转录后的基因表达调控

如前所述，真核基因转录生成的mRNA在转录后，即经过加帽反应在5′端形成帽子结构，同时在3′末端加上poly（A）尾，这两个因素可以保护mRNA，防止降解。rRNA在核内与核糖体蛋白组装成核糖体，这可能是保护rRNA不被降解的机制。tRNA在合成后形成特殊的空间结构，可能是其抵抗降解的机制，因为tRNA的半衰期是比较长的。

（一）5′端加帽和3′端多聚腺苷酸化的调控意义

mRNA如果没有5′帽和3′poly（A）尾，在合成过程中就会被迅速降解。

1．5′端加帽的意义 mRNA5′端加帽至少有4个方面的作用。

（1）提高mRNA的稳定性：5′帽子结构可以保护mRNA免受5′外切核酸酶的水解。

（2）增强mRNA的可翻译性（translatability）：真核生物mRNA的翻译过程中，帽结合蛋白首先识别和结合mRNA的5′帽子，随后核糖体与之结合，如果没有帽子，翻译效率会大大降低。

（3）有助于mRNA从细胞核运输到细胞质。

（4）增强mRNA的剪接效率：5′帽子对于第一个外显子的剪接是非常重要的，在剪接第一个外显子时，剪接体的形成需要两个帽结合蛋白（cap-binding protein 80和cap-binding protein 20）的加入。

除上述四项功能外，加帽反应还被某些动物用来调节其卵细胞成熟过程中的某些基因的表达。

2．3′端多聚腺苷酸尾的意义

（1）poly（A）尾可保护mRNA免受3′外切核酸酶的消化，提高mRNA的稳定性。已有研究表明，尾巴的长度能够影响到mRNA的稳定性，而且可能是受到调控的。当尾巴的长度降到一定的临界值（酵母＜10～15A）以下，常常被作为mRNA的降解信号。

（2）PABP能够与poly（A）相互作用增强mRNA的可翻译性，提高其翻译的效率。PABP单体的相对分子质量约70ku，与poly（A）结合后占10～20个碱基。除去poly（A）或PABP都会抑制翻译的起始。已有不少例证表明poly（A）对翻译有调控作用。有些mRNA可以无poly（A）尾的形式储存，需要翻译时才加上poly（A）尾；有些mRNA则是通过除去poly（A）尾以降低翻译水平。

（3）某些本来缺乏终止密码子的mRNA通过加尾反应制造终止密码子。在UG后加尾可产生UGA，在UA后加尾产生UAA。

（4）poly（A）的应用价值：由于只有mRNA才有poly（A）尾巴，所以可使用含有oligo T或oligo U的亲和层析柱将带有poly（A）尾巴的mRNA与其他RNA分开，然后用溶液处理，破坏其结合的键，结合的RNA就会释放出来。

（二）mRNA的选择剪接及其对基因表达的调控作用

真核生物中约有5%的pre-mRNAs可以两种以上的形式进行剪接，形成两种或两种以上的成熟mRNA，翻译出不同的肽链。

1．mRNA的选择剪接 选择性剪接也称为可变剪接（alternative splicing），它是指一种mRNA前体在剪接反应过程中某些区段的序列可能被保留，也可能被排除，从而得到几种不同成熟mRNA转录产物的过程，它是高等真核生物蛋白质多样性的重要来源。现已发现的选择剪接方式主要有以下几种（图5-16）。

图5-16　mRNA的选择剪接的几种方式

（1）外显子选择（optional exon）：也称外显子跳跃（exon skipping），是指在不同的剪接方式中，某一个外显子（或几个外显子）可以在成熟的mRNA中保留，也可以通过剪接过程被去掉。所以，至少有两种剪接方式，一是外显子全部保留，二是删除一个或几个外显子。

（2）内含子选择（optional intron）：是指在不同的剪接方式中，内含子可以被完全去掉，也可以有一个内含子被保留在成熟的mRNA中。因此，也有两种剪接方式：一是内含子全部删除，二是保留某一个内含子。

（3）互斥外显子（mutually exclusive exon）：一对外显子中，在一种剪接方式中可在成熟的mRNA中保留一个外显子，而在另一种剪接方式中在成熟的mRNA中则只能保留另一个外显子。两个外显子不能同时出现在同一个成熟的mRNA中。

（4）内部剪接位点（internal splice site）：是通过对外显子或内含子内部5′端剪接供点或3′端剪接受点的选择，保留全部外显子或剪接掉某一外显子的部分序列；或去掉全部内含子或保留某一内含子的一部分序列。

2．选择剪接对基因表达的调控作用

（1）Bax基因转录产物的选择剪接：Bax基因的编码产物是与细胞凋亡有关的分子，该基因的转录产物可以说明选择剪接形成不同的表达产物。Bax基因编码产生的蛋白质有几种（α、β、γ等），结构略有差异，差异的产生来自于mRNA的选择剪接。α型mRNA剪接后，保留了全部（6个）外显子，共192个密码子，翻译出来的肽链为192个氨基酸。β型mRNA选择剪接过程中保留了全部外显子，但同时也保留了第5个内含子（内含子选择），共218个密码子，终止密码不是来自第6个外显子，而是在第5个内含子中。所以，就翻译结果而言，第6个外显子实际上是被删除了。γ型mRNA选择剪接过程中删除了第二个外显子（含41个密码子），所以成熟的mRNA中只保留了基因中的5个外显子，共151个密码子，翻译出由151个氨基酸组成的多肽。

（2）内耳内毛细胞内钾离子通道蛋白mRNA前体的选择性剪接：内耳上的不同内毛细胞能够接受不同的声波频率，这种特性与不同的内毛细胞通过选择性剪接产生不同的cSlo mR-NA有关（约有576种不同的组合）（图5-17）。cSlo mRNA编码的是一种受Ca2＋门控的钾离子通道。因选择性剪接产生的不同的钾离子通道对Ca2＋敏感性不同，它们在不同的Ca2＋浓度下开放。而不同的声波频率引起内毛细胞细胞质Ca2＋浓度的不同，从而导致不同性质的钾离子通道开放。

图5-17　内耳内毛细胞内钾离子通道蛋白mRNA前体的选择性剪接

（三）mRNA运输的控制

mRNA从细胞核运输到细胞质的过程受到严格调控。成熟的mRNA并不是全部进入细胞质，3 H尿嘧啶标记实验证明，大约只有20%的成熟mRNA进入胞质，其余的在核内迅速降解。细胞膜上存在核酸输出受体（nuclear export receptor）参与mRNA的主动运输。

（四）mRNA的稳定性调节

mRNA是翻译蛋白质的模板，其量的多少直接影响蛋白质合成的量。因此，mRNA的稳定性是翻译水平调控的一个重要因素。细胞内mRNA的水平与转录子的稳定性的关系比与转录效率的关系更密切。

1．在真核细胞中mRNA的稳定性差别很大 有些mRNA（如编码β-珠蛋白的mRNA）半衰期在10h以上，而有些mRNA的半衰期则只有30min或更短。不稳定mRNA多是编码调节蛋白的，这些蛋白的水平在细胞内变化迅速，如生长因子和原癌基因（如myc、fos等）的产物。

2．真核物mRNA的稳定性常常由特异的去稳定元件（specific destabilizing elements）的存在与否来控制的 将这种元件引入一种mRNA，就会引起该RNA降解。从一种mRNA分子中除去一个元件不一定能使之稳定，这表明一种mRNA中可能不止一个去稳定元件。

转铁蛋白（Transferrin）mRNA很不稳定，其3′端非翻译区（3′UTR）长达2．6kb，包括大大小小10个茎环结构（发卡结构），其中5个茎环结构能够与一种称为铁反应蛋白的蛋白质结合，这些茎环结构称为铁反应元件（IRE）。在转铁蛋白mRNA的3′UTR中含有一些去稳定序列，如果除去这些序列，可使转铁蛋白mRNA的稳定性大大提高。铁反应蛋白与mRNA的亲和力是由铁控制的。铁反应蛋白与IRE结合后，可抑制邻近的去稳定序列的功能，使mRNA稳定。当细胞内铁离子浓度升高时，铁离子与铁反应蛋白结合，使之与mRNA解离，转铁蛋白mRNA即变为不稳定，在距mRNA 3′末端约1 000个核苷酸处被核酸内切酶切断，随后被迅速降解，停止翻译产生转铁蛋白。

3．mRNA 3′端非编码区是影响mRNA稳定性的主要区域 许多不稳定mRNA中的一种共同特征是在3′端非编码区中存在一个约50碱基的AU-丰富序列（AU-rich sequence），称为ARE，这是引起mRNA不稳定的原因。ARE中的一致性序列是重复数次的5个核苷酸（AUUUA）。ARE与ARE结合蛋白结合，促进poly（A）核糖核酸酶（ribonuclease）将poly（A）切除，同时也就除去了PABP，失去了稳定mRNA的作用。生长因子mRNA的3′端非编码区多存在导致其不稳定的AU丰富区，如果通过重组DNA技术将此AU丰富区插入到β-珠蛋白mRNA的3′端非编码区，则β-珠蛋白mRNA的半衰期也会降至几十分钟。