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主要内容

转录后的调控

可变剪接、miRNA与siRNA、翻译起始因子和蛋白质修饰。

要点:

  • 即使在基因已被转录的情况下,仍可在不同阶段调节基因表达。
  • 一些转录可以进行 选择性剪接,从而使相同的RNA转录物生成不同的mRNA和蛋白质。
  • 一些mRNA被 微型RNA(microRNA)靶向,这种小型调节RNA可以导致一段mRNA被切断或阻断翻译的进行。
  • 蛋白质的活性可以在被翻译后调节。例如通过除去氨基酸或增加化学基团。

介绍

真核细胞“开启”的基因很大程度上取决于它的身份和特性。例如,你眼睛中的感光细胞可以感受到光线是因为它表达了光敏蛋白的基因,以及可以把信号传递到大脑的神经递质的基因。
在如光感受器这样的真核细胞中,基因表达 通常在转录水平上被控制。然而,这不代表转录是进行调节的最后一次机会。基因表达的后期阶段也可以被调节,比如:
  • RNA加工, 如剪接,加帽,和加多聚A尾
  • 信使 RNA (mRNA) 翻译 和细胞质中的寿命
  • 蛋白质修饰,如增加化学基团
在下面的章节中,我们将讨论RNA转录后发生的一些常见的基因调节类型。

RNA加工的调节

但真核基因在细胞核中被转录时,初级转录物(新制成的RNA分子)还未被认为是一种信使RNA。相反,它是被称为前体mRNA的“未成熟”分子。
前体mRNA需要经过一些 修饰 才能变为成熟的,可以离开细胞核并进行翻译的mRNA分子。这些修饰包括剪接,加帽,和增加多聚A尾,所有这些都可以被调节——加速,减速,或被改变以生成不同产物。

选择性剪接

大多数前体mRNA分子含有从分子中被移除的部分,称为 内含子 ,和连接或一起形成最终mRNA的部分,称为 外显子。这个过程被称为 剪接
选择性剪接的过程中,可以选择mRNA不同的部分用作外显子。这使两种(或更多种)mRNA分子中的一个由前体mRNA生成。
前体mRNA被剪接成两个不同变体的图像。前体mRNA共有四种可能的外显子:1,2,3和4。
变体1含有外显子1,2,和4,但没有外显子3。
变体2含有外显子1,3,和4,但没有外显子2。
图片改自 "真核生物转录后基因调控:图1," 作者OpenStax College, Biology (CC BY 3.0).
选择性剪接不是个随机过程。相反,它通常受控于调节蛋白质。蛋白质与前体mRNA上特定的位置结合,并“告诉”剪接因子应该使用哪些外显子。不同的细胞类型可以表达不同的调节蛋白,因此每个细胞类型使用不同的外显子组合,从而生成不同的蛋白质。

小型调节RNA

一旦mRNA离开细胞核,它可能会也可能不会被多次翻译以生成蛋白质。决定mRNA生成多少蛋白质的两个决定性因素是它的“寿命”(它可以在细胞质漂浮多久)和翻译装置如核糖体能多容易地附着在其上。
最近发现的一类调节因子,称为小型调节RNA,可以控制mRNA的寿命和翻译。让我们来看看它是如何工作的。

microRNA(微型RNA)

microRNAmiRNA)是最早被发现的小型调节RNA之一。 miRNA 首先被转录为长链的RNA分子,它与自身形成碱基对并折叠形成发夹结构。
接着,发夹被酶切碎,释放出一段约含有22 个核苷酸的小型双链片段。1其中一条链是成熟的miRNA,它和特定的蛋白质结合并生成RNA-蛋白质复合体。
关于miRNA从何而来和它们如何调节靶标的图像。
首先,microRNA的前体细胞由microRNA基因转录。前体细胞折叠形成发夹,然后由酶进行加工。从而称为不完全互补的短双链RNA。此双链体的其中一条链是miRNA,它与蛋白质结合生成miRNA-蛋白质复合体。
miRNA将蛋白质复合体指向与miRNA部分或完全互补的mRNA。当miRNA与mRNA完全互补时,mRNA通常被在蛋白质复合体中的酶切成两半。当miRNA与mRNA不完全互补时,miRNA-蛋白质复合体可能与mRNA保持相连的状态并阻断翻译的进行。
图片改自 "miRNA 生物起源," 作者 Narayanese, CC BY-SA 3.0. 改图在 CC BY-SA 3.0 许可证下获得许可。
miRNA指示蛋白质复合体与mRNA分子“配对”(与miRNA形成碱基对)。 当RNA-蛋白质复合体结合2
  • 如果miRNA和它的靶标完全配对,RNA-蛋白质复合体中的酶通常会将mRNA切成两半,导致其分解。
  • 如果miRNA和它的靶标有一些错配,RNA-蛋白质复合体将与mRNA结合并防止其被翻译。
这些并不是miRNA抑制其靶标表达的所有途径,科学家们仍在研究它们许多其他的作用方式3
miRNA在生物体中到底做了什么?他们的直接作用是减少其靶向基因的表达,但他们可能发挥这一种作用却产生许多不同结果。
例如,在小鼠中,特定的miRNA在血管(循环)系统的发展和功能中起到关键作用。没有这种miRNA功能的小鼠,在心脏发育方面有缺陷并且无法存活。miRNA表达水平的变化也与人类疾病有关,包括多种癌症和心脏肥大4

翻译的调节

我们已经看到了miRNA是如何抑制翻译的,当还有很多方法能调节细胞中mRNA的翻译。调节的一个重要的步骤是翻译起始。
为了开始翻译,核糖体,一种为翻译提供地点的RNA和蛋白质的复合体,必需组装在mRNA上。这个过程涉及许多“辅助“蛋白质,它们确保了核糖体被正确地放置。 通过改变“辅助”蛋白质地可用度和活性,翻译可以被全面地调节(对所有细胞中的mRNA)。
举个例子,为了开始翻译,一个称为真核起始因子-2(eIF-2)的蛋白质必须与核糖体称为小亚基的一部分相结合。eIF-2的结合受控于磷酸化,或向蛋白质增加磷酸基团。
当eIF-2被磷酸化,它被“关闭”,意味着它改变了形状并不能再在起始中发挥作用,因此翻译不能开始。相反,当eIF-2未被磷酸化,它是“开启”状态并可以在起始中发挥作用,允许翻译的进行。
图片来自 "真核的翻译和翻译后的基因调控," 作者 OpenStax College, Biology, CC BY 4.0
这样,eIF-2的磷酸化就像开关一样,打开或关闭翻译的进展。翻译的失活在细胞不能“负担”制造新蛋白质的情况下,是种很好的策略。(例如当细胞缺乏营养物质时)5

蛋白质可以在翻译后被调节

还有一些调节机制作用于已生成的蛋白质上。在这些情况下,对蛋白质进行的“编辑”——例如移除氨基酸,或增加化学修饰——可以导致其活性和行为发生变化。这些过程和修改步骤可以称为调节的目标。
例如,一些蛋白质必须经过蛋白水解酶切(切碎)才能被激活。糖尿病患者使用的胰岛素就是一个例子。其他蛋白质可以添加化学基团,包括甲基,磷酸基,乙酰基,和泛素。通常,这些集团可以被动态地增加或去除来控制活性。
增加或去除化学集团可以调节蛋白质活性或蛋白质进行“回收”之前在细胞中停留的时间长度。有时,化学修饰也可以决定蛋白质在细胞中的位置——例如,是在细胞核或是细胞质,还是附着在细胞膜上。

磷酸化作用

最常见的翻译后修饰之一是磷酸化,其中磷酸基团附着到蛋白质上。磷酸化的影响根据不同蛋白质而变化:一些蛋白质因磷酸化而被激活,而另一些或失活,其他的则仅仅改变它们的行为(与不同的同伴相互作用,或进入细胞不同的部分)。
一个附着磷酸基团的蛋白质图像,显示出磷酸基团带一负电荷的化学结构。
当我们观察eIF-2是如何因增加磷酸基团(阻止翻译)而失活时,我们看到了上述这点的例子。然而,许多不同的蛋白质可以被选择性磷酸化,而产生取决于蛋白质在细胞中作用的不同影响。

泛素化

蛋白质可以通过添加一个称为 泛素 的化学标记来进行标记降解。被泛素标记的蛋白质被带到蛋白酶体,或细胞的“回收中心“,并分解成它们的组成部分。泛素化是一种控制细胞中蛋白质持久性的重要方法。
蛋白质是如何被泛素标记并降解的。首先,泛素附着于蛋白质上。接着,蛋白质被带到蛋白酶体,在那里它被分解并“回收”了部件。
图片来自: "真核翻译和翻译后基因调节:图2," 作者 OpenStax College, Biology CC BY 4.0

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