snRNA 在哺乳动物中基因表达研究进展

徐 妲，陈 璇，罗晓彤，金 一*

（1.延边大学农学院，吉林延吉 133002；2.吉林市农业科学院，吉林吉林 132001）

哺乳动物的细胞核和核仁辅助体中都含有一类小RNA 分子，即小核RNA（Small Nuclear RNA，snRNA）。snRNA 是一类非编码RNA，有100～300 个碱基，每个细胞中可含有105～106 个RNA 分子。snRNA 的长度在哺乳动物中为100～215 个核苷酸。它们被RNA聚合酶II 或RNA 聚合酶III 转录[1]，其主要功能是参与mRNA 前体加工。snRNA 不参与蛋白质合成，但能与蛋白质结合形成小核核糖核蛋白（Small Nuclear Ribonucleoprotein Particle，snRNP）。每个snRNP 颗粒由snRNA 和snRNP 特异性蛋白（包括Sm 蛋白，核蛋白家族）组成。snRNA 的蛋白质部分具有核酸酶和连接酶活性，它能把转录在内含子到外显子的接点处切断，并把2 个游离端连接起来。snRNA 一直存在于哺乳动物细胞核中，与40 多种核内蛋白质共同组成RNA 剪接体，剪接体能催化哺乳动物中前体mRNA 的成熟[2]。snRNA 还能影响哺乳动物基因的表达，过量可以诱导神经细胞凋亡和癌细胞增殖，而敲低可诱导神经细胞增殖和癌细胞凋亡，这一发现为临床治疗带来了新的希望。因此，了解snRNAs 的生物机制对于理解它们的调节和功能至关重要。本文综述了snRNA 的分类、功能、基因表达以及转录后修饰，为今后snRNA 在哺乳动物中的研究提供理论参考。

1 snRNA 分类

1.1 Sm 类snRNA snRNA 在结构上通常有Sm 蛋白结合位点，与一系列蛋白形成snRNP，主要剪切内含子使mRNA 成熟[3]。Sm 类snRNA 被广泛研究，由U1、U2、U4、U5、U7、U11 和U12 组成，由RNA 聚合酶II 转录[4]。前端snRNA 被转录到细胞核中，通常是5´末端加上7-甲基鸟苷酸构成帽的结构，然后通过核孔进入细胞质。在细胞质中，Sm 类snRNA 由5'末端1个三甲基鸟苷酸（TMG）、3'末端茎环和1 组7 个Sm蛋白的结合形成异七聚体环结构（图1-A）[5]。3'末端茎环结构是运动神经元蛋白存活识别所必需的，它能将snRNA 组装成稳定的核糖核蛋白，然后通过5' 末端1个三甲基鸟苷酸的类似“帽”结构，将snRNP 导回到细胞核中。在哺乳动物的细胞核中，剪接或去除内含子是转录后修饰的主要方面。

1.2 Lsm 类snRNA Lsm 蛋白是广泛存在于多种生物体中的RNA 结合蛋白。Lsm 类snRNA 主要由U6 和U6atac 组成，参与各种与RNA 代谢相关的信号通路。在真核细胞中，Lsm 类snRNA 能够特异地识别U6 RNA 的3´末端序列，并帮助U6 RNA 与剪切体其他成员相互作用，催化RNA 的剪接过程。与Sm 类snRNA相反，Lsm 类snRNA 由RNA 聚合酶III 转录但不会离开细胞核[6]。Lsm 类snRNA 含有1 个单甲基磷酸酯帽和1 个3'末端茎环，终止于一段尿嘧啶形成Lsm 蛋白的独特异三聚体环的结合位点（图1-B）[5]。在3'末端形成Lsm 结合位点，尿苷的运行是转录终止子的2 倍。因此，Lsm 类snRNA 与Sm 类snRNA 是2 种不一样的snRNA，但在RNA 转录后加工中都起到重要作用。

2 snRNA 在mRNA 前体剪接中的作用

剪接体是哺乳动物mRNA 前体成熟过程中不可或缺的一部分，是由U1、U2、U4、U5、U6 snRNA 和超过150 多种蛋白组成的RNA 复合体[7]。在剪接体组装和催化过程中，snRNA 与蛋白质结合形成snRNP，与mRNA 前体底物上的特定序列结合，产生催化能力剪接体[8]。snRNA 在识别位点和催化剪接方面起着关键的调节作用[9]，其中核心snRNA（U2、U5 和U6）参与底物定位和催化。剪接包括2 个连续的酯交换产生自由套索内含子，并将连接2 个外显子形成成熟的mRNA[10]。snRNAs 高度保守，50 个剪接位点和分支位点分别与U1 和U2 snRNA 的碱基配对相互作用，但只是部分识别。随后，U6 snRNA 在50 个剪接位点取代U1，形成一个与U2 snRNA 相互作用的并列碱基对，其将50 个剪接位点和分支位点并置。最后，通过与U5 snRNA 中保守环的相互作用[11-12]，2 个外显子被束缚并保持部分对齐（图2）。除了结合和协调剪接位点和分支位点之外，snRNA 还涉及剪接反应的分析[13-14]。诱变数据在U6 中定义了2 个催化关键域，进化不变的ACAGAGA 盒和AGC 三联体（图2），其中突变导致剪接第一步或第二步的阻断[11]。此外，对U6 分子内干环（ISL）的核磁共振研究表明，在U6 ISL 这个位置能结合二价金属离子[15]。总之，snRNA 加强了哺乳动物剪接体中RNA 的催化作用。

3 主要snRNA 的基因表达

3.1 U1 snRNA U1 小 核RNA（U1 snRNA）作 为 人类细胞中最丰富的非编码RNA 之一[16]，在mRNA 前体的剪接中起重要作用。U1 snRNA 在人体中的长度为164 个核苷酸，其蛋白质结合位点在昆虫和哺乳动物中高度保守[17]。已知snRNA 的功能是在哺乳动物细胞核中合成并转运到细胞质中，检索其他核心剪接体组件然后返回细胞核[18]，首要的U1 snRNA 的功能是其参与剪接细胞核中mRNA 前体的表达。在主要剪接体中，U1 snRNP 与U2、U4、U5 和U6 snRNP 以相同的化学计量存在。然而，U1 snRNP 在人类细胞中的丰度远远高于其他snRNP[19]。例如在HeLa 细胞中敲低U1 snRNA 基因的研究显示，经过转录后的核酶显著减少，因此U1 snRNA 对细胞功能具有重要意义[20]。U1 snRNA 可以调节转录因子和RNA 聚合酶II，得以维持端粒。U1 snRNA 的异常可导致mRNA 前体剪接中的缺陷，这被认为是导致人类基因疾病主要的原因[21]。2013 年发现U1 snRNA 与U1 snRNPs 的细胞质聚集在阿尔茨海默病中，但检查其他的神经退行性疾病中却没有，包括帕金森病和额颞叶变性，还证明了U1 snRNA 和U1 snRNPs 的细胞质聚集能导致剪接体活性的丧失[22]，其改变了淀粉样前体蛋白和β-淀粉样蛋白的表达。淀粉样前体蛋白含有产生β-淀粉样蛋白的区域，其聚集被认为是引起阿尔茨海默病的主要因素。在过去的20 年中，U1 snRNA 的研究主要集中在其功能上，尤其是U1 snRNA 异常引起的神经退行性疾病研究。除此之外，U1 snRNP 可以保护mRNA 前体免于通过早期切割和多聚腺苷酸化从内含子中隐蔽的多腺苷酸化信号中过早终止[23]。使用更近端的替代多聚腺苷酸化位点，聚腺苷酸化产生更短的mRNA，已经在激活的免疫、神经元和癌细胞中得到证实[24]。以往的研究得出结论，替代性剪接和多聚腺苷酸化被癌细胞调节和利用，以促进其生长和存活[25]。Cheng Z 等[26]报道了U1 snRNA 可以调节癌症基因表达。U1 snRNA 可以诱导神经细胞和癌细胞发生变化，这为snRNA 在基因治疗中的研究提供了理论基础。

3.2 U2 snRNA U2 小核RNA（U2 snRNA）在通过天然凝胶电泳检测，在酿酒酵母和哺乳动物提取物中均存在。U2 snRNA 具有与分支位点互补的顺序。抗U2 snRNP 的抗体可以和U2 snRNA 及包括分支位点在内的内含子所形成的复合体发生免疫沉淀[27]。由于U1 和U2 snRNA 的灭活将阻止连接点的切断和套索的形成，因此U1 和U2 snRNA 参与剪接反应的起始阶段。如在人类Ul snRNA 基因的第194 位点，仅在体外转录起始位点上游处。进一步分析U2 snRNA 基因在体外构建的缺失突变体，才确定了这些序列在转录中的重要性。Utsunomia等[28]、Zeller 等[29]研究表明，非洲爪蟾卵母细胞与体细胞不同，可累积snRNP 的RNA 和蛋白质成分（小核核糖核蛋白）颗粒不一致。这显示出snRNP 蛋白相对缺乏snRNA 的积累。由此产生的过量snRNP 蛋白位于卵母细胞的细胞质中，微量注射snRNA 导致迁移，可使部分snRNP 蛋白进入卵母细胞核[30]，该过程在体内早期胚胎发育期间发生。哺乳动物卵母细胞相对于snRNP 蛋白可能会耗尽snRNA 有2 个原因，一是snRNA 在哺乳动物卵母细胞中不是主动合成的，二是在卵母细胞中合成但是不稳定[29]。当微注射U2 snRNA 到卵母细胞中时它被积极地转录[31]，而再次微量注射U2 snRNA 到卵母细胞的细胞质中时，它迁移到细胞核。因此，U2 snRNA 在snRNP 蛋白从细胞质转移到细胞核中的作用至关重要。

3.3 U6snRNA 在众多snRNA 中，U6 是最小的小核RNA，大约长100 个核苷酸。U6 snRNA 由RNA 聚合酶Ⅲ转录，而其他snRNA 都是由RNA 聚合酶Ⅱ催化转录的[32]。酵母Lsm 环的晶体结构显示RNA 不穿过Lsm 环的中心孔，而是通过连续的5'到3'末端序列结合在孔的圆周的一侧[33-34]。在芽殖酵母中，54 个丙氨酸突变中只有2 个是致命的[35]，其中单丙氨酸突变被限制在SmD1（Arg88）和SmD2（Arg97）的RNA 结合位点，从而突出显示它们的π-阳离子与Sm 的第六和第七核碱基相互作用的独特RNA 位点。在这里，诱变方法扩展到酵母的Lsm 亚基U6 snRNP，剪接的过程中结合特异蛋白Prp24p 和一套7 个Lsm2-8p 蛋白来构成U6 snRNP，在真核细胞中U6 snRNP 参与mRNA 前体的剪接[36]。任何一种酵母U6 的缺失或短暂消耗，Lsm 2-8 环就会导致U6 snRNA 的稳态水平降低，表明Lsm 2-8 环可以影响U6 snRNA 的稳定性[37]。广泛的丙氨酸扫描聚焦于RNA 结合位点或Lsm 2-3-4-5-8 的亚基间界面，仅鉴定了一个致命性氨基酸（Lsm3-Arg69）和一个严重生长缺陷的氨基酸（Lsm2-Arg63），而这2个精氨酸能结合U6 snRNA 的3'末端序列，并帮助U6 RNA 与剪切体其他成员相互作用，催化RNA 的剪接过程[38]。可见Lsm2-8 环的每个组分以及U6 snRNP 蛋白，都可以通过U6 snRNA 来表达。

4 snRNA 转录后修饰

在真核生物中，snRNA 是转录后加工过程中RNA剪接体的主要成分，参与mRNA 前体的加工过程。已经观察到snRNA 含有大量的甲基化修饰和假尿苷化[39]，这些修饰与核仁小分子非编码RNA（snoRNA）活性相关。snoRNA 对核糖体RNA 的甲基化和假尿嘧啶化修饰是通过碱基配对的方式来完成的，除了参与修饰rRNA 的加工处理外，还能指导snRNA、tRNA 和mRNA 的转录后修饰。据报道，snRNA 还可以诱导RNA 降解成寡聚腺苷酸[40]。这种调节snRNA 丰度的机制反过来又与RNA 剪接的变化有关。

5 snRNA 与染色质结构

真核生物DNA 有严密的染色质结构，决定了真核基因表达与DNA 高级结构变化之间的必然联系。哺乳动物细胞中的DNA 单链断裂和重接是由染色质结构决定的。在变形虫有丝分裂间期，snRNA 通过细胞核相当均匀地分布，并在核仁和核膜上发现有少量snRNA，而染色质中的snRNA 略高于非染色质区域[41]。直到有丝分裂末期，snRNA 才回到细胞核中。可见，snRNA 在真核细胞染色质的结构中十分重要[42]，在维持或改变染色质结构的同时，参与调节其复制和转录过程。

6 小 结

在飞速发展的基因组学研究中，哺乳动物基因组中大量的非编码RNA 也是研究的重点问题。snRNA 作为非编码RNA 之一，在哺乳动物中参与mRNA 剪接过程并发挥关键作用。其中snRNA 在RNA 剪接过程有识别位点和催化的能力，它的基因表达可诱导癌细胞凋亡，过表达可以破坏哺乳动物神经系统平衡兴奋性和抑制性神经元受体蛋白质，这为癌症和神经性相关疾病治疗提供了强大的理论依据。哺乳动物染色质中的snRNA 在维持其复杂结构起到重要作用，它与组蛋白和非组蛋白结合调节其复制和转录过程，这个过程有可能改变染色质的结构。随着对snRNA 更加深入的研究，snRNA 功能的新认识将会使生物工程技术产生新突破。