全 文 :生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第22卷 第7期
2010年7月
Vol. 22, No. 7
Jul., 2010
文章编号 :1004-0374(2010)07-0703-07
收稿日期:2010-05-10
基金项目:中国科学院“百人计划”(2008OHTP03);
上海市浦江人才项目(09PJ1411300); 国家自然科学基金
面上项目(30970583)
*通讯作者:E-mail:hcheng@sibs.ac.cn
m R N A 出核转运及其偶联网络
迟斌凯,朱长兰,王庆亮,王兰甜,程 红*
(中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所,
中国科学院分子生物学国家重点实验室,上海200031)
摘 要:真核细胞中,编码蛋白质基因的表达是一个复杂的、分步骤进行的过程,这个过程从转录
和新生 pre -mRN A 的核内加工开始,经过正确加工的成熟 mRNA 从加工位点释放,出核转运后在细胞
质内翻译成蛋白质。mRNA 出核转运是基因表达中的关键步骤,由进化上高度保守的特定蛋白质介导完
成。mRN A 出核与转录和 mRN A 加工步骤密切偶联,这样的偶联可以提高基因表达的有效性和准确性。
关键词:m R N A 出核;偶联;基因表达;T R E X
中图分类号:Q522.2; Q786 文献标识码:A
mRNA export and its coupling in gene expression
CHI Bin-kai, ZHU Chang-lan, WANG Qing-liang, WANG Lan-tian, CHENG Hong*
(State Key Laboratory of Molecular Biology, Institute of Biochemistry and Cell Biology, Shanghai Institutes for
Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200031, China)
Abstract:In eukaryotes, the expression of protein-coding genes is a complex stepwise process, which begins
with transcription and processing of nascent transcripts in the nucleus. Upon maturation, the mature mRNAs
are then released from the processing site and exported into the cytoplasm for translation into proteins. mRNA
export is a critical step in gene expression, which involves a specific cellular machinery that is highly conserved
from yeast to humans. mRNA export is coupled to transcription and mRNA processing steps, and this extensive
coupling may enhance the efficiency and fidelity of gene expression.
Key words: mRNA export; coupling; gene expression; TREX
真核细胞的一个重要特征就是核膜将细胞划分
为细胞核和细胞质两个部分。遗传信息从DNA传递
到RNA的过程(转录)和从RNA传递到蛋白质的过程
(翻译)被分隔在这两个不同的区域中。因此,在翻
译之前,信使RNA (mRNA)必须从细胞核转运到细
胞质。mRNA 出核并不仅指 mRNA 穿过核膜孔的一
个简单过程,而是伴随转录和 mRNA 加工,mR N P
(messenger ribonucleoprotein)复合体的形成、锚定以
及穿过核膜孔复合体(nuclear pore complex, NPC)并
最终定向释放到细胞质的整个过程[1]。因此,研究
m R N A 出核也离不开对基因表达全过程的整体考
虑。近年的研究表明,原来被认为独立的基因表达
各个步骤通过一个极为复杂的网络,高度协同、相
互偶联和依赖[2,3]。这种紧密偶联包括染色质重塑和
转录、共转录的 m R N A 加工、m R N A 出核和翻译
等基因表达的几乎所有步骤。另外,mRNP 组分的
重塑伴随 m R N A 从新生到降解的整个生命过程。
mRNA 出核转运与转录和 mRNA 的核内加工步骤通
过参与这些步骤的蛋白质机器之间的相互作用密切
偶联,从而保证经过正确加工的mRNA 以最高的效
率出核转运,而存在加工错误的mRNA 则被滞留在
核内并最终被降解[4-8]。
704 生命科学 第22卷
m R N A 出核由核膜上的无数个 N P C 来完成。
NPC由一种称为nucleoporin的蛋白所组成,并分为
中央孔、核篮和胞质纤维三部分结构。核质转运是
由与转运货物和NPC都有相互作用的出核受体介导
完成的一个主动运输过程。蛋白质的核质转运中,
转运受体能够识别蛋白质上的特定信号,与之不
同,RNA 是以 RNP 复合体的形式被转运的。例如,
tRNA 和 microRNA 的出核是由能特异识别它们二级
结构的出核受体介导完成的。mRNA 的出核转运需
要能介导 mRNA 与 mRNA 出核受体间相互作用的蛋
白来完成。
1 高度保守的mRNA 出核机器
mRNA 出核机器的核内关键成分包括 mRNA 出
核受体TAP/P15和 transcription/export 复合体(简称
TREX),两者都是从酵母到人高度保守的蛋白质复
合体。除此之外,SR 蛋白和 RNA 解旋酶 Dbp5 也
在 m R N A 出核中发挥重要作用。接下来,本文将
对这些重要的 mRNA 出核机器成分做具体介绍。
1.1 TAP/P15
TAP与p15(酵母Mex67和Mtr2)形成异二聚体,
在 m R N A 出核转运的过程中扮演出核受体的角
色[9-11]。TAP(酵母Mex67p)可以结合多聚腺苷酸化
的 mRNA,并通过其 C 端的 FG 重复序列与 NPC 组
分直接相互作用[12]。TAP/P15 在酵母、果蝇和人的
mRNA 出核过程中都是必需的[11 , 1 3 ]。尤为有趣的
是,TAP/P15是仅有的不属于importin-b家族的核
质转运受体。
1.2 TREX
TREX 从酵母、果蝇到人,在组成和功能上都
高度保守。它由多亚基 T H O 复合体、出核因子
Aly、UAP56 和功能未知蛋白Tex1 组成。UAP56 是
一个ATP 依赖的DEAD-box RNA 解旋酶,在mRNA
出核过程中必不可少[1 4 , 1 5 ]。然而,UA P 5 6 参与
mRNA 出核的分子机制尚不明确,可能与其解旋酶
活性能引起mRNP 的重塑有关。Aly 可以与TAP 相
互作用,一直被认为是通用的mRNA 出核的adap-
tor[12]。Aly通过其RRM结构域与mRNA直接相互作
用,从而介导 mRNA 与 mRNA 出核受体之间的相互
作用[12,16]。Aly虽然在酵母中对mRNA的出核起着关
键作用,但在果蝇和线虫中,对其进行 RNA 干扰
并不影响大多数mRNA 的出核[17,18]。这曾经被认为
是除Aly以外存在其他mRNA出核adaptor 的证据。
然而,最新研究发现,在人细胞中沉默Aly会抑制
poly(A)+ RNA 的出核,说明Aly 在 mRNA 的出核过
程中发挥了关键作用,而在果蝇和线虫中的现象可
能由于基因沉默不完全导致[19]。
酵母的 THO 复合体由 Tho2、Hpr1、Mft1 和
Thp2 组成,而人 THO 复合体由 Thoc1、Thoc2、
Thoc5-7组成[20]。在酵母中,THO复合体结合在转录
活跃的基因上,在转录延伸过程中发挥作用[21,22]。
具体机制为:酵母THO复合体结合并包装新生转录
产物,防止其与 DNA 模板之间形成 DNA:RNA 杂
合物,从而保证转录延伸的顺利进行[23 ]。人 THO
复合体在转录和mRNA出核中的功能都尚不明确[24]。
另外,在酵母、果蝇和人中都存在的 T R E X 组分
Tex1 的功能尚不清楚。
1.3 Dbp5
Dbp5 是一种在mRNA 出核过程中扮演关键角色
的DEAD-box RNA 解旋酶[25,26]。在酵母中,Dbp5
伴随转录被招募到 mRN A 上[ 27 , 2 8 ] ,在招募和转运
mRNA 的过程中,Dbp5 只有基本的 RNA 解旋酶活
性。然而,此活性可以被结合在胞质纤维上的辅助
因子GLE1和 6磷酸肌醇酯(IP6)激活[29,30]。作为信
号分子,IP6 可以介导信号转导通路对 mRNA 出核
过程的调控[31]。尤为重要的是,Dbp5 的解旋酶活
性在胞质纤维处被激活,从而引起 mRNP 的重塑,
并在NPC 的胞质侧将 TAP 从 mRNP 释放[31]。因此,
在酵母中,Dbp5 可能在 mRNP 的胞质定向释放中
发挥一定的作用。
1.4 SR蛋白
除TREX 的组分Aly 之外,也有其他蛋白被提
出可能是mRNA 出核的adaptor。然而,迄今为止,
只有支持SR 蛋白家族成员是一种通用的mRNA 出核
adaptor的证据[32]。在后生动物中,SR蛋白与pre-
m R N A 的外显子序列结合并招募剪接体到剪接位
点[33]。剪接完成后,SR蛋白仍与spliced mRNA 结
合并伴随其转运到胞质[34 ]。与 mRN A 出核因子一
样,SR 蛋白也在核质间穿梭,并可以通过与 TAP
之间的相互作用介导 mRNA 出核[35]。SR 蛋白的丝
氨酸可以被磷酸化,其磷酸化状态在剪接过程中被
调控[34]。最近有证据表明,SR 蛋白的磷酸化也参
与调控其与TAP 和 mRNA 之间的相互作用。具体来
说,低磷酸化 SR 蛋白与 m R N A 和 T A P 结合,因
此SR 蛋白的脱磷酸化被认为是其区分pre-mRNA,
而只促进 mRNA 出核的一种机制[36 ]。
有证据表明,SR 蛋白的磷酸化状态调控其与
mRNA 及 mRNA 出核受体间相互作用的机制在进化
705第7期 迟斌凯,等:m R N A 出核转运及其偶联网络
上保守。在酵母中,Npl3是一种SR-like核质穿梭
蛋白,它虽然不在 m R N A 剪接中起作用,却在
mRN A 出核中发挥重要作用[3 7 ]。核定位脱磷酸酶
Glc7p 也是mRNA 出核的必需因子。Glc7p 使 Npl3
脱磷酸化,帮助 mRNA 从 3 加工位点释放,并促
进其与mRNA 出核受体结合[38]。Gbp2 和 Hrb1 也是
酵母中的SR-like蛋白,与Npl3不同,这些蛋白与
TREX 之间存在相互作用,并需要TREX 组分THO 来
发挥其在mRNA 出核中的作用[39,40]。Gbp2 和 Hrb1
分别结合在转录活跃的基因的全长序列上并与新生
的转录产物结合。因此,SR-like 蛋白和TREX 可
能在 mRNA 出核中共同发挥作用[41 ]。
2 mRNA 出核与转录的偶联
近年的研究表明,mRNA 出核与转录和 mRNA
的转录后加工过程广泛偶联,这对于保证基因表达
的高效性和准确性至关重要。这些偶联主要是通过
参与这些过程的分子机器中蛋白质间的相互作用来
实现的。在酵母中,mR NA 出核与转录直接偶联,
mRNA 出核机器 TREX 在其中发挥了重要作用。这
种偶联的具体机制是:在转录过程中,T H O 复合
物被RNA 聚合酶II 招募到DNA 模板上,然后募集
Sub2和Yra1(人UAP56和Aly的同源蛋白),并将其
传递到新生的mRNA 上[22],从而完成 mRNA 出核因
子的共转录招募。Yra1 则通过与 mRNA 出核受体
Mex 6 7 的相互作用把后者招募到 mRN A 上,并由
Mex67 介导 mRNA 出核[12 ]。这样,通过在转录过
程中被招募到 mRNA 上的 TRE X,mRN A 出核与转
录偶联起来。Sub2 和 Yra1 的变异体也有转录延伸
的障碍。显然,这种偶联机制不仅提高了下游
mRNA 出核步骤的效率,而且保证了上游转录的正
常进行。
酵母中另一个重要的mRNA 出核复合物TREX-2
复合体也可能参与了 m R N A 出核与转录之间的偶
联。酵母TREX-2 复合体由Sac3、Thp1、Sus1 和
Cdc31 组成,这四个组分的缺失或突变都会显著抑
制 mRNA 的出核。此复合体可能参与介导 mRNA 出
核受体Mex67和 NPC之间的相互作用[42]。值得注意
的是,酵母TREX-2 复合体的一个组分——Sus1,
也是进化上保守的转录激活复合物 SAGA 的组分。
SAGA具有催化组蛋白乙酰化[43, 44]和组蛋白去泛素
化[45]的功能。在转录激活过程中,SAGA 复合物被
招募到上游激活序列(upstream activation sequences,
UASs),并促进通用转录因子(general transcription
factors,GTFs)募集到染色质上[43,46-48]。Sus1 是
SAGA 复合物去泛素化模块的重要组分,参与了组
蛋白H2B 的去泛素化[49]。因此,Sus1 可能把SAGA
复合物与TREX-2 复合体联系起来,从而介导转录
与 mRNA 出核的偶联。有研究表明,Sus1 的果蝇
同源物E(y)2在果蝇中发挥了类似的作用[50],这暗
示转录与mRNA 出核之间的偶联可能也存在于高等
真核生物中,但在高等真核生物中是否存在TREX-2
复合体及其与 SAGA 复合物之间的具体联系,还有
待进一步研究。
3 mRNA 出核与剪接的偶联
在酵母中,9 5 % 以上的基因不含内含子,将
mRNA 出核与转录偶联可以保证基因表达的高效进
行;而在人中,绝大多数基因都含有多个内含子,
这些内含子需要通过剪接切除。人mRNA 出核若与
转录偶联则会引起未经剪接的不成熟 mRNA 出核,
造成细胞功能障碍。我们的研究结果提示,在人
中,m R N A 出核与剪接直接偶联。
如上文所述,在酵母中,TREX 的募集伴随转
录进行,从而介导酵母 mRNA 出核与转录的偶联。
而在人中,TREX 组分 UAP56、Aly 和 THO 都与富
集mRNA 剪接因子的nuclear speckle 共定位[51]。
TREX 的所有组分都存在于亲和纯化的剪接体中[52]。
这些结果说明,人TREX 与剪接机器之间存在相互
作用。但如果TREX 被招募到未经剪接的pre-mRNA
上,仍然可能导致其出核。进一步的体外实验发
现,TREX 的所有组分都只选择性地结合在成熟的
mRNA 上。总结这些发现说明,TREX 是在剪接后
期被招募到 mRNA 上的[53]。剪接与转录直接偶联,
通过原位杂交实验和共聚焦显微镜的观察,Custodio
等[54]发现,Aly和 UAP56 与剪接体的组分在野生型
m R N A 的转录位点共定位。与之形成鲜明对比的
是,当用一个不能剪接的突变型mRNA 进行相同的
实验时,在转录位点既没有发现剪接体的信号,也
没有发现UAP56 和 Aly的信号。此结果表明,在人
中,mRNA 出核与剪接直接偶联,而与转录通过剪
接间接偶联。
mRNA 与剪接之间的偶联可以显著提高 mRNA
出核的速度和效率。最初,利用蛙卵微注射技术,
研究人员发现经正常剪接而形成的mRNA 的出核效
率显著高于与之相应的cDNA 转录产物[55]。进一步
研究发现,经过剪接形成的 mRNA 被组装形成一个
与cDNA 转录产物不同的mRNP 复合体[56],此复合
706 生命科学 第22卷
体可以促进 mRNA 的出核并提高其稳定性。最近,
Reed实验室利用哺乳动物体细胞显微微注射技术研
究发现,剪接促进mRNA 出核的现象在哺乳动物细
胞中同样存在。与人 TREX 介导 mRNA 出核与剪接
之间偶联的作用一致,T R E X 只与经过剪接的
m R N A 结合,而不被招募到 c D N A 转录产物上。
TREX 在剪接过程的后期被招募到mRNA 的近5 端
的一个区域,此招募过程既依赖mRNA 的 5帽,又
依赖剪接。TREX 与 5 帽结合复合体(CBC)之间存
在相互作用,提示 TREX 可能被 CBC 招募到 mRN A
上。然而,未经剪接的 c D N A 转录产物上同样有
CBC 结合,但 TREX 却不能与 cDNA 转录产物稳定
结合,提示可能有一些剪接体组分可以稳定 TREX
与 mRNA 的结合。究竟是哪个或哪些剪接体组分在
TREX 复合体的募集或稳定中起关键作用仍不明确,
此组分还有待发现,TREX 的剪接依赖性招募的具
体机制还有待阐明。
4 mRNA 出核与3 尾加工之间的偶联
真核细胞mRNA的 3尾加工包括切割和加多聚
腺苷酸尾两个步骤。mRNA 的 3非翻译区特定顺式
作用元件AAUAAA 决定反应发生位点,并招募进化
上保守的蛋白复合体结合以进行切割反应和加多聚
腺苷酸尾[57,58]。近年来,有越来越多的研究证据表
明,mRN A 出核也与 3 尾加工偶联。
有些含内含子的基因以cDNA 形式表达时表达
量非常少,这是由cDNA 的转录产物不稳定和出核
障碍引起的[59,60]。如果给cDNA 添加内含子或某种
顺式作用元件,比如 3 剪切位点,转录产物在细
胞质的分布会大大增加[61,62]。由于3剪切位点的增
加也会有助于3端加尾反应,提示转录物出核的增
加可能来自于更有效的3尾加工[61,63]。另外一些证
据也证实了这一观点,比如在酵母中,缺乏加尾信
号会导致报告基因的转录产物滞留在核内[64]; 酵母的
CFⅠ(cleavage factor I) 组分或poly(A)聚合酶异常
导致多聚腺苷酸尾不能正常形成时,会导致 mRNA
在核内聚集[4]; 在哺乳动物细胞中,β-globin 报告基
因的polyadenylation 信号异常会导致转录产物滞留在
核内的转录位点[55]。如果用ribozyme替换报告基因
的3端切割信号,在切割位点下游人为添加poly(A)
尾,仍然会发生 mRNA 出核障碍,提示 3 尾加工
过程本身是 mRNA 出核必需的[65 ]。流感病毒 A 的
NS1A蛋白通过与mRNA 3 尾加工机器的结合作用,
可以抑制mRNA 出核[66]。2002 年,Hammell 等[67]
在酿酒酵母中筛选mRNA 出核相关因子,发现了新
的与 3 尾加工和出核均相关的蛋白。他们发现在
mRNA 出核必需因子(如Mex67p)突变的菌株中,3
尾加工和转录终止均受到抑制。这一研究认为3尾
加工与 mR N A 出核之间是相互影响的。
mRNA 的 3 尾加工与mRNA 出核偶联的机制目
前仍不十分清楚。在未加工完全的mRNA 上结合的
3 尾加工因子可能阻止了出核机器的招募或成熟
mRNP 的生成。另一种可能性是3 尾加工机器也可
能直接介导出核因子的招募,研究发现,酵母中3
种polyadenylation的必需成分——Hrp1、Nab2和
Pab1[68-70]以及哺乳动物中核内poly(A)尾结合蛋白
PABPN1[71]都可以在核质穿梭,但是并没有直接证
据证明这些3尾加工因子在出核中的作用。3尾加
工因子参与 mRNA 出核可能还存在另外一种机制,
即 3尾加工因子与含出核信号的蛋白有相互作用,
可招募这些蛋白至 mR N A。在酵母中,Pc f 1 1 是
mRNA 的 3 尾加工因子 CF1A 的组分。Pcf11 伴随
转录招募Yra1,并借助其与Sub2 之间的相互作用
将 Yra1 传递到新生的 mRNA 上,从而将 mRNA 出
核与3尾加工偶联[72]。与酵母中的偶联机制相似,
果蝇中锌指蛋白ZC3H3 在 mRNA 的 3 尾加工因子的
释放和3多聚腺苷酸尾加工上起重要作用。这些加
工步骤完成以后,ZC3H3 保持与mRNA 的结合并招
募TAP,从而介导mRNA出核与3尾加工的偶联[73]。
2009 年,Ruepp 等[74]研究发现,哺乳动物中3尾
加工因子CFIm68 在 mRNA 出核中起作用。CFIm68
是一种核质穿梭蛋白,在 3 端剪切过程中发挥作
用。他们证实 CFI m68 与 mRNA 出核受体 NXF1 有
相互作用,并且沉默 CFI m6 8 会抑制 mRN A 出核。
这一结果给3 尾加工与mRNA 出核的联系提供了直
接证据。总而言之,在酵母、果蝇和人中都有 3
尾加工因子可以招募 m R N A 出核受体,进而帮助
mRNA 更有效地出核。这些 3 尾加工因子对 mRNA
出核受体的招募作用在进化上是否保守还不清楚。
3 尾加工因子依赖的mRNA 出核受体的招募是否是
mRNA 出核与3 尾加工偶联的惟一机制也还有待阐
明。
5 结论与展望
mRNA 出核转运是一个复杂的过程,它和基因
表达的前期过程相互交织在一起:一些转录活跃的
707第7期 迟斌凯,等:m R N A 出核转运及其偶联网络
基因定位到 NPC 附近,而 mRN A 出核机器伴随转
录和加工招募到 mRNA 以确保 mRNP 的正确聚集和
有效出核。研究mRNA 出核与基因表达上下游步骤
的相互关联有利于我们对基因表达的进一步认识。
另外,mRNA 出核过程把基因表达的核内外过程衔
接了起来。以往的研究提示了mRNA 加工与翻译之
间的偶联,那么介于两者之间的mRNA 出核过程在
这种偶联中的作用还不清楚。目前,已知 mRNA 出
核与转录和剪接之间的偶联,而 m R N A 出核与
mRNA 质量监控之间的关联有可能成为 mRNA 出核
领域的下一个研究热点。尤为重要的是,mRNA 出
核通路是否存在组织或时空特异性,一些特定
mRNA 的出核是否受到不同信号转导通路的调控必
将成为mRNA 出核领域的重要研究方向。这些研究
需要更多的基因组范围的研究。人类基因组测序结
果揭示,mR N A 仅占转录组的 2% ~ 3 %,而剩余的
都是非编码 RNA。这些非编码 RNA 的出核转运通
路是否与 m R N A 相同,若有不同,它们的机制又
是什么。这些都是有待研究的RNA出核领域的重要
课题。总之,mRNA 出核的基本原理虽然基本清楚
了,但mRNA 出核领域中还有很多重要问题有待解
答。
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