mRNA轉錄加工
加帽
即在mRNA的5'-端加上m7GTP的結構。此過程發生在細胞核內,即對HnRNA進行加帽。加工過程首先是在磷酸酶的作用下,將5'-端的磷酸基水解,然後再加上鳥苷三磷酸,形成GpppN的結構,再對G進行甲基化。
加尾
這一過程也是細胞核內完成,首先由核酸外切酶切去3'-端一些過剩的核苷酸,然後再加入polyA。
剪接
真核生物中的結構基因基本上都是斷裂基因。結構基因中能夠指導多肽鏈合成的編碼順序被稱為外顯子,而不能指導多肽鏈合成的非編碼順序就被稱為內含子。真核生物HnRNA的剪接一般需snRNA參與構成的核蛋白體參加,通過形成套索狀結構而將內含子切除掉。
內部甲基化
由甲基化酶催化,對某些鹼基進行甲基化處理。
tRNA轉錄加工
主要加工方式是切斷和鹼基修飾。真核生物tRNA前體一般無生物學特性,需要進行加工修飾。加工過程包括:
(1)剪下和拼接
tRNA前體在tRNA剪下酶作用下,切成一定大小的分子。大腸桿菌RnaseP特異切割tRNA前體5′旁側序列,3′-核酸內切酶如RnaseF可將tRNA前體3′端一段序列切下來。RnaseD可水解3′端多餘核甘酸。剪下後的tRNA分子在拼接酶作用下,將成熟tRNA分子所需片斷拼接起來。
(2)稀有鹼基的生成
1)甲基化:例如在tRNA甲基轉移酶的催化下,某些嘌呤生成甲基嘌呤。
2)還原反應:某些尿嘧啶還原為雙氫尿嘧啶(DHU)。
3)核苷內的轉位反應:如尿嘧啶核苷轉位為假尿嘧啶核苷。
4)脫氨反應:某些腺苷酸脫氨成為次黃嘌呤(Ⅰ),次黃嘌呤是頗常見於tRNA中的稀有鹼基之一。
(3)加上CCA-OH3′-末端:在核苷酸轉移酶的作用下,在3′-末端刪去個別鹼基後,換上tRNA統一的CCA-3′-末端,完成柄環結構。
rRNA轉錄加工
主要加工方式是切斷。
真核細胞的rRNA基因(rDNA)屬於一種被稱為豐富基因(redundant gene)族的DNA的序列,即染色體上一些相似或完全一樣的縱列串聯基因(tandem gene)單位的重複。由不能轉錄的間隔區(spacer)把這些單位分隔開。在這裡,間隔區與內含子是不同的概念。在分類上,rDNA這種類型的序列被稱為高度重複序列(highly repeat sequence)DNA。在不同的種屬生物中,rDNA的大小不一,重複單位由數百個至數千個以上。每個重複單位的可轉錄段從7kb至13kb不等,間隔區為數千bp。雖然有間隔區與重複單位的大小不同,但是真核生物最後轉錄出來的rRNA大小相同。真核生物核蛋白體中有18S、5.8S、28S及5SrRNA。5SrRNA獨立於其他三種rRNA的基因轉錄,在成熟過程中加工甚少。45SrRNA前體中包含18S、5.8S、28srRNA。45S rRNA經剪接後,先分離出屬於核蛋白小體的18S-rRNA。餘下部分在拼接成5.8S和28S的rRNA。rRNA成熟後,在核仁上裝配,與核蛋白體蛋白一起形成核蛋白體,輸出胞漿。靜止狀態的細胞,rRNA的壽命較短,而生長中的細胞,rRNA比較穩定。
1982年,T.R.Ceck在研究一種叫四膜蟲(Tetrahymena)的簡單真核生物rRNA剪接中發現rRNA前體剪接是一種自我剪接(self-splicing)方式,即RNA本身也有催化作用。一般而言,剪接的化學反應過程包括磷酸二酯鍵的斷裂和再連線。大多數的mRNA剪接需要並接體參與,這種核蛋白起酶的作用。但在四膜蟲rRNA的剪接過程中,去除所有蛋白質,剪接仍可迅速完成。通過研究rRNA的結構,發現了一定的規律,就是根據四膜蟲的rRNA一級結構繪出的二級結構。圖中用粗線表示5’-端和3’-端要被剪下刪除的部分,並列出l了5’-端的部分鹼基序列。,在圖上可見到形成眾多的局部雙鏈區,這是由於線性的RNA分子有很多的反向互補序,此為能進行自我剪接的結構基礎。
rRNA的剪接不需要任何蛋白質參與即可發生,這就說明了RNA本身即具有酶的催化作用。因而把具有酶促活性的RNA命名為核酶(ribozyme)。
目前已知的一個最簡單的能進行自我剪接的RNA的結構,如圖所示。因為二級結構與錘頭相似,因此將其命名為錘頭結構(hammer-head structure),這是核酶能起作用的結構基礎。這屬於分子內催化,同一分子上包括有催化部分和底物部分,催化部分即為錘頭結構,至少3個莖(stem),1至3個環(loop)。鹼基部分至少13個是一致性(consensus)序列,用A,C,G,U標出,其餘書寫為N的是指任何鹼基均可。底物部分即為箭頭所示附近的核苷酸,含有GU序列。1983年S.Altman等又發現RnaseP中RNA組分可以催化tRNA前體的加工。通過以上研究工作,認為RNA具有酶活力,此發現具有重大生物學意義。首先,打破了酶是蛋白質的傳統觀念,對傳統酶學提出挑戰,對於如何給酶下一個更準確的定義,還有待進一步探討;其次,對於在生命起源中,為先有核酸,還是先有蛋白質這一有爭議的問題,提供了線索。
具有實際意義的是:人們根據核酶的特殊結構,構想用人工合成的小片段RNA,配合在欲破壞其結構的RNA或DNA分子上,使其成為錘頭結構,此即為人工設計的核酶。人工核酶用於研究上,把核酸分子切成特異性片段,已經獲得了成功。進一步構想,用人工設計的核酶來破壞一些有害基因轉錄出的mRNA或其前體,從而抗癌及抗病毒。因此,核酶的發現有廣闊的套用前景。