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真核生物mRNA的加工修饰与转录调控（一）

转录生成的产物称为转录本（transcript）。未经加工的初始转录本（primary transcript）往往活性或稳定性不足，需要进行加工修饰之后才能正常发挥作用。RNA的加工修饰多种多样，以前统称为转录后加工。但现在看来，很多加工其实并非在转录终止之后才会进行，而是伴随转录过程进行的，应该称为共转录加工（co‐transcriptional processing）。

例如，真核生物mRNA的加帽（capping）过程，就发生在转录早期，启动子近侧暂停的时候。只有完成加帽程序，RNAP II才能进入生产性延伸，所以有模型认为加帽是一个检查点（checkpoint）。

mRNA加帽发生在转录早期。Biosci Rep. 2020

加帽过程需要多种酶参与。首先是暂停的Pol II募集加帽酶（capping enzyme，CE或RNGTT），这一过程还需要Pol II CTD的磷酸化。高等动物的CE具有RNA 5'-三磷酸酶（TPase）活性和鸟嘌呤基转移酶（GTase）活性，先切去转录本5’-末端磷酸，再添加鸟苷单磷酸，形成基本帽结构G（5'）ppp（5'）N。

加帽反应的酶促步骤。Nucleic Acids Res. 2016

然后是一系列甲基化反应。首先是RNA鸟嘌呤-N7甲基转移酶（RNMT-RAM）催化鸟嘌呤的N-7甲基化，其中RNMT是催化亚基，RAM是调节亚基，起活化作用。生成的m7G（5'）ppp（5'）N结构称为cap0，在形成帽结合复合物（CBC）、转录本剪接、核输出和翻译起始等过程中起作用。

+1和+2位核苷酸的核糖2’位羟基也可以甲基化，产物分别称为cap1和cap2。这两个甲基化在不同生物中有所不同，人类的mRNA都具有cap1结构，但只有一半的mRNA具有cap2结构。cap1不仅与翻译起始有关，在针对外源RNA的先天免疫系统中，还可作为自身RNA的标志。

mRNA加帽有关的酶。RNA Biol. 2017

真核mRNA的加工还有剪接、加尾和化学修饰等过程。剪接（splicing）就是切除内含子，将外显子连接起来的过程。剪接主要在转录延伸过程中进行，称为共转录剪接（co-transcriptional splicing）。

剪接由六个连续步骤组成，需要多种蛋白参与，还需要五种snRNA构成的小核糖核蛋白（snRNP U1，U2，U4，U5和U6）。首先是U1结合到前mRNA的5'-剪接位点，然后U2结合到分支点。第三步是U4、U5和U6与U1和U2结合，组装成前催化剪接体。之后U1和U4离去，复合物激活。

mRNA剪接过程。Biomed J. 2019

第五步是U6和U2相互作用，切开5'-剪接位点再与分支点相连。这是一个转酯反应，使内含子形成套索结构。最后由U5将两个外显子连接，结束剪接过程。

真核生物的蛋白质编码基因往往具有多个外显子，这些外显子可以交替组合形成不同的mRNA，称为选择性剪接或可变剪接（alternative splicing，AS）。理查德·罗伯茨（Richard J. Roberts）和菲利普·A·夏普（Phillip A. Sharp）因断裂基因和可变剪接方面的研究而分享1993年诺贝尔生理学或医学奖。

理查德和菲利普分享1993年诺奖。引自诺贝尔基金会

可变剪接有多种模式，如外显子跳过、外显子互斥、内含子保留、可变剪接位点等。这些模式可以是器官特异性的、组织特异性的或细胞类型特异性的。据研究，大脑具有最复杂的可变剪接模式。

可变剪接的不同模式。Biomed J. 2019

人类的蛋白质编码基因多数具有可变剪接，各种转录本在不同组织之间可能差异很大。有研究表明，超过40％的基因在单个组织中具有多种转录本。

可变剪接不仅可以增加蛋白质多样性，而且对于调节基因表达也具有重要作用。可变剪接与细胞分化、器官发育等多种生理过程相关，可变剪接的失调涉及肿瘤等多种疾病，例如β-珠蛋白基因的两种错误剪接可以导致β-地中海贫血。

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