录生成的mRNA为多顺反子，即几个结构基因，利用共同的启动子和共同终止信号经转录生成一条mRNA，所以此mRNA分子编码几种不同的蛋白质。例如乳糖操纵子上的Z、Y及A基因，转录生成的mRNA可翻译生成三种酶，即半乳糖苷酶，透过酶和乙酰基转移酶。原核生物中没有核模，所以转录与翻译是连续进行的，往往转录还未完成，翻译已经开始了，因此原核生物中转录生成的mRNA没有特殊的转录后加工修饰过程。
真核生物转录生成的mRNA为单顺反子，即一个mRNA分子只为一种蛋白质分子编码。
真核生物mRNA的加工修饰，主要包括对5’端和3’端的修饰以及对中间部分进行剪接。
1．在5’端加帽
成熟的真核生物mRNA，其结构的5’端都有一个m7G-PPNmN结构，该结构被称为甲基鸟苷的帽子。如图17-9所示。鸟苷通过5’-5’焦磷酸键与初级转录物的5’端相连。当鸟苷上第7位碳原子被甲基化形成m7G-PPNmN时，此时形成的帽子被称为“帽0”，如果附m7G-PPNmN外，这个核糖的第“2”号碳上也甲基化，形成m7G-PPNm，称为“帽1”，如果5’末端N1和N2中的两个核糖均甲基化，成为m7G-PPNmPNm2，称为“帽2”。从真核生物帽子结构形成的复杂可以看出，生物进化程度越高，其帽子结构越复杂。
图17-9 Post-transcriptional modification of mRNa showing the 7-methylguanosine cap and poly-A
tail.
真核生物mRNA 5’端帽子结构的重要性在于它是mRNa 做为翻译起始的必要的结构，对核糖体对mRNA 的识别提供了信号，这种帽子结构还可能增加mRNA的稳定性，保护mRNa 免遭5’外切核酸酶的攻击。
2．在3’端加尾
大多数的真核mRNA 都有3’端的多聚尾巴（A)，多聚（A)尾巴大约为200bp。
多聚（A)屠巴不是由DNA编码的，而是转录后在核加上去的。受polyA聚合酶催化，该酶能识别，mRNa 的游离3’-OH端，并加上约200个A残基。
近年来已知，在大多数真核基因的3’一端有一个AATAA序列，这个序列是mRNa 3’-端加polyA尾的信号。靠核酸酶在此信号下游10-15碱基外切断磷酸二酯键，在polyA聚合酶催化下，在3’-OH上逐一引入100-200个A碱基。关于polyA尾巴的功能问题尽管经过极其广泛的探索，但还不完全清楚。有人推测polyA可能与mRNA从细胞核转送到细胞质有关，但是相当数量，的没有polyA屠巴的mRNA如组蛋白mRNA，也照样通过核膜进入细胞质。还有人认为这种结构对真核mRNA的翻译效率具有某种作用，并能稳定mRNA 结构，保持一定的生物半衰期。
3.mRNA前体（hnRNA）的拼接
原核生物的结构基因是连续编码序列，而真核生物基因往往是断裂基因，即编码一个蛋白质分子的核苷酸序列被多个插入片断所隔开，一个真核生物结构基因中含子的数量，往往与这个基因的大小有关，例如胰岛素是一个很小的蛋白质，它结构基因只有两个含子，而有些很大的蛋白质，它的结构基因中可以有几十个含子。经过复杂的过程后，切去元，将有编码意义的核苷酸片段（Extron外元也叫外显子）连接起来（图17-10）。
图17-10 Primary polymerase 11transcript of a eukaryote gene showing (a)introns after capping and addition of polyA tail.(b)Excision of introns to form the mature mRNA is called splicing.
真核生物的结构的基因中具有可表达活性的外显子，也含有无表达活性的含子，但含子序列下是无意义的，越来越多的实验证明有许多基因中的含子参与基因表达调控，在转录时，外显子及含子均转录到hnRNA 中。在细胞核中hnRNA进行剪接作用，首先在核酸切酶作用下剪切掉含子；然后在连接酶作用下，将外显子各部分连接起来，而变为成熟的mRNA，这就是剪接作用，也有少数基因的hnRNA不需进行剪接作用，例如α-干扰素基因，图17-11以卵清蛋白基因为例，介绍一个典型的转录及加工过程。
图17-11 卵清蛋白基因转录及加工过程
图中外显示以1、2、3、4……表示，含子以A、B、C、D…表示
mRNA的拼接，需要在拼接部位有供拼接识别的保守性强的一致顺序，通过对100多种真核细胞基因的分析，发现外元和元拼接部位部分碱基顺序有一定的规律（见表17-4）。
表17－4 含有元的转录产物其拼接处的碱基顺序
基因区域Exon Intron Exon
卵清蛋白元2 UAAG GUGA ～～～～～～～ACAGGUUG
卵清蛋白元3 UCAG GUAC ～～～～～～～UCAGUCUG
β-珠蛋白元1 GCAG GUUG ～～～～～～～UCAGGCUG
表中划线的碱基对拼接识别有重要作用，如将兔的β-珠蛋白的拼接部位的GT改为AT后，拼接反应即受到影响。
mRNA前体拼机制
图17-12 The RNA splicing mechanism.RNA splicing is catalyzed by a spliceosome formed from the assembly of U1,U2,U5,and sn RNPs(shown as green circles )plus other components (not shown).After assembly of the spliceosome ,the reaction occures in two speps:in step 1the branch-point A nucleotide in the intron sequence,which is located colse to the 3'splice site ,attacks the 5'splice site and cleaves it;the cut 5'end of the intron sequence thereby becomes covalently linked to this A nucleotide,forming the branched nucleotide shown in Figure 8-55.In step 2 the 3'-OH end of the first exon sequence,which was created in the first step,adds to the beginning of the second exon sequence,cleqving the RNA molecule at the 3'splice site;the two exon sequences are thereby joined to each other and the intron sequence is released ad a ribosone.These splicing reactions occur im the nucleus and gengerate mRNa molecules from primary RNA transcripts (mRNA precursor
molecules).
mRNA拼接反应需要有核小分子RNA参与它们与蛋白质形成的复合物称为小核糖核蛋白颗粒，SnRNA分别被命名为U1,U2,U3,U4,U5,和U6RNA。SnRNA中的U2RNA由与元右端拼接部位附近的UACUAA顺序高度互补，形成一个环状结构，由特定的酶来识别切除该环状结构，完成拼接过程，如图17-12所示。
图17-13 Mechanim of mRNa splicing.Note that,for clarity,the process is shown in two stages;energy is not required for the process since transesterification reactions are involved.
真核生物 mRNA前体在剪接过程中，还可以形成套索样的结构，在含子序列中常有一个分支部位的腺苷酸残基，它的2’-OH可以自动攻击含子5’端与外显子1连接的磷酸二酯键，切开了外噗子1，而腺苷酸原来已有3’，5’--磷酸二酯键相连的两个相邻的核苷酸残基，加上此3’，5’-磷酸二酯键连接后，在腺苷酸处出现了一个套索，已被切下的外显子1的3’-OH攻击含子3’末端与外显子2之间的3’，5’-磷酸二酯键，键断裂后，含子以套索的形式被节下来，此时外显子1和外显子2可以连接起来（图17-13）。
不论拼接过程如何，拼接必须极为精确，否则会导致遗传信息传递障碍，合成的蛋白质可能丧失其正常的功能。我国南方广区是β-地中海贫血的高发区，这是由于β-珠蛋白链的合成受到部分或完全抑制所引起的一种血红蛋白病。实验表明β-珠蛋白基因元1中核苷酸的点突变改变了正常拼接部位的碱基顺序，结果造成错误部位的拼接。加工成熟的mRNA虽能翻译，但产物不是正常的β-珠蛋白，结果引起血红蛋白级结构和功能的改变。
（二）rRNA转录后加工
原核生物rRNA转录后加工，包括以下几方面：①rRNA前体被大肠杆菌RNaseⅢ,RNaseE等剪切成一定链长的rRNA分子；②rRNA在修饰酶催化下进行碱基修饰；③rRNA与蛋白质结合形成核糖体的大、小亚基（见图17-14）
图17-14 大肠杆菌rRNA前体的加工
真核生物rRNA前体比原核生物大，哺乳动物的初级转录产物为45s，低等真核生物的rRNA前体为38s，真核生物5sRNA前体独立于其他三种rRNA的基因转录（图17-15)。
图17-15 真核生物rRNA前体的加工
真核生物rRNA前体中含有插入顺序，rRNA前体要形成成熟的rRNA，需要经过拼接反应。例如，四膜虫的rRNA前体的拼接是一种无酶催化的自动拼接过程。四膜虫基因组，26srRNA编码的区域有413bp的插入顺序。该插放序列可以不消耗能量从rRNA前体中被除掉。用SDS煮沸和用蛋白酶外理等破坏酶活性办法，都不能破坏拼接活性，但反应中Mg2+和鸟嘌呤核苷酸是必在的。用32P-GTP进行追踪实验表明，起始过程是GTP在插入顺序5’端发生亲核反应，同时GMP与5’端切点的切除段形成磷酸二酯键并使原RNA断开。第二步是5’切点的外元3’-OH与3’切点的外元5’-P共价连接，获得成熟的rRNA，被切除部分最后环化，形成一个环状结构，同时从5’端去掉一个15核苷酸啐片。剩余部分连接成399核苷酸的环状产物，