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第6章-核糖体与核酶


核糖体与核酶 (ribosome & ribozyme)

核 糖 体 (ribosome): 是 细 胞 内 一 种 核 糖 核 蛋 白 颗 粒
(ribonucleoprotein particle), 其惟一功能是按照mRNA的指

令将氨基酸合成蛋白质多肽链,所以核糖体是细胞内 蛋白质合成的分子机器。 核糖体最早是Albert Claude于20世纪30年代后期发现 的, 其后又证明了其蛋白质合成功能。 细胞内除了从事蛋白质合成的核糖体外, 还有许多其 它功能的核糖核蛋白体颗粒, 通常是一些小分子的

RNA同蛋白质组成的颗粒, 它们参与RNA的加工、
RNA的编辑、基因表达的调控等。

?

Q:发现核糖体及核糖体功能鉴定的两个关键技术是什么? 现的,当时称为微体(Microsomes),直到1950s中期,George Palade在电子显 微镜下观察到这种颗粒的存在。当时George Palade和他的同事研究了多种生 物的细胞,发现细胞质中有类似的颗粒存在,尤其在进行蛋白质合成的细胞

核糖体最早是Albert Claude于1930s后期用暗视野显微镜观察细胞的匀浆物时发

中特别多。后来Philip Siekevitz用亚细胞组份分离技术分离了这种颗粒,并
发现这些颗粒总是伴随内质网微粒体一起沉积。化学分析揭示,这种微粒富 含核苷酸,随之命名为ribosome,主要成分是核糖体RNA(rRNA), 约占60%、 蛋白质(r蛋白质)约占40%。
?

核糖体的蛋白质合成功能是通过放射性标记实验发现的。将细胞与放射性标
记的氨基酸短暂接触后进行匀浆,然后分级分离,发现在微粒体部分有大量 新合成的放射性标记的蛋白质。后将微粒体部分进一步分离,得到核糖体和 膜微粒,这一实验结果表明核糖体与蛋白质合成有关。

6.1 核糖体的形态结构
核糖体是细胞内数量最多的细胞器,原核细胞和 真核细胞都有核糖体,功能也相同,但是结构

组成却有很大差别

6.1.1 核糖体的类型和化学组成
■ 核糖体的类型

● 按存在的部位:有三种类型核糖体,细胞质核糖体、线
粒体核糖体、叶绿体核糖体。 ● 按存在的生物类型 : 分为两种类型,即真核生物核糖 体和原核生物核糖体。原核细胞的核糖体较小, 沉降系 数为 70S ,相对分子质量为 2.5x103 kDa ,由 50S 和 30S 两

个亚基组成;而真核细胞的核糖体体积较大, 沉降系数
是 80S ,相对分子质量为 3.9 ~ 4.5x103 kDa , 由 60S 和 40S两个亚基组成。

从两个不同角度观察的E.coli 核糖体的三维结构

● Mg2+ 的浓度对于大小亚基的聚合和解离有很大的影响, 体外实验表

明 :70S核糖体在 Mg2+的浓度小于1mmol/L的溶液中易解离 ; 当 Mg2+浓
度大于10mmol/L, 两个核糖体通常形成100S的二聚体

在 低 浓 度 的 Mg2+ 时 , 完整的核糖体将分 成大小两个亚基。

通过区带离心 鉴定核糖体的 亚基

● 在组成上,叶绿体中的核糖体与原核生物核糖体相同,但线 粒体中核糖体的大小变化较大
不同类型核糖体的大小比较 来源 细胞质 (真核生物)
完整核糖体 核糖体亚基 核糖体RNAs

80S

60S(大亚基) 40S(小亚基)

28S,5.8S,5S 18S,

细胞质
(原核生物) 线粒体 (哺乳动物) 线粒体 (酵母) 线粒体 (高等植物) 叶绿体

70S
55-60S 75S 78S 70S

50S(大亚基)
30S(小亚基) 45S(大亚基) 35S(小亚基) 53S(大亚基) 35S(小亚基) 60S(大亚基) 45S(小亚基) 50S(大亚基) 30S(小亚基)

23S,5S
16S 16S 12S 21S 14S 26S,5S 18S 23S,5S 16S

?
?

■ 核糖体的化学组成
核 糖 体 的 大 小 两 个 亚 基 都 是 由 核 糖 体 RNAs(rRNAs) 和 核 糖 体 蛋 白
(ribosomal proteins)组成的, 原核生物和真核生物细胞质核糖体的 大小亚基在蛋白质和RNA的组成上都有较大的差别

典型的原核细胞 和真核细胞质核 糖体的化学组成

6.1.2 核糖体蛋白质与rRNA
由于核糖体有着十分重要的生物学功能,所以有关其结构 和各种结构域的功能,一直是研究的重点。为了建立一

个完整的核糖体分子结构模型,必须了解构成核糖体的
每一个蛋白质和rRNA分子在核糖体中的位置。

■ 核糖体蛋白
通过电泳和层析等技术,已经鉴定了E.coli核糖体小亚基的21种蛋白质和大 亚基的34种蛋白质。小亚基的蛋白分别命名为S1~S21,大亚基的核糖体 蛋白命名为L1~L33。核糖体中的蛋白质除了一种具有四个拷贝外,其余 都是一个拷贝。

E.coli小亚基21 种蛋白质的排列

◆初级结合蛋白(primary binding protein)
这些蛋白质直接同rRNA结合, 其中同16S rRNA结合的初级 蛋白有14种, 它们是: S3, S4, S17, S20, S6, S15, S8, S18, S9, S11, S12, S13, S7, S1。 同5S rRNA结合的有11种。

◆次级结合蛋白(secondary binding protein)
这些蛋白质不直接同 rRNA结合, 而是同初级结合蛋结合。 它们是: S10, S16, S2, S6, S21, S14, S19。

r-蛋白质的主要功能
?对rRNA 折叠成有功能的三维结构是十分重要的; ?在蛋白质合成中, 某些r蛋白可能对核糖体的构象 起“微调”作用;

?在核糖体的结合位点上甚至可能在催化作用中, 核 糖体蛋白与rRNA共同行使功能。

■ 核糖体rRNA
?

Harry Holler测定了E.coli 16S rRNA序列,一共有1542个核

苷酸。通过计算机分析,发现不同生物来源的16S rRNA的
序列组成具有进化上的保守性。推测16S rRNA结构有四个 结构域, 每个结构域都有46%的碱基配对,形成螺旋的柄

状结构(下图)。每一个柄状结构都很短,不到8 bp,且并不
都是完全配对的。 16S rRNA 的电子显微照片的形态与 30S 核糖体亚基相似,因此认为30S核糖体亚基的形态主要是由 16S rRNA决定的。

折叠主要是由序 列中互补碱基配 对引起的。

E.coli 中 16S rRNA 分子折叠 的二级结构

在核糖体中rRNA是起主要作用的结构成分
?具有肽酰转移酶的活性; ?为tRNA提供结合位点(A位点、P位点和E位点);? ?为多种蛋白质合成因子提供结合位点;? ?在蛋白质合成起始时参与同mRNA选择性地结 合以及在肽链的延伸中与mRNA结合; ?核糖体大小亚单位的结合、校正阅读(proofreading)、 无意义链或框架漂移的校正、以及抗菌素的作用等 都与rRNA有关。

6.1.3 细菌核糖体的结构模型
为了揭示核糖体的空间结构以及核糖体蛋白质和rRNA相互

间的关系,分别用物理、化学以及显微技术进行了大量
的研究工作,在这些研究工作的基础上提出了细菌核糖 体的结构模型(下图)。模型中蛋白质的定位是根据不同来 源的资料分析综合后确定的,如S4、S5、S8和S12等四个 蛋白定位在核糖体的小亚基上,并且是背向大亚基,就

是根据四种不同方法获得的资料,比较分析后确定的。

E.coli 核糖体结构模型

图:显示了小亚基、大亚基中一些核糖体蛋白质的位置,以及蛋白质合成
过程中mRNA在核糖体中的位置。 在该模型中确定了一些重要的功能 区和RNA的结合位点

核糖体 结构及 功能位 点

6.2 核糖体的生物发生(biogenesis)
?

核糖体的合成和装配过程相当复杂。真核细胞和原核细 胞的核糖体合成和装配过程各不相同。核糖体的生物发 生包括蛋白质和rRNA的合成、核糖体亚基的组装等。

6.2.1 核糖体rRNA基因的转录与加工(自学)
?

核糖体的组成成分是蛋白质和rRNA,所以编码核糖体的基因分为两类,一类是蛋白质 基因,另一类是rRNA基因。在生活细胞中,特别是在活跃进行蛋白质合成的细胞中, 需要大量的核糖体,这就意味着需要合成大量的rRNA和核糖体蛋白质。

■ 编码rRNA基因的过量扩增
?

细胞为了满足大量需求的rRNA,通过两种方式扩大rRNA基因的拷贝数:

?

● 在染色体上增加rRNA基因的拷贝数,如在细菌E.coli的基因组
中有七套rRNA基因,而典型的真核生物细胞含有几百到几千个 28S、 18S和 5.8S rRNA 基因的拷贝,5S rRNA基因的拷贝数多达50000个。

?

● 通过基因扩增 (gene amplification) 。科学家用两栖类的卵
细胞(卵母细胞)研究在发育过程中rRNA基因的扩增。发现两栖类卵母细胞在发育的早 期,rRNA基因的数量扩增到1000多倍(下图)

非洲爪蟾卵母细胞中rRNA的合成 卵母细胞中含有几百个核仁,,每个核仁都含有扩增的rRNA基因。

■ 真核生物18S、5.8S、28S rRNA和5SrRNA基因

编码rRNA基因的DNA称为rDNA。 真核生物有四种rRNA基因, 其中18S、5.8S和28S rRNA基

因是串联在一起的,每个基因被间隔区隔开, 5S rRNA基
因则位于不同染色体上。

● 转录蛋白与45S的前体 18S rRNA 、 5.8S rRNA 和 28S rRNA 基因 首先转录成一个 45S 的前体 rRNA(pre-rRNA) ,大约是这 3 个 rRNA 总长的 2 倍。能够转录这 3 个 rRNA 前体的DNA区域称为一个转录单位 (transcription unit),意指它 们有一个共同的转录起点和转录终点。在转录单位中除了这三个 rRNA基因外,还包括一些间隔区。 ● 转录酶:真核生物中参与rRNA基因转录的酶是RNA聚合酶Ⅰ。 ● 前体加工:前体rRNA在核仁中被酶剪切成3个rRNA产物, 转录间隔区

则被降解掉。
?

根据3H标记的尿嘧啶和放线菌素 D研究人的培养细胞前体rRNA的合 成的结果推测了前体rRNA的加工过程

?

在rRNA聚合酶Ⅰ的作用下,将18S rRNA、5.8S rRNA和28S rRNA转
录成45S的前体,然后通过一系列的切割加工形成成熟的18S rRNA、 5.8S rRNA和28S rRNA。其中5.8S的rRNA通过互补碱基的氢键与28S

rRNA结合在一起。

?

● 虽然所有真核生物的18S、5.8S和28S rRNA基因是

相同的, 并且在染色体上组成同一个转录单位, 但
是不同生物中的 18S、5.8S和28S rRNA基因的转录起 点和间隔区的长短并不完全相同。

■ 真核生物前体rRNA的修饰
● 前体rRNA有两个独特的特点:一是含有大量的甲基化的核苷,另一个就是具 有很多假尿苷(pseudouridine)。在人的前体RNA加工过程中,有100多个甲基 添加到前体分子的核糖上,并且有95%的尿嘧啶被转变成假尿苷。

● 前体rRNA的甲基化及其意义:前体rRNA分子中的某些碱基进行甲基化修饰,
甲基化的主要部位在核糖第二位的羟基上,在甲基化的过程中需要 snRNA 的参与。甲基化可能对加工起引导作用。实验证明前体rRNA中被甲基化的

部位在加工过程中并未被切除,而是一直保持到成熟的rRNA中。另外还发
现,如果人为地阻断前体rRNA的甲基化,前体rRNA 的成熟加工也被阻断, 因此,推测前体rRNA的甲基化对rRNA的加工具有指导作用。
?

另外,前体rRNA的修饰可能有利于 rRNA的正确折叠,以及与别的分子正 确的相互作用。

■ 5S rRNA基因的转录与加工
5S rRNA是核糖体大亚基的一个组份,原核生物和真核生物都有5S rRNA, 而且结构相似。 ● 5S rRNA基因: 真核生物的5S rRNA基因与其他三种rRNA基因不在同一条 染色体上,它是由核仁以外的染色体基因转录的,然后运输到核仁内参 与核糖体的装配。非洲爪蟾的 5S rRNA 基因的一个重复单位含有一个 5SrRNA基因、一个不转录的假基因(101bp的5S rRNA基因的片段),每个 重复单位间被不转录的间隔序列隔开,间隔序列的长度变化不定,最长 达400bp。

非洲爪蟾的5SrRNA基因的组织结构

● 5S rRNA基因转录酶: 5S rRNA基因是由RNA聚合酶Ⅲ
转录的,原初转录物的5'端与成熟的5S rRNA的5'端完全
相同。在某些生物中,3 '端通常含有多余的核苷酸,在加 工时要被切除。所以,5S rRNA只需要进行简单的加工,或 者根本不需要进行加工。 ● 内部启动子

RNA聚合酶Ⅲ转录5S rRNA基因时使用的是内部启动子,其他
的两种酶使用的是上游启动子,实验也证明这种内部启动子 的存在。

■ 原核生物rRNA基因及转录
原核生物rRNA基因也是多拷贝的,并且也要被转录成一个前体,然后

再经加工成成熟的rRNA。
● 原核生物和真核生物的rRNA基因在组织结构的差异 ① 基因的重复次数: 真核生物的rRNA基因重复的次数相当高,而原核

生物的rRNA基因的重复次数却很少。
② 真核生物编码 5S rRNA 的基因位于不同的染色体上,而细菌的 5S rRNA 基因与另外两种 rRNA 基因组成一个转录单位,它们在染色体

上的排列顺序是∶16S-23S-5S。
● 转录 : 实验证明原核生物的16S-23S-5S三种rRNA位于同一条转录的 rRNA分子中, 转录后由核酸酶Ⅲ(RNaseⅢ)切成三个分子。

细菌中的rRNA转录单位除了转录三种rRNA外,同时也会产 生几种 tRNA 分子。在 16S 和 23S rRNA 间可产生 1 ~ 2 个

tRNA,在5S rRNA基因的下游也会产生1~2个tRNA。
同真核生物一样,细菌的rRNA也有甲基化,但比真核生物 rRNA甲基化程度低。细菌的rRNA加工过程示于图6-12。

E.coli前体rRNA的转录与加工

6.2.2 核糖体的装配
?

核糖体是自我装配的细胞器,当蛋白质和rRNA合成加 工成熟之后就要开始装配核糖体的大小两个亚基,真 核生物核糖体亚基的装配地点在细胞核的核仁部位, 原核生物核糖体亚基的装配则在细胞质中。

■ 核糖体亚基的自我装配
● 自组装(self-assembly):
1968年, Masayasu Nomura把拆

开的大肠杆菌核糖体的30S小亚基的21种蛋白质与16S rRNA在体外 混合后重新装配成30S小亚基, 然后把重建的小亚基同50S大亚基 以及其他辅助因子混合后, 进行蛋白质合成实验,发现重建的核

糖体具有生物活性,能催化氨基酸掺入到蛋白质多肽链中。这一
实验表明,核糖体是一种自组装 (self-assembly)的结构,即没有样 板或亲体结构所组成的结构。但是在组装过程中,某些蛋白质必

须首先结合到rRNA上,其他蛋白才能组装上去,即组装过程有先
后层次(下图)。

● 30S亚基蛋白质分类: 根据在核 糖体重装配过程中的作用,可将

30S 亚基上的蛋白质分为三类 :①
开始装配所必需的蛋白质,它们 先和 rRNA 特定区段结合,形成 核糖体亚基的核心;②结合后可为 后一批蛋白提供结合位点;③非 30S 亚基形成所必需,但却是显 示其活性所必需的。

E.coli 小亚基的装配图 粗箭头表示结合力强,细箭头表示力弱。如S4与16S rRNA之间是粗箭头, 表示S4可直接与16S rRNA结合而不需要其他蛋白的存在。而S7与16S rRNA的结合力很弱,并且需要S4、S8、S9、S19、S20蛋白的存在。

■ 原核生物核糖体重组(ribosome recombination)实验

所谓核糖体重组是指将不同来源的核糖体大小亚基、或 不同亚基的rRNA或蛋白质重新组合, 形成杂合的核 糖体后研究其功能的实验方法。

■ 真核生物核糖体在核仁中装配
● 主要过程:下图 是关于人细胞中核糖体装配过程

人细胞中核糖体装配的主要过程

? 蛋白质结合到 rRNA 上具有先后层次性。

?核糖体的重组装是自我装配过程

结 论
?同一生物中不同种类的r蛋白的一级结构 均不相同,在免疫学上几乎没有同源性。

?不同生物同一种类r蛋白之间具有很高 的同源性, 并在进化上非常保守。

Q:二十世纪六十年代初期Robert Perry发现核糖体的合成 是在核仁中进行的, 请问他是如何发现的?
?

二十世纪六十年代初期Robert Perry用紫外微光束破坏活 细胞的核仁,发现破坏了核仁的细胞丧失合成rRNA的能 力,这一发现提示核仁与核糖体的形成有关。后来Perry 又发现低浓度的放线菌素D能够抑制3H-尿嘧啶掺入rRNA 中,而不影响其他种类的 RNA 合成。显微放射自显影也

显示放线菌素 D 能够选择性阻止核仁 RNA 的合成,表明
核仁与rRNA的合成有关。

6.3 核糖体的功能-蛋白质的合成
核糖体的功能是进行蛋白质的合成。在核糖体上合成 的是蛋白质的一级结构,即多肽链。合成是从多肽链 的N端开始,到C末端结束。对于mRNA来说,合成的 方向则是 5' → 3 '。蛋白质的合成涉及核糖体的一些 功能位点和RNA的作用。

?

6.3.1 核糖体的功能位点
原核生物核糖体中有四种与RNA分子结合的位点,其中一个是与mRNA
结合的位点,另三个是与tRNA结合的位点

● A位点(A site) ● P位点(P site) ● E 位点(exit site ,E site)

原核生物核 糖 体 中 与 RNA 结 合 的 位点

● mRNA结合位点
真核生物的mRNA同核糖体的结合主要靠5'端的帽子结构, 有时也通 过IRES同核糖体结合

真核生物蛋白质合成的起始, IRES是内部核糖体进入位点 (internal ribosome entry site)。

?

原核生物 mRNA 中与核糖体 16S rRNA 结合 的序列称为SD序列(SD sequence)

典型的细菌核糖体与mRNA的结合位点 mRNA中的SD序列与核糖体16S rRNA3'端互补。在SD序列的下游5~ 10个碱基处是起始密码AUG或GUG。

6.3.2 蛋白质合成的基本过程
?



6.3.3 多聚核糖体(polyribosomes)
在蛋白质合成过程中,同一条mRNA分子能够同多个核糖体结合,同时合

成若干条蛋白质多肽链,结合在同一条 mRNA上的核糖体就称为多聚
核糖体(polysome 或polyribosomes)

图中所示是蚕的丝心蛋 白mRNA3'端多聚核糖 体,箭头所示是丝心蛋 白多肽。

电子显微镜观察的多聚核糖体

● 多聚核糖体的发现
20世纪60年代,有几个实验室先后发现了多聚核糖体。如Rich‘s 实验室是用未成熟的红细胞研究蛋白质合成时发现了多聚核 糖体。他们将未成熟的红细胞与放射性物质进行短暂培养, 以标记新合成的蛋白质。然后温和地破碎细胞,离心除去细

胞核和线粒体,收集上清液,在上清液中含有核糖体。然后
通过移动区带离心,发现除了 80S 的核糖体之外,还有 170S 的核糖体,而放射性的标记物主要存在于 170S的核糖体上, 因此推断在蛋白质合成时,核糖体可能是成串存在的。电子 显微镜观察证实: 80S 的核糖体是单个存在的,而 170S 的核 糖体是由4~6个核糖体组成的多聚核糖体。

● 多聚核糖体的形成
在mRNA 的起始密码子部位,核糖体亚基装配成完整的起始 复合物,然后向mRNA的3'端移动,直到到达终止密码子 处。当第一个核糖体离开起始密码子后,空出的起始密码

子的位置足够与另一个核糖体结合时,第二个核糖体的小
亚基就会结合上来,并 装配成 完整的起始复合物,开始蛋 白质的合成。同样,第三个核糖体、第四个核糖体、…… 依次结合到mRNA 上。根据电子显微照片推算,多聚核糖 体中,每个核糖体间相隔约80个核苷酸。

多聚核糖体的形成与蛋白质合成

Q:多聚核糖体形成的意义何在? 同一条mRNA被多个核糖体同时翻译成蛋白质,大大提高 了蛋白质合成的速率, 更重要的是减轻了细胞核的负 荷, 减少了基因的拷贝数, 也也减轻了细胞核进行基 因转录和加工的压力。

6.4 反义RNA与核酶(ribozyme)
?

在研究真核生物核糖体 rRNA 加工时发现了某些 rRNA 具有酶的功能,能够自我剪接,同时还发现一些小分 子的反义 RNA 参与核糖体 RNA 的修饰。另外还发现 50S 核糖体中的 23S rRNA 具有肽酰转移酶的功能。将 具有酶功能的RNA称为核酶。

6.4.1 小分子RNA与反义RNA
真核生物中, 除了mRNA,rRNA和tRNA外, 细胞核和 细胞质中含有许多其它类型的小分子RNA(small RNA), 虽然它们的相对分子质量很小, 但却有非常重要的作 用。

■ 小分子RNA的类型

主 要 有 两 种 类 型 的 小 分 子 RNA: 一 类 是 snRNA(small nuclear RNA), 存 在 于 细 胞 核 中 ; 另 一 类 是

scRNA(small cytoplasmic RNA),存在于细胞质中。
由 于 snRNA 富 含 尿 嘧 啶 核 苷 , 分 类 时 把 它 分 为 U1 、 U2、……等

■ 反义RNA与蛋白质合成的抑制
● 概念: 反义RNA(antisense RNA)是指与mRNA互补的RNA 分子 , 也包括与其它 RNA 互补的 RNA 分子。最早是在 E.coli 的产肠杆菌素的Col E1质粒中发现反义RNA,许多实 验证明在真核生物中也存在反义 RNA 。近几年来通过人

工合成反义 RNA 的基因 , 并将其导入细胞内转录成反义
RNA, 即能抑制某特定基因的表达,阻断该基因的功能, 有 助于了解该基因对细胞生长和分化的作用。

● 类型:原核细胞中发现的反义RNA, 根据其作用方式分为三 类: I类、Ⅱ类、Ⅲ类。. 这三类反义RNA的作用特点分别是:

I类反义RNA直接作用于其靶mRNA的SD序列和/或编码区, 引起
翻译的直接抑制 (1A 类); 或与靶 mRNA 结合后引起该双链 RNA 分子对RNA酶Ⅲ的敏感性增加, 使其降解(1B类)。 Ⅱ类反义 RNA 与mRNA的 SD 序列的上游非编码区结合, 从而抑 制靶 mRNA 的翻译功能,其作用机理尚不清楚,可能是反义

RNA与靶mRNA上游序列结合后, 会引起核糖体结合位点区域
的二级结构发生改变, 从而抑制了与核糖体的结合。

?

Ⅲ 类 反 义 RNA 可 直 接 抑 制 靶 mRNA 的 转 录 。 如 tic RNA(transcriptioninhibitory complementary RNA)是大肠杆 菌中CAP蛋白(cAMP结合蛋白)的mRNA的反义RNA。ticRNA基因的 启动子可被 cAMP-CAP复合物所激活, 从CAP mRNA的转录起始 位点上游3个核苷酸处开始, 以CAP mRNA的模板DNA链的互补 链为模板, 合成ticRNA。ticRNA的具体长度不清楚, 但是它 的5'端一段正好和CAP mRNA的5'端有不完全互补,可以形成 RNA双链杂合体。而在CAP mRNA 上紧随杂交区之后的是一段约 长 11bp 的 A· U 丰富区。这样的结构与ρ因子不依赖性的转录终 止子的结构十分相似, 可以使CAP mRNA的转录刚刚开始不久 即迅速终止。这一例子是CAP蛋白合成的自我调节的最好说明。 当CAP合成达到一定量之后, 即与cAMP结合形成cAMP-CAP复合 物, 再激活ticRNA的启动子转录出ticRNA, 反过来抑制CAPmRNA的合成。

■ sn RNA在pre-rRNA加工中的作用 ● sn RNPs(small nucleolar ribonucleoproteins)

细胞核中的 snRNA 通常与特定的蛋白质包裹在一起形成颗
粒结构 , 称为 snRNPs 。电子显微镜观察发现:在 rRNA 没 有完全转录时,snRNA就与rRNA前体结合在一起了。最早 与 pre-RNA 结合的是含有 U3 的RNP 颗粒 ,这种颗粒主要是 结合在前体rRNA的5'端,在转录后的加工中,由这种RNP

将5'端的转录物切除。

■ 反义sn RNA

一些低拷贝的snRNA(104拷贝/每细胞),它们的长度为10~
21个核苷酸,并且能够与rRNA转录物的特定序列互补, 所以属于反义snRNA。这些snRNA与rRNA前体通过互补 形成的RNA-RNA双链部分可作为pre-rRNA进行加工修饰 的标志。

● 反义sn RNAs的分类
根据反义sn RNA的功能和序列的相似性将它们分成两类:①
C/D盒sn RNA(box C/D sn RNA),这类sn RNA的5'端有 C/D 盒结构,它们的功能是决定何种核苷的核糖甲基化 ; ②H/HAC盒sn RNA,这类反义sn RNA的3'端有HAC序 列,它们的作用是决定哪些尿苷被转变成假尿苷。

据估计,细胞核中有200多种不同的反义sn RNA,它们分别
引导pre-RNA中不同位点的甲基化或假尿苷化。

6.4.2 核酶(ribozyme)
核酶一词用于描述具有催化活性的RNA, 即化学本质是 核糖核酸(RNA), 却具有酶的催化功能。

■ 核酶的发现 ● 内含子(intron) 内含子是基因内的间隔序列,它不出现在成熟的RNA分子
中,也就是说在转录后要通过加工被切除。

● 外显子(exon) 最后出现在成熟RNA中的基因序列。 ● 核酶的发现: 1981年,Thomas Cech和他的同事在研究四膜虫的26S rRNA前
体加工去除基因内含子时获得一个惊奇的发现∶内含子的切除反应发生在仅含有核苷 酸和纯化的26S rRNA前体而不含有任何蛋白质催化剂的溶液中,解释只能是:内含子 切除是由26S rRNA前体自身催化的,而不是蛋白质。为了证明这一发现,他们将编 码26S rRNA前体DNA克隆到细菌中并在无细胞系统中转录成26S rRNA前体分子。结 果发现这种人工制备的 26S rRNA前体分子在没有任何蛋白质催化剂存在的情况下, 切除了前体分子中的内含子。这种现象称为自我剪接(self-splicing),这是人类第一次 发现 RNA 具有催化化学反应的活性,具有这种催化活性的 RNA 称为核酶。 Thomas Cech 因发现了核酶而获得1989年诺贝尔化学奖。

四膜虫26S rRNA前体内含子的二级结构以及内含子、外显子的剪 接点(如箭头所指)。

■ 50S核糖体中23S rRNA的核酶活性
● 肽酰转移酶(peptidyl transferase) :蛋白质的合成过程中,肽 酰转移酶催化核糖体A位tRNA上末端氨基酸的氨基与P位 肽酰-tRNA上氨基酸的羧基间形成肽键

核糖体A 位和P位 氨基酸 间肽键 的形成

■ 核酶的组成分类
核酶的种类很多,现在有许多工程核酶。根据核酶的结构

和催化反应可分为三种类型:
● RNA和蛋白质复合物 如核糖核酸
● 小分子的 RNA 各种具有催化作用的小分子 RNA ,能够进行分子内自我切 割反应,且不需蛋白质参与。这些RNA分子可以分为两个部分,一部分是底 物,另一部分是酶。将具有酶活性的序列克隆后可制成人工核酶去作用于 独立的底物。 ● Ⅰ、Ⅱ型内含子 这两种核酶具有将自身从前体mRNA中剪接出去的作用。 体外实验证明这种剪接反应仅仅是RNA本身就可以了,但是在体内,需要有 辅助蛋白的参与。 上述三种类型的核酶都有一个共同的特点,即都涉及磷酸二酯键的切割或 连接。它们作用的底物是RNA,可以是RNA分子本身,也可以是别的RNA分子。

6.4.3 内含子的切除: 核酶的作用机理
除了 rRNA 前体中有内含子 ,tRNA 和 mRNA 前体中都有内 含子的存在,这些内含子都要通过加工被切除,才能得到

成熟的 rRNA 、 tRNA 或 mRNA 。虽然这些 RNA 中内含
子切除的机理各不相同,但都涉及到核酶的作用。

■ 核剪接(nuclear splicing) 真核生物的结构基因中一般 都含有内含子, 转录后, 从 pre-mRNA 中 将 内 含 子 切除,然后将外显子重新 连接成一个成熟的 mRNA 的过程称为RNA剪接(RNA
splicing

鸡的卵清 蛋白基因 初 始 RNA 转录物的 剪接

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核剪接是指发生在 细胞 核 中,主要是对 hnRNA 中内含子的剪接。有三个主要特 点 ∶ 一是在 pre-mRNA 中内含子与外显子 间有特征性序列,即GT-AG规则;第二是 剪接过程中需要 snRNA参与,并要形成剪 接体;第三要形成套索结构。

● GT-AG 规则(GT-AG rule) :前体RNA中参与内含子剪接的两

个特殊位点,即在内含子和外显子交界处有两个相当短
的保守序列: 5'端为GT, 3'端为 AG, 称为GT-AG规律。 ● 剪接体(spliceosome): 在剪接过程中形成的剪接复合物称为 剪接体,剪接体的主要组成是蛋白质和小分子的核 RNA(snRNA)。

● 套索(lariat)的形成和释放

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内含子的剪接分为两个主要的阶段。第一阶段是从内含 子的 5 '端开始切割,将左边的外显子与右边的内含子 -

外显子分开,左边的外显子是一个线性分子,右边的内
含子-外显子形成一个套索结构,在套索结构中,内含子 的5'端同内含子右侧一个碱基相连形成一个环。第二个

阶段是在剪接位点的3'端切割,释放套索中的内含子,
同时右边的外显子与左边的外显子连接起来,切割和连 接反应不是独立的,而是协同进行的

6.4.4 RNA编辑(RNA editing)
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RNA编辑是指在mRNA水平上改变遗传信息的过程。最典型的 例子是锥虫 (trypanosome) 动质体 (kinetoplastid) 的线粒体基因

mRNA的编辑,涉及上百个U的缺失和添加。
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■ RNA编辑的意义 由于RNA编辑是基因转录后在mRNA中插入、缺失或核苷酸的 替换而改变 DNA 模板来源的遗传信息,翻译出多种氨基酸序 列不同的蛋白质, RNA 编辑的结果不仅扩大了遗传信息,而

且使生物更好地适应生存环境。有些基因的主要转录产物必须
经过编辑才能有效地起始翻译,或产生正确的可读框(ORF)。


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概念:

核酶、多聚核糖体、反义RNA

1、核糖体化学结构和组装规则
2、反义RNA的作用


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