有关内含子功能研究的新进展

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有关内含子功能研究的新进展

   中华医学遗传学杂志2000年第17卷第3期

王晓斌　刘国仰

　　 关键词：内含子

　　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 Ⅰ 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 Ⅱ 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合征和白血病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需要异常复杂的剪接体来完成，同时还受到许多因素的影响。Kan等［12］在IgM基因中发现它的某些内含子的剪切受到两个作用相互拮抗的剪切增强子和抑制子的调节，而且这两个调节元件就位于这个基因的外显子内。许多基因的变位剪切还与组织特异性有关。Mauduit等［13］报道干细胞因子(SCF)基因的两种表达产物是由其前mRNA变位剪切所致，这种变位剪切可能是由细胞内的pH值决定的。Hayakawa等［14］也报道持续酸性刺激能诱导一种调节因子产生的现象，这种因子对人类ATP合成酶γ亚单位的前mRNA的变位剪切起负调节作用。对这类内含子剪接机理的研究不但有利于我们对早期遗传系统分子进化的了解，而且有利于对现在真核基因的表达理解。但是剪接体的结构过于复杂，目前的技术尚无法彻底弄清其结构。现在主要是用系统的改变其反应基团的方法来推断其反应机理［15］。

　　目前大多数与内含子有关的引起疾病的突变集中在内含子与外显子的交界(即GU或AG)，从而导致外显子的缺失，或内含子未被剪切而引起突变。内含子中间的变异也多是因为激活了隐性剪切位点影响了剪切才导致疾病。这方面的例子已很多。对其剪切机理的充分了解无疑会促进我们对这些疾病的了解，为治疗打下基础。

　　然而，最近的研究发现有些内含子中间的碱基变异尽管不影响剪切也可能与疾病有关。如Brockmoller等［16］发现细胞色素P450 1A2基因第1个内含子中的C/A多态性与一种高诱导性密切相关，当有吸烟习惯或N-乙酰基转移酶活性较低(slow NAT2)的个体具有这种高诱导性时，该基因会在膀胱癌中过度表达。越来越多的研究发现内含子可能与基因表达的调控有关。Tosi等［17］对人、鼠C1基因进行同源序列比较，并对C1基因的启动子区和第1个内含子中的保守序列的功能进行研究，发现它们均具有调控作用。第3类内含子不具有编码功能的概念已被打破。Mallet等［18］发现编码囊状乙酰胆碱转运体的基因就位于胆碱乙酰基转移酶基因的第1个内含子中。这两个基因各自的启动子都已找到，但它们表达的调控尚在进一步研究之中。Gregoire等［19］发现GATA-3基因的第1个内含子是一个非常强的转录激活因子，有位置依赖性但没有细胞类型特异性。Kim等［20］则通过将不同长度的HNET基因5′片段连接到报告基因，构建出有或没有第1个内含子的表达系统，他们的研究结果显示：第1个内含子对该基因细胞特异的充分表达是必不可少的。Klett等［21］通过类似的方法对鼠M1毒蕈碱受体基因进行研究也发现包含从启动子延伸至第2内含子的片段在增强基因表达方面要远强于只包括启动子、第1外显子，及部分第1内含子的片段。

　　综上所述，人们对内含子功能的研究尚处于起步阶段，对内含子功能的研究既是人类基因组序列功能研究的一部分，又能为我们研究编码序列功能提供重要工具，促进对基因表达调控的进一步理解。同时，内含子还可能提供有关生命起源进化的大量信息。随着这方面工作的深入，人们完全读懂人类基因组序列这本生命奥秘之书、而不仅仅是编码序列这一小部份的日子将很快会到来。

作者单位：王晓斌（100005北京，中国医学科学院基础医学研究所　中国协和医科大学基础医学院遗传室）

　　刘国仰（100005北京，中国医学科学院基础医学研究所　中国协和医科大学基础医学院遗传室）

参考文献

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