结构推理 Robert和Sharp由于发现断裂基因以及其后有关RNA拼接研究中的贡献而获1993年诺贝尔生理学和医学奖,请问:
   (1)什么是断裂基因?(2)RNA拼接的机理。(3)RNA拼接具有什么生物学意义?
【正确答案】(1)断裂基因:真核生物的结构基因,由若干个编码区被非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成,因此真核生物基因称为断裂基因。
   (2)RNA拼接的机理:
   ①类型I的自我拼接实际上是发生了两次磷酸二酯键的转移,其特点是需要鸟苷参与。第一个转酯反应由一个游离的鸟苷或鸟苷酸(GTP、GMP或GDP)介导,其3'-OH作为亲核集团攻击内含子5'端的磷酸二酯键,从上游切开RNA链,在第二个转酯反应中,上游外显子的自由3'-OH作为亲核基团攻击内含子3'位核苷酸上的磷酸二酯键,使内含子完全被切开,上下游两个外显子通过新的磷酸二酯键重新连接。
   ②类型Ⅱ的自我拼接不需要鸟苷参与,而由其自身结构决定。特点是形成套索内含子。由内含子本身的靠近3'端的腺苷酸2’-OH作为亲核基团攻击内含子的5'端的磷酸二酯键,从上游切开RNA后形成套索装结构。再由上游外显子的自由3'-OH作为亲核基团攻击内含子3'位核苷酸上的磷酸二酯键,使内含子被完全切开,上下游两个外显子通过新的磷酸二酯键重新连接。
   ⑧拼接体的拼接可以分为两个阶段:首先是共有序列的识别和复合体的组装,形成拼接体,然后进行断裂和连接反应进而改变RNA底物的结构。
   ④核内tRNA前体的酶促拼接是由蛋白酶参与的拼接,第一步由一个内切核酸酶催化两个磷酸二酯键断裂,释放出一条线状内含子分子和两个由二级结构作用力连接在一起的“tRNA半分子”;然后由RNA连接酶催化两个“tRNA半分子”连接成成熟的tRNA分子。
   ⑤反式拼接和选择拼接是分子间的拼接。若一个分子具有5'拼接点,另一个分子具有3'拼接点,它们又靠得很近,就可以发生反式拼接,结果使一分子5'拼接点上游序列与另一个分子3'拼接点下游序列连在一起,被切除的序列相当于(内含子)形成类似套索的Y形结构;分支点形成不稳定的磷酸三酯,随即水解脱去分支。选择性拼接则可以通过使用不同的起点或终点序列改变剪接机制,有时,一个初始转录按多种方式进行剪接,内部的外显子可以被替代,增加或缺失,这样使同一个基因产生多种剪接产物。
   (3)RNA拼接的生物学意义:①RNA拼接是生物机体得进化历史形成的,是进化的结果。②RNA拼接是基因表达调控的重要环节。③基因有模块装配而成,模块间的间隔序列也就是内含子,因此外显子和内含子有着同样古老的历史。④拼接促进有益重组,多生物体进化十分重要。⑤外显子与内含子是相对的,有些内含子可以是编码序列,能够产生蛋白质或功能RNA,不能将内含子看成是无用的序列,因此拼接过程是必要的。
【答案解析】[考点]RNA拼接的机理及其意义。大多数真核基因为断裂基因,其转录产物需要拼接,去内含子序列,使编码区成为连续序列。内含子具有多种多样的结构,拼接的机制也是多种多样的。有分子内的拼接和分子间的拼接。分子内的拼接又可分为4种,即:类型Ⅰ的自我拼接(group Ⅰ self-splicing)、类型Ⅱ的自我拼接(group Ⅱ self-splicing)、核mRNA的(hnRNA)拼接体的拼接(nuclear mRNA spliceosomal)和核内tRNA前体的酶促拼接。类型Ⅰ的自我拼接的内含子分布广泛,出现在线粒体、叶绿体编码的rRNA、tRNA、mRNA的基因中;类型Ⅱ内含子只见于某些真菌线粒体和植物叶绿体中,其自我拼接有赖于二级结构的进一步折叠;核mRNA的(hnRNA)拼接体的拼接不适合线粒体、叶绿体基因内含子,也不适合于tRNA和rRNA核基因的内含子。
   分子间的拼接有反式拼接(trans-splicing)和选择拼接(alternative-splicing)。选择性拼接是一个基因的转录产物在不同的发育阶段、分化细胞和生理状态下,通过不同的拼接方式,可以得到不同的mRNA和翻译产物的一种方式,所产生的蛋白质即为同源体(isoform)。