mRNA合成中的5’帽结构和3’poly(A)尾是如何添加的?对mRNA的稳定性有何作用?

信息来源:金开瑞 作者:genecreate 发布时间:2025-12-16 10:00:45

     在mRNA合成(包括体外转录合成和体内合成)中,5’帽结构和3’poly(A)尾的添加方式及对mRNA稳定性的作用如下:

一、5’帽结构的添加方式

     mRNA的5’帽是m⁷GpppN(7-甲基鸟嘌呤三磷酸核苷)结构,其添加分为两步,体外转录与体内合成的流程略有差异:

1、体内合成(细胞内)

     转录起始后,新生的mRNA5’端为三磷酸鸟苷(pppN),首先由鸟苷酸转移酶催化,将一分子GTP的焦磷酸基团与mRNA的5’端三磷酸基团连接,形成5’-5’三磷酸桥键(pppG-pppN)。

     随后由甲基转移酶催化,将S-腺苷甲硫氨酸(SAM)上的甲基转移到鸟嘌呤的7位氮原子上,形成m⁷GpppN,即核心的0型帽;部分真核mRNA还会进一步在相邻核苷酸的2’-羟基上甲基化,形成1型帽或2型帽。

 

2、体外转录合成(mRNA疫苗/基因治疗用)

     有两种常用方法:共转录加帽和转录后加帽。

     共转录加帽:在转录体系中直接加入帽类似物(如m⁷GpppG),T7/T3RNA聚合酶会优先识别帽类似物作为转录起始位点,直接合成带5’帽的mRNA,操作简便且效率高。

     转录后加帽:先合成无帽的mRNA,再通过牛痘病毒加帽酶复合物(包含鸟苷酸转移酶和甲基转移酶),分步完成加帽和甲基化修饰,适合对帽结构特异性要求高的场景。

二、3’poly(A)尾的添加方式
     3’poly(A)尾是一段由数十至数百个腺嘌呤核苷酸组成的序列,添加方式也分体内和体外两类:

1、体内合成(细胞内)

     mRNA转录终止后,由剪切和聚腺苷酸化特异性因子(CPSF)识别mRNA3’端的AAUAAA信号序列,招募剪切因子切割mRNA。

     随后poly(A)聚合酶(PAP)结合到切割后的mRNA3’端,以ATP为底物,不依赖模板合成poly(A)尾;poly(A)结合蛋白(PABP)会结合到新生的poly(A)尾上,调控尾的长度并保护其不被降解。

 

2、体外转录合成

     主要有两种策略:模板编码法和酶法加尾。

     模板编码法:在体外转录的DNA模板3’端设计一段多聚T序列,转录后直接生成带poly(A)尾的mRNA,尾长由模板的T序列长度决定,稳定性好。

     酶法加尾:先合成不含poly(A)尾的mRNA,再用大肠杆菌poly(A)聚合酶催化,以ATP为底物在mRNA3’端添加poly(A)尾,可灵活调控尾长。

 

三、5’帽结构和3’poly(A)尾对mRNA稳定性的作用

     这两种结构是维持mRNA稳定、防止其被降解的核心元件,协同发挥作用:

1、5’帽结构的稳定作用

     直接阻断5’→3’外切核酸酶的降解作用,因为5’帽的5’-5’反向连接方式改变了mRNA的末端结构,使外切酶无法识别和切割。

     帽结构可结合帽结合蛋白(eIF4E),该蛋白不仅参与翻译起始,还能招募相关因子形成保护复合物,进一步增强mRNA的稳定性。

 

2、3’poly(A)尾的稳定作用

     poly(A)尾可结合poly(A)结合蛋白(PABP),PABP能阻止3’→5’外切核酸酶的攻击,避免mRNA从3’端被逐步降解。

     PABP还可与结合在5’帽上的eIF4E相互作用,使mRNA形成环状结构,既提升翻译效率,又减少两端暴露于核酸酶的概率,双重增强稳定性。

 

3、协同效应

     5’帽结合蛋白与3’PABP的相互作用形成的环状mRNA结构,是维持mRNA稳定性的关键:一旦其中一个结构缺失,另一个结构的保护作用会大幅减弱,mRNA会被快速降解。




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