有关内含子功能研究的新进展.doc

有关内含子功能研究的新进展 人类基因组精确完整序列的测定将在2003年之前完成。在此之后，人类基因组计划(human genome project, HGP)的重点将会转移到对序列功能的研究。尽管人们对序列功能研究的主要力量仍会集中在编码序列，但对内含子及基因间序列功能的研究会越来越受到重视，因为这些序列占人类基因组的绝大部分，但人们对其功能的了解却远少于对编码序列的了解。我们拟对目前有关内含子研究做一简要综述。编码序列中的内含子分为3大类：第1类是第1族内含子(group introns)主要见于细胞器(如线粒体)、细菌及某些低等真核细胞。第2类是第2族内含子(group introns)也主要见于细胞器(如线粒体)、细菌。第1类内含子分布较第2类内含子广泛，但是这两类内含子并无明显的联系，它们有各自不同的结构特征，并且能形成特征性的二级结构，但它们有一个极为重要的共同点：能自我剪切。第3类内含子最为常见，即绝大多数真核细胞前mRNA中的内含子。 　　对前两类内含子的研究曾引起酶学概念的一次革命。人们原来一直以为只有蛋白质才有酶活性，但后来发现第1族内含子和第2族内含子在体外没有任何蛋白质辅助的条件下就能完成自身剪切，进一步的研究表明它们自身就具有酶活性。人们把具有酶活性的RNA命名为核酶(ribozyme)。通过对第1类内含子的研究，人们发现不但它们自身有酶活性，它们的一些衍生物如L19RNA也具有酶活性，而且它们还具有多种酶活性。这些特点使它们成为分子生物学研究的重要工具。通过对第1类内含子自我剪接机理的研究，人们可以设计出识别任一特异序列的核酶，能对人类基因组序列功能的研究提供极大的帮助。人们还可以利用它能特异性剪切RNA的特点，设计出特异性降解某一基因RNA的核酶，从而抑制某些基因的表达，转基因动物实验的结果已证实了这种策略的有效性［1］。这为基因治疗提供了一种全新的思路：设计出针对某些病原微生物RNA的核酶以及针对某些癌基因RNA的核酶。用这种方法治疗HIV感染已经进入一期临床试验［2］。用这种方法治疗马凡氏综和的研究也在进行之中［3，4］　　第1类内含子的连接酶活性能把一段特异的序列连接到某一特定位点的3′端，这可以作为基因重组的有效工具，利用这一特点还可以进行多种基因突变所致的遗传病的治疗：将突变部分的RNA换成正常的RNA序列。尽管在核酶的稳定性、活性、及有效的转运途径等方面还存在许多问题，但有一点是可以肯定的：核酶在将来的基因治疗中必定会大放光彩［5］。已经有人在研究用这种方法治疗镰刀细胞性贫血，即在核酶的介导下，用γ-血红蛋白的编码序列取代mRNA中突变的β-血红蛋白编码序列［6］。第1族内含子还可能与一种新的mRNA修复机理有关［7］。体外RNA筛选技术已被用于筛选新的和变异的核酶，现在核酶所能作用的底物范围已大大超过天然核酶的范围［8］。Landweber等［9］在筛选核酶的实验中发现，他们从随机RNA序列中筛选到的两种核酶只须有7个碱基是保守的，即首先在四膜虫第1族内含子中发现的镁离子依赖的自我剪切基序，还发现这两种酶同时具有连接酶活性，这些结果说明简单的RNA酶非常容易形成，而在这些酶催化的基础上，能很快形成较复杂的RNA分子，为弄清生命起源问题提供了重要资料。1998年，人们还在原生生物中发现了一类新的第1族内含子。孪生内含子，它是一种可移动的内含子，长约1.3～1.4 kb，RNA水平的结构非常复杂，包含两种功能不同的核酶，还有一段编码核酸内切酶的序列。这一切都毫无疑问的说明它将成为一种非常有用的分子生物学工具［10］。 　　对第2族内含子催化机制的研究也有了较大的发展，对其D5结构域中保守的鸟嘌呤的作用有了进一步的认识。发现原来一直认为难以接近的RNA螺旋大沟在催化中发挥了重要作用，特别是保守鸟嘌呤的两个杂原子对完成反应至关重要［11］。第2类内含子的剪切过程与第3类内含子极为相似，均形成套索状结构。人们据此推测snRNA可能由第2类内含子进化而来。第1和第2类内含子中常含有能翻译成蛋白的开放阅读框，主要编码核酸内切酶，逆转录酶等，这使它们成为可移运元件(mobile element)。这点对了解内含子的起源及进化有一定帮助。 　　第3类内含子尽管最为常见，但我们对其功能的了解却最少。有一个功能是不证自明的：由于内含子的存在使高等生物对突变的耐受能力大大增强了。因为在高等生物中，内含子的长度远大于外显子，大部分随机突变会发生在内含子中，对生物不会有严重影响。目前发现第3类内含子唯一的共同点是均遵守GU-AG法则。在大部分基因的进化过程中，我们可以看出内含子在基因中的位置是相当保守的，但其片段的长度及序列则无明显的保守性。有关位置保守的原因及意义，我们尚不得而知。 　　这类内含子的精确剪接