|
  
- 积分
- 97
- 威望
- 97
- 包包
- 3142
|
真核生物中的RNA质量控制
$ K# Z0 w5 p- `
% d3 G) T: e, t4 a$ T# m& JMeenakshi K. Doma and Roy Parker0 q0 M* J# ^: T4 ?
! j7 a0 c5 w' zCell 131, 660 – 668, November 16, 20079 p7 U- t- V; y& F+ l" T0 c
7 W8 v! {0 A& I) Z y2 g 5 C. ~' f; w2 E$ t# n3 e
% i! S! F# ?' M3 i
真核生物细胞含有大量对塑造真核细胞转录体非常重要的RNA质量控制系统。这些RNA质量控制系统不但可以防止无功能RNA的累积，也可以调节正常mRNA，抑制病毒RNA和寄生RNA，参与新RNA及蛋白质的进化。这些质量控制系统可被看作是在正常RNA生物合成或功能与RNA降解途径之间的一系列动态竞争。RNA质量控制系统依赖于使不正常RNA降解的控制蛋白以及mRNA生物合成和功能的各步骤的偶联。
+ u3 q* L) i f% `2 s! @7 p6 b+ a9 p% F, W
7 r" k* F" u, [9 m4 J, W7 E# d3 h! w, k8 J y! h. u
引言 z- h6 P9 p- e# l6 J5 ~
) I# b/ } u* `$ h& D9 n7 x6 c) D: O
在真核生物细胞中，RNA的生物合成和功能与一系列在不同蛋白质复合物和亚细胞区室之间进行的RNA转换有关。例如，mRNA生物合成和功能的过程包括转录、加帽反应、剪接、聚腺苷化、核质运输、翻译以及在细胞质中的降解。在这些过程中，mRNA与各种催化生物合成或功能以及促使特定蛋白质相互交换的复合物动态结合，这些特定蛋白质与mRNA结合，因而可影响在mRNA上后续发生的反应。细胞核小(sn)RNA、核仁小(sno)RNA、tRNA、rRNA和微(mi)RNA也有类似的复杂生物合成和功能机制。为了避免RNA生物合成和功能出现错误，大自然进化出了质量控制机制，主要用于降解异常或无功能的RNA。在本文中我们讨论真核生物中RNA质量控制的多样性、原理和影响。9 i2 j6 h9 m( P9 D' g$ N
! T5 `" x4 J, J' } 异常RNA由许多不同的反应过程产生。例如，在基因中的突变可产生异常mRNA，如造成翻译终止提前的密码突变，可引起mRNA迅速降解。异常RNA也可从转录、细胞核RNA前体加工或从核糖核蛋白体(RNP)的固有错误比率中产生。例如在蛙卵中，从一个基因大家族进行的各种核糖体5S RNA基因的转录可产生某些不能正确终止的转录产物，这类转录产物含有错误折叠，进而成为降解靶标。异常RNA确实常由多基因家族产生，这是由于每个基因所承受的选择压力较小。异常RNA也可由基因间区域的转录产生，由此产生的RNA没有特定功能，被迅速降解。最后，质量控制系统也可抑制来自重复序列或转座子的寄生RNA的功能，或将其降解。# U3 L3 C, B& \; M
* m% R/ n, ?4 |
RNA质量控制机制通过几个保守的核酸酶对异常RNA进行降解。在细胞质中的RNA质量控制由外切体执行。外切体有一个催化3’ – 5’外切核酸降解的10亚基核心复合物和一个Xrn1p。Xrn1p是一个5’到3’外切核酸酶，要求其靶标mRNA分子是脱帽的。在细胞核中外切体在RNA质量控制中起主要作用，尽管在酵母中Xrn1p的类似物Xrn2/Rat1p也影响细胞核RNA降解。在酵母细胞核中，外切体核心复合物也另外与一个称为Rrp6p的3’到5’外切核酸酶结合。在哺乳动物中的细胞质和细胞核中都有Rrp6p同源物PM/Scl100的存在。+ f& {& E O. P$ S% b
1 T9 f" r( a( q) M; L细胞质RNA的质量控制* m9 Q2 ]. S/ ?1 L1 a
' Q+ p( f, h5 E" l( C
在细胞质中有几种质量控制机制降解翻译中异常的真核mRNA（表1）。
& ^: S; X+ @6 W9 t
% p3 \$ R v7 O; K6 c4 I2 [
7 z& s9 F) @/ l7 @) S1 Y2 l3 V6 x
0 |2 I, O1 q3 n8 I7 |9 f8 m表1 细胞质RNA的质量控制
$ c$ r+ d9 ~% [2 A: J& _9 [9 x
; c2 i! l9 S! @7 W! p0 G( NRNA
5 E: L: u: K5 b2 K! ]: K8 R 缺陷
3 b- b/ {% t$ C y& I+ U 专一性基础
+ ^! |1 J' L, a1 r" O' D 质量控制的影响7 R+ D# H9 K- _8 m/ a. N+ d7 f% m
- F: Z# B. I/ [- A+ V' R8 f1 S
tRNA
; J& `$ L+ D) j5 J- E6 s- p tRNA修饰缺损( ~* _% V, O. N$ W# P2 g+ _
未知
' d# c& A+ G6 k7 X }! `! [ 由一个未知核酸酶造成tRNA迅速降解(RTD). z" {' w; w2 w8 q6 A# X& H
7 l+ {9 ?$ v, R' R
rRNA! G5 y8 k3 ], z6 e% s* i
rRNA功能缺损+ O1 q* R8 i% t8 f& v: W
未知
# k2 z- o0 k% n8 A7 n 由一个未知机制造成无功能rRNA降解(NRD)，突变rRNA降解
4 ]4 H4 I0 j6 ^+ p/ N: G8 z! K6 U " ^, ]' y6 E+ d7 v3 X; ~( g
mRNA: r& \2 q) K- g9 d
不正常翻译终止3 J ^- s$ k# b2 J1 V9 h
Upf蛋白与终止复合物结合
7 ?, J* `. U- A5 ` 无意义密码介导的降解(NMD)，快速脱腺苷化、脱帽、3’ – 5’降解、某些内切核酸酶切割
1 S0 [. D; L0 p( W5 w$ A8 N
) q- b) ?' [% i% fmRNA* w0 [7 G4 s. j( h) V
无终止密码
, x- {! ~) v; S Ski7p参与延伸停顿，在核糖体A位无mRNA
; y" {) c* L/ d5 u/ d 无终止降解(NSD)，Ski7p与外切体结合，
1 |2 x& v( E& y! o$ K3 {4 E
7 B& f7 Q& ^6 h* M6 i9 i, E3’ – 5’迅速降解
1 l4 e/ A8 V9 U* o) q, S
% d+ D+ q6 V. U) HmRNA }% _: {5 t, H' {
在翻译延长中停顿
5 [4 o) O4 x1 D& w+ O7 ~6 V/ O6 h( k Hbs1p和Dom34p与核糖体A位结合
9 D% Z9 `; A( R2 Q 非前进降解(NGD)，内切核酸水解切割，对片段进行外切核酸酶水解切割# K. }+ Q, s7 n# w+ E
, \" x% k- m1 O0 f2 r$ T- MmRNA2 u+ g+ _2 `3 \$ e+ U
翻译超出正常终止密码，进入3’UTR
3 |# l0 G1 ^* t1 [ 未知* o0 N7 |/ P: p$ o% `: H$ @
8 |) `& z" A( `+ J: P) ^; Y/ `; r3’UTR结合蛋白的去除？2 M# j0 |& b0 v9 V
核糖体延伸介导的降解(REMD)，8 L% l! L9 [2 c$ W, d+ ?( \5 H7 r8 S
3 i: o$ q8 q, h% ]* D. Z
加速脱腺苷化、降解' ~4 o4 B+ A! X
* t4 X& g% L+ n) i
4 G+ Z/ Z! D b( I7 V* V
" o, y6 o. e3 c3 s
7 v5 {1 S' U0 E; Z, B0 K 一个新理论是转换蛋白可以从正常mRNA中区分异常mRNA。转换蛋白与翻译机器相互作用，将异常mRNA导入降解途径。在称为无意义密码介导降解(NMD)的途径中，在一个与保守的Upf蛋白以及与翻译终止复合物的相互作用过程中，可将有超前终止翻译的密码的mRNA与正常mRNA进行区分。根据生物和细胞的种类，NMD可以通过Xrn1p使异常mRNA脱帽并进行5’到3’降解、内切核酸酶水解切割或通过外切体加速脱腺苷化和3’到5’降解。在一个称为无终止降解(NSD)的过程中，到达无翻译终止密码的mRNA末端的核糖体，通过Ski7p[真核翻译延长因子A(eEF1A)的类似物]和eRF3（真核释放因子3）使外切体聚集。Ski7p和eRF3蛋白在翻译延长和终止阶段分别与核糖体A位点相互作用。这表明Ski7p可识别在核糖体到达mRNA 3’末端时产生的A位空缺。与之类似的是，当mRNA在翻译延长时严重停顿时，在一个称为非前进降解(NGD)的过程中，遭受内切核苷水解。Hbs1和Dom34蛋白可促发NGD，这些蛋白是翻译终止因子 eRF3和eRF1（真核生物释放因子）的类似物，可能与停顿的核糖体相互作用。当核糖体错误翻译并在3’ UTR区域内终止时，至少有一些mRNA会由于一个称为核糖体延伸介导的降解(REMD)过程而变得不稳定。) W0 A7 f/ D9 i3 c: {- O
( O# ]) j( _+ Z6 D
也有一些降解有功能缺陷的细胞质rRNA和tRNA的途径。对于掺入核糖体的酵母RNA来说，如果它们在肽键形成或在翻译起始功能上有缺陷，其降解速度要比野生型rRNA快。与之类似，缺少多种修饰的酵母tRNA的降解速度较快。使有缺陷rRNA和tRNA降解的途径尚不清楚。一种可能性是不参与翻译的核糖体或tRNA对一般核酸酶更敏感，这可能是由于缺少与之相互作用的蛋白质。
/ }: ~- h9 L- Y3 M/ G W( V2 s3 X0 R- T3 b" A$ ~: N
细胞核RNA的质量控制
, r: b* N( T. k6 N- K/ K, i0 H0 ~9 C1 u3 z) B! k
有许多质量控制系统的靶标是细胞核内不能进行正常RNA加工的RNA（表2）。0 V! X8 W, `, j! Z0 @) F% r
6 p$ J. Z; `& @% |. O. H$ ^0 G
表2 细胞核RNA质量控制: J5 z, \ A7 A8 F
! z) Q4 B6 m2 @- ^7 ?RNA! B8 x5 D: D9 ^& `
缺陷
( }9 ~) N4 `1 n 质量控制的影响
& Q+ K! `$ w( k8 o9 u1 O$ m% M ' m# j6 q4 z e- }$ i9 ~# U
tRNA
0 h* h7 V, r% I+ O& s" k7 ~, u" t( [8 v2 |) `4 D E b
(酵母)
" L& U7 U$ I0 h 缺少修饰；加工缺陷3 R4 I `9 r3 H
依赖于TRAMP的腺苷化；由外切体进行3’到5’降解 p6 N: k* K+ v/ H7 G. ?
( o# ~$ Y6 u( Y1 L; g2 _& e( `rRNA3 Y; Z1 z# \- }3 W
' m. T! p8 o5 w4 m# I(酵母和植物）6 [6 R% ]. {% [ A( H0 W& Z* ^
随机错误或在rRNA加工或组装中有缺陷, l! s; y: A- ?& u( Q/ ?
依赖于TRAMP的腺苷化；由外切体进行3’到5’降解；在细胞核中保留不成熟核糖体；由poly(A)聚合酶进行腺苷化；依赖于Rrp6p的降解；由Rat1p进行细胞核内5’到3’降解
3 e0 E/ p$ W( c2 _4 o* y
8 ^' J0 `. [ z- i! erRNA3 c4 o, X H) T4 M
' w' _* ~: w8 o( X+ e0 C
（酵母）
* ^5 t( r, X: }+ } 由于5氟尿嘧啶的掺入产生异常rRNA" u& R' V h1 p# K0 R8 Y
腺苷化和依赖于Rrp6p的降解6 R, W) i6 M3 G# z4 X% ^
) u J, L- f6 ]# Z% e4 y
5S RNA! Y0 j* q7 C- Z
. x8 ?# Q& \# c0 @- F（酵母）
" u9 R2 E* t8 v& G) b 突变或有缺陷的加工3 n/ l- J5 u6 p( j0 ~
通过未知机制进行依赖于Ro蛋白的降解；腺苷化和3’ – 5’降解
$ C4 a- b; z( E% f! k3 u4 X
7 Q1 Q. J5 c0 p1 A$ L5 asnRNA! U3 N2 n+ [" S; @
/ e6 F; Y' E- a/ t$ @" E T
snoRNA9 h( _4 x8 I& l, M3 {% E
随机错误和突变体! {. o3 N5 x6 Z# Z
依赖于TRAMP的腺苷化；由外切体进行3’到5’降解；腺苷化；依赖于Rrp6p的降解
9 M C$ z2 ~* J, `( @
: }5 ~1 N6 R# m; `7 z2 _( _5 a, umRNA8 D7 e' f7 o; R2 K* N8 ]
( y8 e3 U. o; K
（酵母）
; W4 R6 b) k+ W2 D 高腺苷化和低腺苷化；THO/Sub2复合物中有缺陷；3’端加工有缺陷
2 Q/ S5 A) H# v& Q1 b# Q" S RNA在细胞核中的保留和降解依赖于Rrp6p或核心外切体5 r" i; V7 ]4 {) {
8 h! N# N, \5 XmRNA（哺乳动物）8 O1 h7 s( |+ s$ [$ [3 c
在一般含有内含子的基因中缺少内含子
. _6 n! b5 L, m+ P$ _: o 依赖于3’ poly(A)尾的细胞核降解加速
- d ^& U, K" m& N! @ # G6 V5 j0 d( V. `! z' F% t
mRNA, ~. l1 W0 v- I) C7 |7 u+ p. s
5 A+ ~# e; l$ r) d3 a H（酵母）
( f3 ?( \8 @5 t0 l7 l$ l, a 剪接缺陷（无法被剪接体识别）# C5 w- t3 [, m7 L+ A6 T- J6 C
运输到细胞核外，在细胞质脱帽，5’-3’降解；MLP蛋白的作用停留在细胞核内; i' }( ^ V* p
: P0 X; m8 t1 f6 h; Z$ y- L5 l! dmRNA
# m( ~- C! H" b6 G1 ~; i0 X) g) }7 _, { F
（酵母）6 r2 p0 \2 ]0 w% t' Y6 M) t7 F
剪接缺陷；形成中间物
b" ~0 v h0 C* D5 N m' } 由外切体进行细胞核降解；去分支作用；运输到细胞核外；由Xm1p进行细胞质的5’ – 3’降解6 |- V! s( V6 j$ l; L3 E% L
" v g% r/ K+ g& f9 l# f! \2 pmRNA
0 k% [# J4 I+ j7 L% a! g: L& t9 h# @
（酵母）, z9 v, L, L% i" d$ K: b( n
加帽反应缺陷" g( H+ ]# N" G6 m7 u# [2 x& q
运送到细胞核外，由细胞质Xm1p进行5’ – 3’降解1 U6 p0 `( O4 }8 ]* {
8 J8 l; {9 h- g" {1 Z# X* {: L
dsRNA(哺乳动物)1 K8 F) E3 {+ E
双链RNA/ F1 q, b- w) J+ Z8 {
RNA编辑和停留在细胞核内
6 k6 E- D j2 T$ A7 L- m, n0 c9 d
$ ? q7 I2 h* ^基因间转录产物 P2 Q7 H# T; f& Q' A
转录后无已知功能
* W; r U9 y6 p( |$ a 依赖于TRAMP的腺苷化；由外切体进行3’到5’降解；运输到细胞核外，通过脱帽反应和Xrn1p进行5’—3’降解
, i) w- f2 ?2 y- G6 ]3 H3 u
# |8 b) w4 h# `8 r) ~
, m# d8 i- a- r0 S 0 j, L) O, x8 K
$ J+ G9 _- ?+ e. S" h; o+ p; i
这些细胞核质量控制系统导致产生三个阻止异常RNA功能的机制。第一，某些有缺陷的RNA被运送到细胞质进行降解。例如，在前mRNA剪接第二步之前形成的套索状酵母前mRNA突变体被去分支，运送到细胞质由Xrn1p进行5’ – 3’消化。与之类似，某些无功能的基因间转录产物也被运送到细胞质进行降解。
" N( j+ A5 t% ], q5 U# ?
0 G* k1 o* U a# I( L. W 第二，异常的或未加工的细胞核RNA也会停留在细胞核内（表2）。在细胞核中RNA的存留对完全的RNA加工和对经由动力学上一般不发生的细胞核RNA降解途径都很重要。异常mRNA在细胞核中留存的例子包括在酵母和哺乳动物细胞中，有缺少剪接和缺少多聚腺苷化的mRNA的留存。有趣的是，这些异常RNA保留在对转录有某些反馈影响的特定基因周围区域。被很大程度上编辑成含有次黄嘌呤核苷的长双链RNA(dsRNA)可通过与细胞核纤层蛋白复合物（该复合物由p54nrb、PSF和基质蛋白组成）结合，保留在细胞核中。5 [; R5 l0 f. h0 W( {- E3 K
9 |# e3 i% k- H! B1 a
第三，某些异常RNA在细胞核内降解（表2）。这个结论基于下列观察：当细胞中5’到3’外切核酸酶Xrn2p、Rrp6p或外切体核心组分缺损时，有几种RNA、加工中间物或基因间转录产物的水平会上升。例如，在酵母和植物中，细胞核外切体的缺损会使tRNA、snoRNA、snRNA和rRNA的前体累积，这说明某些这类前体一般通过外切体进行降解，只有在降解过程被阻断时才能观察到这些前体。至少有缺损的核糖体亚基是在细胞核中降解，支持这一观点的证据是当降解受到抑制时，可在细胞核区域中观察到受损的核糖体的累积。与之类似，当含有内含子的mRNA中丢失内含子时，由此产生的异常mRNA降解速度加快。如果降解受到抑制，这些异常mRNA会在细胞核中累积。- g) k6 J; Z2 s( K0 Y
7 P3 v5 n8 t- ^; y# H- e; K* k/ Z" v 细胞核中RNA质量控制的一个重要内容是称为TRAMP复合物的特殊多聚腺苷化复合物，包括一个非标准poly(A)聚合酶（在酵母中是Trf4或Trf5），一个RNA结合蛋白(Air1或Air2)以及一个RNA解旋酶(Mtr4)。多项证据表明，TRAMP复合物可使异常RNA腺苷化，因而可提供单链延伸使核酸酶附着其上，促使Rrp6或外切体对该类RNA进行3’到5’降解。例如，在缺失细胞核外切体功能的酵母菌株或植物中，所累积的许多异常RNA含有依赖于Trf4或Trf5反应的3’ poly(A)尾。此外，体外实验表明，有缺陷tRNA的多聚腺苷化可促进外切体对它的降解。多聚腺苷化在刺激3’到5’外切核酸酶对RNA进行降解中的作用与多聚腺苷化在原核生物中的作用类似，是使RNA进行3’到5’降解的一个保守机制。通过TRAMP复合物使某些RNA先进行多聚腺苷化，然后降解的特性尚不清楚。有可能是优先与异常RNA结合的RNA结合蛋白可专一性地聚集TRAMP复合物。另一种可能性是，TRAMP复合物可以某种速度使任何暴露的RNA 3’端多聚腺苷化，一个RNA是否成为多聚腺苷化和降解的底物是一种与正常RNA加工和输出的动力学竞争。" Q: s5 a+ K/ r m# R5 q+ l V
, J: S4 \3 s& K8 s) q# m 几个令人困惑的观察表明我们对在细胞核RNA代谢中的TRAMP和外切体功能的理解是不全面的。首先，缺失Trf4和Rrp6p的菌株表现出基因间转录产物Srg1（主要在细胞质中降解）的水平上升，但RNA降解速度也上升。第二，除了在细胞核中的降解作用，在基因附近有异常3’端加工的mRNA的留存也需要Rrp6p和细胞核核心外切体。最后，可观察到的在poly(A)尾长度有缺损的酵母mRNA或缺失THO/Sub2复合物（可促进mRNP生物合成和输出）的酵母mRNA，都十分稳定。对这些观察的一种解释是也许留存在基因上的异常转录产物可通过RNA—DNA杂合体和减少转录延长，进行反馈抑制，降低转录速度，尽管最近的细胞核连缀实验不支持这个模型。另一种解释是对于新生转录产物，细胞核内的降解与RNA加工机制进行竞争。这种解释认为转录产物降解速度非常快，以至无法在稳态群体中观察到它们，或者转录产物与加工机器结合，在加工完成之前很稳定，可以防止正在进行加工的转录产物被立即降解。
0 _: T5 U- K/ v+ d& h8 n& o
: }0 ~1 H! u3 |1 d% k# G5 `寄生RNA的质量控制- Z4 u- Q, }* k3 q4 H
9 D$ E0 D F- C& A, O& g
RNA质量控制系统（其中一些与TRAMP和外切体复合物有关）在限制重复序列、转座子和病毒表达的RNA方面，也有重要作用。例如，寄主抗病毒蛋白ZAP可专一性地将外切体聚集到某些病毒RNA上，从而促进病毒RNA的降解。另外，由于dsRNA常常是寄生或病毒转录产物的特征，后生动物细胞已进化出很多降解或抑制dsRNA功能的机制，包括使RNase L内切核酸酶活化，使PKR蛋白激酶活化，以及对活化抗病毒基因转录的细胞外dsRNA的响应。细胞核dsRNA也可以有很多从腺苷到肌苷的编辑，之后有选择性地停留在细胞核中。大多数真核细胞也通过RNA干扰(RNAi)响应dsRNA，在这个过程中，从dsRNA产生小干扰(si)RNA，然后组装进入RNA诱导的沉默复合物(RISC)。RISC:siRNA再通过RNA降解，使与siRNA序列互补的RNA的表达沉默。在植物和某些真菌中，siRNA指导的甲基化帮助使基因组的重复序列区沉默。
" v( e) L* u5 c7 N' n% b
5 y) C# z3 I4 d! c' l% g 后生动物也表达一类称为rasiRNA（重复结合干扰小RNA）或piRNA(piwi结合RNA)的24—29核苷酸RNA，它们的功能是使转座子、重复序列和某些异染色质区域沉默。一般来说，许多piRNA是从基因组簇产生的，与重复序列因子有同源性，和PIWI蛋白家族成员结合。PIWI蛋白与Argonaute蛋白有关，后者是对siRNA和miRNA起作用的RISC复合物的核心组分。piRNA和PIWI蛋白使靶标沉默的机制尚不清楚，可能包括RNA降解、染色质修饰和转录表达。piRNA系统代表了一种抑制转座子和重复RNA的功能的机制，它与其他质量控制系统一样，也可能调节某些正常mRNA。% J& _9 L6 J, Y. x% T
- J4 @7 D+ z* K# D& d, ^% A 最近的观察表明，在由小RNA进行的沉默和由TRAMP及外切体复合物进行的RNA降解之间有关联。例如，在裂殖酵母中，由小RNA进行的中心粒区域有效沉默包括某些依赖于TRAMP的转录产物在Rrp6p或外切体上的定位。外切体的损坏可减少交配型基因的沉默，这表明异染色质区域的沉默有时与新生转录产物的RNA降解有关。另外，在莱氏衣藻中，siRNA目标转录产物的有效降解需要一个非标准poly(A)聚合酶，这种聚合酶可刺激依赖于外切体的降解。最后，外切体功能缺损的植物拟南芥在与重复序列和DNA甲基化有高度关联的区域（包括多个小RNA产生区域）累积转录产物，这表明RNA降解可能与异染色质区域的沉默密切相关。! {* v5 n" s B/ D: S; u
9 h1 O' [6 j* ?0 K; |. b b4 g竞争动力学和质量控制
- h" F6 d7 N* y2 P/ t) W4 m9 C, Q5 t& ^" w; h* F, J
有效的质量控制系统的关键是区分异常RNA和正常RNA的精细机制。RNA质量控制系统的普遍原理是在RNA生命中，正常反应速度与使RNA降解的质量控制过程之间存在动力学竞争。例如，NGD显然是在翻译延长和Hbs1/Dom34复合物与停滞核糖体相互作用之间的竞争造成的。注意，如果一个异常RNA要通过多个质量控制循环来决定它是正常或异常，那么，如果在每个循环中在降解和行使功能之间的绝对速度差很小，质量控制的总效率可以是相当高的。% y& L5 A1 l' f, d: Y0 k; {" g; @9 ]
% m6 W) b" n8 C" K- v( S' m 对质量控制系统的研究揭示了循环机械的特征，这些机械常被结合使用。质量控制及其成本可通过这些机械进行优化。首先，某些异常RNA或RNP具有正常正反应速度降低的特征，这可以给质量控制更宽裕的时间。例如，不能完成剪接的剪接体至少在酵母中可阻止细胞核mRNA的输出。因此前体mRNA加工的完成，可通过从转录产物上除去输出抑制剂，防止细胞核RNA的降解。第二，某些正常RNA具有促使正常下游反应发生的特性。例如，细胞核前mRNA剪接可通过向mRNA运送输出因子，对mRNA向细胞质的运输施加正面影响。最后，某些异常RNA可通过特定调适蛋白（这些蛋白可使异常RNA进入质量控制过程）加速对它们的识别。例如，Ro蛋白可与含有不正常3’延伸的错误折叠5S RNA变种结合，使其进入降解过程。
1 s) p( g- W/ y; ~: m1 o: ~: m
1 ?/ m1 u2 R9 I3 e0 T; w5 p* U" S 导致质量控制的动态竞争的一个重要特征是，任何导致正常正向反应延误的缺陷都会启动质量控制。这种方式不需要质量控制系统识别RNA或RNP的特定缺陷，而是对严重影响生物合成或功能中某一特定步骤速度的缺陷起作用。这种现象的例子之一是在酵母中，影响mRNA 3’加工、低腺苷化或高腺苷化的各种蛋白质缺陷，都导致异常mRNA在基因上的滞留，这种滞留可以因Rrp6p的丢失而受到抑制。3 ^2 W" d7 e2 G5 v
& b* I; l" h7 c- c: c
质量控制的影响
1 v0 v1 n) f6 P5 }9 U: ?! ^# i- e5 A
RNA质量控制的后果之一是某些“正常”RNA很容易因质量控制而降解。例如，据估计大约1%有野生型内含子的酵母mRNA在前mRNA剪接的第二步被降解。尽管这些丢弃的mRNA可能是由于剪接错误，如使用异常5’剪接位点或分支位点，但也可能只是反映了这种特定质量控制系统的成本。此外，细胞使用质量控制系统来控制正常转录产物的水平。例如，微阵列分析揭示了有几种“正常”mRNA的水平通过NMD途径减少。与之类似的是，酵母组蛋白mRNA的水平由于TRAMP和细胞核外切体系统而大大减少。细胞也使用前mRNA剪接的调节产生进入NMD的mRNA，从而对特定基因转录产物的水平进行下调。由此可见质量控制系统在决定正常RNA累积水平中起重要作用。% o( a- \6 W, n
" p0 W4 P, }$ K' r RNA质量控制系统的存在说明在RNA生物合成中的许多步骤的忠实性相对很低，转录产物的很大一部分被迅速降解。这种现象的例子之一是酵母中mRNA 3’末端形成和多聚腺苷化的过程。在酵母cDNA数据库中，相当于mRNA的EST有1%在其编码区被错误地多聚腺苷化。由于这些“无终止”mRNA比正常mRNA库的降解至少快10倍，这说明在基因编码区至少有10%的错误多聚腺苷化反应。此外，NMD缺损品系使若干基因的mRNA累积，这些基因的转录产物在距正常poly(A)位点很远的位点有异常多聚腺苷化。这些观察说明多聚腺苷化在各种早熟和远距离位点发生，这些mRNA随后被无终止或NMD机制迅速降解。因此，RNA加工产生了一个有各种转录产物的库，只有在质量控制中能存活的RNA才可累积到高水平。注意这种降解RNA加工错误产物的能力可以使细胞保持一个弹性RNA加工机制，该机制可增加对RNA加工类型的调节，并可产生新的RNA。5 j4 k6 Y: t6 v3 b D, q7 M6 y) `5 W
: [. p# \& V n) d+ N5 Y: t) {" g
以“达尔文学者”的观点看mRNA生物合成，可以认为质量控制机制也有进化电容器的作用，这个电容器系统抑制突变的表型影响，因而允许一个群体产生可在后期阶段被揭示的更大的遗传多样性。在这种情况中，mRNA质量控制系统通过使表型变化沉默，可允许突变累积或改变RNA加工类型。然而，在mRNA质量控制被削弱的条件下，或有允许特定mRNA逃脱某个特定质量控制系统的另外的突变时，表型变化便会显露出来。与异常RNA可能在新功能进化中起作用的观点一致的是，酵母的某些基因间转录产物可被输出到细胞质中，甚至与多聚核糖体结合。因此，mRNA质量控制系统不但在细胞平常活动中有重要作用，而且对进化变化也有长期作用。
- y" m* O2 }- D3 Z+ E
& }& B* \! G8 J+ H& p质量控制面临的问题1 e: e5 L: M! N& {4 ]
0 ]# G' k# E5 P1 W0 R 过去5年来已在真核细胞中揭示了多种RNA质量控制机制。目前重要的是去加深我们对这些系统区别“正常”和“异常”RNA的分子机制的理解。这将加深对基因表达专一性的理解，并有医学意义。例如，一类引发疾病的突变可导致引起突变mRNA降解的无意义密码的形成。目前的临床试验正在为治疗肌肉萎缩症和囊肿性纤维化测试能促进无意义密码连读的药物。此外，RNA质量控制系统缺损可导致各种人类疾病。例如，作为NMD途径一部分的人类Upf36蛋白的突变可导致智力迟钝。
& }+ f' |* {; R% @! E: u8 z* u, e) Y/ \9 M$ y8 W
可以预期基因组规模和真核细胞RNA质量控制机制的多样性会继续扩大。目前可以测定极低水平的真核生物基因组大片段的转录产物，这类转录产物中有许多是RNA质量控制机制的底物。最近使用铺砖微阵列（这种方法使用寡核苷酸探测基因组中任何区域的转录产物）在拟南芥中检测了当外切体功能受到抑制时，所存在的RNA的数量和种类。这类实验揭示了尽管细胞可以产生很大数量的转录产物，但在正常条件下这些转录产物迅速降解，因此能观察到的数量很少。
' z, W' _! I1 x4 @& N4 F; Y' U& }, W$ }- l8 O1 ]! O
可以预期会出现新型质量控制机制，即RNP的缺陷不会引起转录产物的降解，而是修复缺陷。例如，RNA聚合酶II可通过降解新生转录产物的3’端，在摸板上回行几个核苷酸，再启动延长，因而可在转录延长中修复缺损。与之类似，有人提出外切体可以加工酵母3’端有异常延伸的mRNA，可恢复这些mRNA的功能。另外，也可能存在修复RNA化学损伤（如甲基区的脱甲基化）的系统。随着我们对RNA质量控制途径的理解日趋成熟，相关的问题可能变成：在RNA生物合成和功能的什么阶段不进行质量控制？& \) \: L6 ]+ ?: F
( c6 D8 }; d( n/ M: R3 P T0 h- ]本文转自建人先生原创，感谢 |
|
发表于 2009-4-28 21:33
发表于 2015-6-3 20:10
