5′帽是大多数真核生物的信使RNA（mRNA）起始端的一种化学修饰。其特征性结构是一个7-甲基鸟苷残基，通过不常见的5′–5′三磷酸连接与转录产生的第一个核苷酸相连。帽结构有助于将RNA识别为加工和翻译的底物，为调控蛋白提供结合位点，并保护RNA免受某些降解途径的作用。它通常在转录早期就被加上，而不是等整条RNA合成完毕后才添加。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
化学结构与帽的类型
5′这一标记指的是RNA核苷酸中核糖的碳原子编号。普通RNA链中的相邻核苷酸通过3′–5′磷酸二酯键连接。帽结构则不同：帽中鸟苷的5′位通过三个磷酸基团，与转录产生的第一个核苷酸的5′位相连。因此，帽中的鸟苷与RNA链中的核苷酸朝向相反。它的鸟嘌呤碱基在第7位氮原子上发生甲基化，形成m⁷G。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
主要的典型帽结构，其差别在于紧接帽结构的核苷酸所发生的甲基化：
| 帽类型 | 简化表示 | 区别特征 |
|---|---|---|
| Cap 0 | m⁷G(5′)ppp(5′)N₁ | 帽中的鸟苷发生N7甲基化，但转录产生的第一个核苷酸未发生2′-O-甲基化 |
| Cap 1 | m⁷G(5′)ppp(5′)N₁m | 转录产生的第一个核苷酸，其核糖的2′位氧原子进一步发生甲基化 |
| Cap 2 | m⁷G(5′)ppp(5′)N₁m–N₂m | 转录产生的第一和第二个核苷酸均发生2′-O-甲基化 |
这里，N₁和N₂分别表示转录产生的第一和第二个核苷酸，m表示核糖的2′-O-甲基化。帽类型的编号不计入帽中鸟苷上的甲基。在人体中，CMTR1和CMTR2分别催化转录产生的第一和第二个核苷酸的甲基化。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
这些修饰在化学上并不相同。N7甲基化修饰的是帽中的鸟嘌呤碱基，而2′-O-甲基化修饰的是RNA本身的糖基。因此，它们的生物学效应也不一定相同：前者是常规帽结合蛋白识别帽结构的关键，后者则还会影响抗病毒蛋白对RNA的识别。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
转录过程中的形成
典型的细胞核内加帽过程与RNA聚合酶II介导的转录相耦联。加帽酶与该聚合酶磷酸化的羧基末端结构域结合，从而定位于新生RNA附近。当转录本长度仅约20–30个核苷酸时，帽结构就已被加上，早于后续的大多数RNA加工事件。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
Cap 0的形成需要三种酶活性依次发挥作用：
- RNA三磷酸酶去除RNA原有5′三磷酸基团最外侧的磷酸，使其成为二磷酸末端。
- RNA鸟苷酰转移酶将三磷酸鸟苷中的鸟苷单磷酸基团转移到该末端，形成5′–5′三磷酸桥。
- 鸟嘌呤-N7甲基转移酶以S-腺苷甲硫氨酸为甲基供体，使新添加的鸟苷发生甲基化。
生成的Cap 0还可在邻近帽的核苷酸上发生进一步甲基化，形成Cap 1或Cap 2。不同生物将这些催化活性组织为不同的蛋白质组合；保守的是反应顺序，而不是所有生物都具有完全相同的酶复合物。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
加帽酶被招募至RNA聚合酶II，有助于解释为何加帽具有选择性，而不是不加区分地修饰细胞中的所有RNA。这也使加帽成为RNA–蛋白质颗粒协调形成过程的一部分，将转录与转录本后续的加工和利用联系起来。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
生物学功能
RNA加工与核输出
在细胞核中，帽结构由核帽结合复合物（CBC）识别，该复合物的主要亚基是CBP20和CBP80。与帽的结合为其与其他参与RNA成熟的蛋白质相互作用提供了平台。CBC促进前体mRNA剪接，包括剪接体的组装，并参与RNA的3′端形成及核输出。因此，转录本一端的修饰可以影响其其他部位的加工。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
帽和多聚腺苷酸尾是彼此独立的结构。帽连接于5′端，而多聚腺苷酸化通常是在3′端添加一串腺苷残基。两者的形成可以通过RNA加工蛋白协调进行，但一种修饰并不是另一种修饰在化学上的延伸。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
翻译起始
在常规的帽依赖性翻译过程中，帽由真核翻译起始因子4E（eIF4E）识别。这种识别有助于招募启动蛋白质合成所需的分子机器。因此，帽的化学性质和朝向会影响mRNA的翻译效率。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
帽本身不是编码序列，也不是指定某种氨基酸的信号。它通过分子识别发挥作用：起始因子与帽结合，帮助建立具有功能的翻译起始复合物。使用人工合成的加帽RNA进行的实验表明，提高抗降解能力的改动不一定能提高翻译效率，因为同样的改动也可能削弱其与eIF4E的结合。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
抵御降解
带帽的5′端能够抵抗那些要求底物具有5′单磷酸末端的外切核酸酶。这种保护是选择性的，而非绝对的：细胞中的酶可以去除帽，RNA也可以通过其他途径被降解。因此，帽的识别、去除和RNA降解是基因表达中彼此关联的环节。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
抗病毒蛋白的识别
帽邻近位置的2′-O-甲基化有助于固有免疫的组成成分区分细胞自身RNA与外源RNA。在实验系统中，缺少这种修饰的病毒RNA更容易受到IFIT家族蛋白的限制，这些蛋白能够抑制其翻译或积累。对西尼罗病毒、痘病毒和冠状病毒突变体的研究证实，这种甲基化可以帮助病毒RNA逃避IFIT介导的限制作用。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
这并不是一种普遍适用、非此即彼的RNA“自身”判定标准。在西尼罗病毒的实验中，缺失2′-O-甲基化改变了病毒对干扰素诱导的抗病毒效应分子的敏感性，却没有增强所研究的受感染成纤维细胞中的干扰素诱导。帽结构是在特定条件下影响特定的识别途径。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
去帽与细胞质中的再加帽
信使RNA去帽会去除具有保护作用的帽，并可使RNA进入降解途径。DCP2酶水解带帽RNA，释放m⁷GDP，留下具有5′单磷酸末端的RNA。这种末端是5′–3′外切核酸酶XRN1的底物。DCP2的活性受到与其相互作用的蛋白质调控，使去帽与更广泛的mRNA周转控制联系起来。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
加帽并不限于细胞核中新合成的转录本。研究已发现一种哺乳动物细胞质复合物，能够将具有5′单磷酸末端的RNA转化为可接受鸟苷酰化的底物，并为其加帽。实验还发现了带帽的5′端截短RNA产物。这些发现证实，某些RNA末端可以在原始转录过程之外被加帽；但这并不意味着每条去帽RNA都会常规地得到挽救。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
病毒对帽的利用
某些病毒产生的RNA具有形似典型帽的结构及帽邻近位置的甲基化。这些修饰使病毒转录本能够与细胞的翻译机器相互作用，也可以降低其受到抗病毒限制作用的敏感性。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
流感病毒通过抢帽从宿主RNA中获取带帽的片段。其转录机器将这些来自宿主的带帽RNA片段用作合成病毒RNA的引物。这与通过细胞通常的加帽反应顺序组装一个新帽不同。1979年的实验已证实，宿主mRNA的帽可以转移到流感病毒转录本中。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
发现与实验应用
帽的特殊结构是通过20世纪70年代中期对甲基化病毒RNA的研究确定的。对呼肠孤病毒mRNA的研究发现，其封闭的5′末端含有N7-甲基鸟苷、5′–5′三磷酸连接，以及经过甲基化的第一个转录核苷酸。这些实验为如今称为mRNA帽的结构提供了直接的化学证据。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
合成帽类似物是研究翻译和RNA稳定性的重要工具。它们可以在体外转录过程中掺入RNA，但常规的二核苷酸类似物既可能以正确朝向，也可能以反向掺入RNA。抗反向帽类似物（ARCA）对帽中的鸟苷进行修饰，使其按预期朝向掺入。它们的开发使研究者能够在更可控的条件下比较带帽转录本，并提高了所测试实验系统中的翻译效率。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
其他合成类似物通过修饰磷酸桥来改变其对去帽作用的敏感性。它们的表现揭示了帽工程设计的一项核心制约：有效的帽必须兼具化学稳定性，以及被帽结合蛋白正确识别的能力。仅仅增强对某一种降解酶的抵抗力，并不能保证蛋白质产量提高。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
参考来源
- Reovirus messenger RNA contains a methylated, blocked 5'-terminal structure: m-7G(5')ppp(5')G-MpCppubmed.ncbi.nlm.nih.gov
- 5'-Terminal m-7G(5')ppp(5')G-m-p in vivo: identification in reovirus genome RNApubmed.ncbi.nlm.nih.gov
- mRNA capping enzyme is recruited to the transcription complex by phosphorylation of the RNA polymerase II carboxy-terminal domainpmc.ncbi.nlm.nih.gov
- 5′-Capping enzymes are targeted to pre-mRNA by binding to the phosphorylated carboxy-terminal domain of RNA polymerase IIpmc.ncbi.nlm.nih.gov
- Structural analysis of human 2′-O-ribose methyltransferases involved in mRNA cap structure formationpmc.ncbi.nlm.nih.gov
- A nuclear cap binding protein complex involved in pre-mRNA splicingpubmed.ncbi.nlm.nih.gov
- The nuclear cap-binding complex interacts with the U4/U6·U5 tri-snRNP and promotes spliceosome assembly in mammalian cellspmc.ncbi.nlm.nih.gov
- Synthesis and properties of mRNAs containing the novel "anti-reverse" cap analogs 7-methyl(3'-O-methyl)GpppG and 7-methyl (3'-deoxy)GpppGpubmed.ncbi.nlm.nih.gov
- Phosphorothioate cap analogs stabilize mRNA and increase translational efficiency in mammalian cellspmc.ncbi.nlm.nih.gov
- 2'-O methylation of the viral mRNA cap evades host restriction by IFIT family memberspubmed.ncbi.nlm.nih.gov
- The hDcp2 protein is a mammalian mRNA decapping enzymepubmed.ncbi.nlm.nih.gov
- The activation of the decapping enzyme DCP2 by DCP1 occurs on the EDC4 scaffold and involves a conserved loop in DCP1pmc.ncbi.nlm.nih.gov