选择性剪接中的剪接模式

选择性剪接中的剪接模式有几种不同的剪接模式（见图1-1）[1，6]。

最常见的模式是在成熟的mRNA中跳过外显子，使其包括或者剔除盒式外显子（也称为跳过的外显子）。

跳过外显子的一个著名的例子是果蝇性别致死的基因（SXL），这是一个由性别决定的转变。

跳过SXL基因的第3外显子，可以保持雌性的分化。

SXL的第3外显子包含一个早提前的终止密码子，这个外显子的存在合成出截短的、也有可能是非功能的蛋白质[7，8]。

另一个剪接模式是外显子互斥，这使得两个相邻外显子中，仅有一个出现在最终产物中。

人类成纤维细胞生长因子受体二号（FGFR-2）基因含有外显子IIIB和IIIC，这两者是互斥的。

从外显子IIIB得到的的基因产物，具有比纤维细胞生长因子低得多的聚合吸引力[9]。

不仅可以作用于整个外显子，不同的剪接方式也可以只剪接外显子的某一部分。

5'或3'选择性剪接位点的选择，通过加上、或者不加上与外显子侧面相连的支链而生成，从而造成多样性。

果蝇无子（FRU）和双性别（DSX）基因包含了雌性特有的选择性剪接位点，前者在5‘端，而后者在3'端。

由于选择性剪接位点的不同，造成支链的细小差异[10，11]。

选择性剪接可发生在转录体的任意一端。

选择性终止外显子不仅改变最后一个外显子的包含性，而且还影响聚腺苷酸化位点的选择。

在许多情况下，它可以在最后的外显子中生成提前的终止密码子，并且生成功能性截短的多肽或者产生无意义介导衰变（NMD，即，由于终止密码子位于最后外显子与外显子的结点上游超过50-55碱基对处，从而造成的mRNA的降解）[2，12，13]。

钙调节激素（降钙素）基因包括6个外显子。

成熟的的降钙素转录体包括前四个外显子，并使用位于第4外显子上的多聚腺苷酸化位点，从而生成甲状腺C细胞中超过98%的基因产物。

同时，在大脑和周围神经系统中，通过将前三个、第五和第六个外显子编码成降钙素相关肽的前体，并利用下游的腺苷酸化位点（CGRP），从而产生差异[14，15]。

同样，选择性启动子的使用使得可以选择不同的转录启动子，这样通常会影响到第一个外显子。

尽管人们普遍将其当作转录调控，选择性启动子的使用和选择性剪接有很大的关联。

人们已经观察到，有选择性启动子的基因更容易进行选择性剪接，同时，选择性启动子的数量与不同选择性的剪接方式的数量正相关[16]。

鼠标单羧酸转运蛋白二号（MCT2）基因有几种选择性的启动子，由此形成五种独特的首外显子（1A - 1E）。

外显子1C用于各种组织中，而其他的外显子则是有组织特异性的[17]。

除此以外，内含子同样可以参与选择性剪接。

在内含子保留性中，整个内含子可以被包括或排除。

对于人类来说，这种模式是罕见的[1]。

然而，最近的研究表明，在已知的人类基因中，这个频率比想象中要高得多（约15％）[18]。

内含子的保留性在植物中比在其他真核生物中常见[19]。

例如，对于拟南芥，50％以上的案例都是关于内含子保留性的[20]。

人类FosB（FBJ 小鼠骨肉瘤病毒致癌基因对等质B）基因的最后一个外显子包含一个140碱基对的序列，它可以剪接出来，产生一个截断的产物——ΔFosB。

通过观察动物长期的药物依赖性，检测ΔFosB的表达[21]。

基本剪接机制无论是选择性还是组成型剪接，用的都是同一种基本剪接机制，称为剪接体。

剪接体识别和选择的剪接位点（外显子和内含子的结点），同时，催化打破并重组RNA链。

剪接体主要由五个小核核糖核蛋白（snRNP）——U1，U2，U4，U5和U6组成。

其中包括尿苷丰富的小核RNA 和多种蛋白质。

它们能识别前体mRNA上的剪接信号，并与其他辅助剪接因子交互[22-24]。

在剪接中，三个保留序列元素是必须的。

这些保留序列元素可以是经典或异常的剪接节点，多嘧啶束和分支点（见图1-2）[22，23]。

剪接位点含有包括外显子和内含子结点的短序列。

GU 和AG二核苷酸在外显子的5'和3'端通常来说是分别不变的。

在剪接结合中，这种类型的GU-AG对被称为经典剪接位点。

它存在于超过98%的哺乳动物基因组中[25]。

异常的剪接位点含有如GC-AG、AT-AC之类的二核苷酸对，AT-AC等。

这种情况比较罕见。

多嘧啶束是指位于内含子的3’端，且紧邻3‘剪接位点的UC丰富的片段。

这是几种剪接因子的结合位点，如U2 snRNP 辅助因子（U2AF）和多嘧啶束结合蛋白（PTB）[26]。

分支点（也称为分支位点）位于多嘧啶束的上游。

对于人和老鼠来说，分支点和3'剪接结点间的平均距离大约是30至40个碱基对[27]。

虽然分支点序列在哺乳动物中是可变的，分支点的突变可以促使由组成型剪接到选择性剪接的转变[27]。

剪接体由一种被称为剪接体循环的连续方式组成。

其中包括识别、添加、重排和释放小核核糖核蛋白（见图1-2）。

U1是第一个加入剪接体的的小核核糖核蛋白，并结合5'剪接位点。

接下来，U2小核核糖核蛋白被U2AF结合到分支结点上。

接着，U4/U5/U6三小核核糖核蛋白加入到预剪接体中。

在蛋白质和RNA的重排后，催化型剪接体形成了，并催化两个酯交换反应，在剪接为点上进行剪接和重组。

束状的外显子和套索状的内含子然后依次按照顺序释放。

此后，剪接体变得不稳定，因此解离。

所有的小核核糖核蛋白可以在之后新的剪接体循环中重新使用[22-24]。

选择性剪接的生物学作用选择性剪接在许多不同的生物体中有关键作用。

敲除小鼠体内调节选择性剪接的许多剪接因子基因会导致胚胎致死或严重的失调[28]。

剪接因子的过度表达也有有害的影响。

人们在许多种肿瘤的观察中发现，癌症和许多剪接因子的过度表达是有关联的[29]。

作为一种转录后基因调控的主要方式，它在不同的阶段参与细胞的分化与细胞死亡的过程。

在大脑的发育中，一种未知的基因开关影响一个剪接因子，多嘧啶束结合蛋白（PTB），将其替换为相近的旁系同源体，神经中枢多嘧啶束结合蛋白（nPTB）。

这将改变众多剪接靶基因的剪接方式，以及PTB/nPTB和其他剪接因子，最终影响细胞分化，决定细胞是神经元还是非神经元的命运[30，31]。

大量的细胞凋亡因子同样通过选择性剪接调控，比如肿瘤坏死因子的膜相关死亡信号受体（TNF），Fas基因，Bcl-2基因族，Ced-4基因族，细胞凋亡蛋白酶族[32-34]。

Bcl-X是Bcl-2族的一员。

Bcl-X基因包含3个外显子。

四个Bcl-2同源（BH）域，BH1到BH4，位于第2外显子上。

长版的Bcl-X L包含整个第2外显子（因此包括所有四个BH域），从而抑制细胞凋亡。

短亚型中的一种Bcl-X S使用第2外显子上的选择性5'剪接位点，缺失了BH1和2。

Bcl-X S拮抗由Bcl-X L产生的细胞凋亡抑制，从而导致细胞死亡。

Bcl-X L在有长寿命有丝分裂后期细胞的组织中表达较多，列入成年人的脑细胞，然而，Bcl-X S 大多在经历过渡期的细胞中找到，例如正在发育的淋巴细胞[33，35，36]。

通过选择性剪接的转录后基因调控通常有两种方式。

首先，通过无意义介导衰变（NMD），使得基因表达的数量降低。

在选择性剪接中，内含子保留和蛋白质编码区域的骨架变化，很容易产生带有可翻译终止密码子的转录体。

正常的终止密码子通常属于最后一个外显子，而不是跟着外显子和外显子的结点。

然而，在外显子和外显子的结合点上游超过50-55碱基对处有提前的终止密码子的转录体，容易产生无意义介导衰变[13]。

没有充足的证据说明，无意义介导衰变形成的选择性剪接异构体揭示了那些拥有提前的终止密码子的不正常的转录体通常从转录池中被移除[37，38]。

退化通常发生在细胞核中[39，40]。

据估计，大约三分之一的人类基因选择性剪接通过无意义介导衰变的形式退化[41]。

在人类和老鼠保留的的五分之一被跳过的外显子中，至少有一种异构体因为无意义介导衰变而退化[37]。

其次，选择性剪接可以选择性地包含可以编码出活性蛋白域的外显子，从而改变基因功能。

在关于人类的1300个选择性剪接案例的大规模的研究中，在不同的mRNA异构体中，30％的基因显示出不同的保留域[42]。

最后，五十种常见的选择性剪接蛋白域中的大多数都与蛋白质和蛋白质的相互作用有关[43]。

选择性剪接也是蛋白质多样性的一个主要来源。

不是一个基因对应一种蛋白质，蛋白质的数量远远比基因数量大。

在许多高等真核生物中，人们已经观察到，一种基因可能有几十，甚至上千种功能性产物，比如人体内的钙激活钾离子通道和桥粒钙黏着蛋白[44]。

一个极端的例子是果蝇DSCAM基因，人类唐氏综合症细胞黏附分子的同源体，可能会产生超过38,000异形体[45]。

通过调整和映射到基因组序列，许多表达序列标签被发现，来代替相同基因的不同部分，用以指示选择性剪接的mRNA转录体的存在。

[44]。

此外，蛋白质组学研究也表明，大多数选择性剪接的转录体实际上可以表达为足够检测数量的蛋白质[46]。

因此，通过选择性剪接，一个相对较小的基因组，可以有效地产生大量的蛋白质。

选择性剪接调控机制在选择性剪接中，剪接位点识别的调控是一个复杂的、和许多因素相关的动态平衡。

调控分为两大类，反式调节蛋白与顺式作用元素，通常是在调控的关键。

还有其他的序列信号的参与，如外显子/内含子长度和核心剪接信号[1]。

反式剪接因子反式剪接因子是参与（选择性）剪接和剪接调控的蛋白质。

一般来说，剪接因素包括剪接体合成中的核心剪接因子，例如小核核糖核蛋白和U2AF。

但是，这些因素一般不直接关系到选择性剪接调控。

因此，我们只讨论非小核核糖核蛋白的蛋白质在剪接调控中的作用。

剪接因子可分为三大类：富丝氨酸/精氨酸蛋白族，不均核糖核蛋白族和其他蛋白质[47]。

富丝氨酸/精氨酸（SR）蛋白族是研究反式作用因子族的最好例子。

它由一些可标记的保留剪接因子组成（见表4-2）。

SR族成员通常有两个保留模型：在N末端有一到两个RNA的识别图案（RRM），在C末端有带有可选性丝氨酸和精氨酸的富精氨酸/丝氨酸RS域。

RRM决定RNA 结合的特异性。

RS域将其他组件添加到基本剪接机制中，并域分支位点和5’剪接位点作用[48-50]。

一般来说，在组成型和选择性剪接中，在前体mRNA上的SR蛋白质合成，促进外显子的包容。

科学家已经提出了几种模型，用以解释SR蛋白作为剪接增强剂的机制[51，52]。

第一种，SR蛋白的结合可以使得U1小核核糖核蛋白和U2AF结合到外显子定义中的5'和3'剪接位点的过程稳定。

第二种，5'和3'剪接位点可以在早期的间接体形成中，通过SR蛋白质和U1小核核糖核蛋白和U2AF之间的蛋白质和蛋白质相互作用从而并列。