多聚腺苷酸化是指在酶的催化下，将一条由腺苷残基组成的链添加到RNA分子的3′端，这条链称为多聚腺苷酸尾〔poly(A)尾〕。它是真核生物中大多数信使RNA（mRNA）成熟过程中的重要步骤。在经典的mRNA加工过程中，RNA前体先被切割，随后由多聚腺苷酸聚合酶延伸新形成的末端。尾部会影响RNA的稳定性和翻译（生物学），但其功能取决于具体的生物学背景：多聚腺苷酸化也可以促进RNA进入降解途径。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
化学基础
poly(A)尾主要由腺苷核苷酸组成，其间通过与RNA骨架相同的磷酸二酯键连接。多聚腺苷酸聚合酶利用三磷酸腺苷（ATP）延伸已有的RNA 3′端，无须核酸模板。因此，在经典的细胞核内加工过程中添加的尾部，并不是从脱氧核糖核酸中某段对应的序列复制而来的。其长度由加工机制控制，而非由模板序列直接指定。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
“poly(A)”描述的是尾部的主要组成，并不意味着其序列始终只含腺苷。对细胞mRNA的分析发现，poly(A)尾末端还存在尿苷和鸟苷残基。这些末端修饰构成了RNA调控的额外层次，在化学性质上也不同于腺苷残基本身的添加。(sciencedirect.com)
以下三个相关概念必须加以区分：
- 多聚腺苷酸化信号是RNA前体中的一段序列，有助于招募加工因子。
- 切割位点通常也称为poly(A)位点，是前体被切开的具体位置。
- poly(A)尾是随后添加到上游切割产物上的序列。
改变切割位点会改变RNA中由基因组编码的部分的终点；改变尾长则不一定改变这一终点。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
细胞核内的切割与多聚腺苷酸化
目前研究最充分的途径是哺乳动物前体mRNA的3′端加工。这一过程涉及多种蛋白质协同组装，以识别RNA信号、切割前体，并招募合成尾部的酶。尽管许多组分在其他真核生物中都有对应物，但不同演化谱系的信号序列和加工机制的组织方式有所不同。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
信号识别
哺乳动物中一种常见的信号是位于切割位点上游、由六个核苷酸组成的序列AAUAAA。此外还存在其他具有功能的信号，周围的序列元件也会影响加工效率。切割与多聚腺苷酸化特异性因子（CPSF）识别上游信号，其WDR33和CPSF30亚基直接参与AAUAAA的识别。切割刺激因子（CstF）则与下游富含U或GU的元件相互作用。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
包括切割因子I、切割因子II和RBBP6在内的其他因子，有助于组织或激活加工过程。利用纯化的哺乳动物蛋白质进行的重构实验表明，在所测试的条件下，RBBP6对激活切割至关重要；切割因子I则能促进这一反应，并在位点选择中发挥重要作用。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
切割
CPSF73核酸内切酶在选定的位点切开前体。由此产生的上游RNA具有游离的3′端，可用于添加尾部；下游RNA片段则不属于成熟mRNA的一部分。因此，切割和多聚腺苷酸化是两种不同的反应，尽管它们通常作为相互耦联的加工途径发挥作用。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
尾部合成与长度控制
多聚腺苷酸聚合酶在CPSF的协助下启动尾部合成。一旦形成一段短尾，核内多聚腺苷酸结合蛋白PABPN1便会与之结合，并促进持续性延伸，即酶无须反复解离就能连续添加多个残基。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
在已得到充分研究的哺乳动物途径中，新合成的尾部通常长约200—250个核苷酸。依赖PABPN1的调控会抑制尾部超出这一范围后继续快速延伸。这并非所有生物或所有细胞mRNA都具有的统一尾长：由于后续的缩短及其他调控过程，成熟mRNA群体的尾部往往短得多，长度也更加多样。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
与转录终止的关系
mRNA 3′端的形成与转录（生物学）终止密切相关，但在poly(A)位点发生切割，并不等同于RNA聚合酶II立即释放。RNA被切开后，聚合酶仍可继续向下游转录。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
在鱼雷机制中，沿5′至3′方向作用的核酸外切酶XRN2降解下游仍与聚合酶相连的RNA，从而促进转录终止。人类细胞中的实验支持这样的观点：这一降解途径与poly(A)位点被识别和切割后转录复合物发生的变化协同作用。因此，多聚腺苷酸化信号既参与RNA成熟，也参与转录终止，而并非仅仅是一段使聚合酶立即停止的序列。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
poly(A)尾的功能
对于大多数真核生物mRNA，poly(A)尾有助于维持稳定性并支持有效翻译。细胞质中的多聚腺苷酸结合蛋白与尾部结合，并参与和翻译机制之间的相互作用。这些相互作用的结果取决于蛋白质的可用量、发育阶段以及RNA的状态。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
必须区分具有功能性尾部与具有更长的尾部。poly(A)的重要性并不意味着增加尾长总能提高蛋白质产量。全转录组测量发现，在斑马鱼和蛙的早期胚胎中，尾长与翻译效率密切相关；但在所检测的非胚胎样本中，这种相关性很弱或不存在。实验已表明，多聚腺苷酸结合蛋白的可用量受限，是造成这种发育阶段差异的因素之一。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
去腺苷酸化与RNA周转
去腺苷酸化是指在酶的催化下缩短poly(A)尾的过程。细胞质中的主要去腺苷酸化酶系统包括PAN2–PAN3和CCR4–NOT。尾部缩短往往发生在5′端帽被去除和RNA主体被降解之前，不过这些事件的顺序和速率会因转录本及调控条件而异。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
在哺乳动物细胞中，末端核苷酸转移酶TUT4和TUT7能够向具有短poly(A)尾的mRNA添加尿苷，从而促进其降解。因此，RNA周转既可能取决于尾长，也可能取决于末端核苷酸的组成。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
细胞质多聚腺苷酸化
多聚腺苷酸化并不局限于细胞核内的初始加工。已有的尾部可以在细胞质中延伸，从而在不合成新转录本的情况下调控储存的mRNA。这一机制在卵母细胞和早期胚胎中尤为重要，因为母源mRNA的翻译变化会影响发育。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
一种研究充分的调控系统依赖于3′非翻译区（3′ UTR）中富含尿苷的细胞质多聚腺苷酸化元件（CPE）。CPE结合蛋白CPEB识别这一元件，并参与受调控的尾部延伸。在非洲爪蟾属（Xenopus）的卵母细胞中，实验已证实，在成熟过程中，所检测的母源mRNA进行细胞质多聚腺苷酸化需要CPEB。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
延伸与缩短之间的平衡，与这两个过程各自的作用同样重要。对果蝇属（Drosophila）卵母细胞和胚胎的研究表明，受发育调控的去腺苷酸化对尾长及翻译的变化有广泛影响。因此，尾长是不同活性相互竞争所产生的动态结果，而不是mRNA初次合成时便被赋予的永久属性。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
可变多聚腺苷酸化
当同一基因的转录本使用不同的切割和多聚腺苷酸化位点时，就会发生可变多聚腺苷酸化（APA）。它产生的RNA异构体具有不同的、由基因组编码的3′端，与在位点不变的情况下延伸或缩短尾部不同。(journals.plos.org)
其两种主要后果是：
- 3′ UTR长度不同。 使用同一末端外显子内的不同位点，可以产生蛋白质编码序列相同、但调控区域不同的mRNA。
- 编码潜能不同。 选择内含子或可变末端外显子中的位点，可以改变编码序列，或使RNA在通常的编码终点之前终止。这类事件可与RNA剪接相互影响。(journals.plos.org)
3′ UTR的改变可以使微小RNA和RNA结合蛋白的结合位点被保留或排除，从而在不改变所编码蛋白质的情况下改变基因表达。例如，对活化免疫细胞的实验，以及对不同哺乳动物样本的比较发现，较短3′ UTR异构体使用比例的增加与细胞增殖有关。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
较短的3′ UTR并不一定带来更多蛋白质。去除微小RNA结合位点可以减弱抑制，但缩短3′ UTR也可能通过改变保留位点在UTR中的位置，增强这些位点的作用。因此，必须针对特定转录本和细胞背景，确定其功能后果。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
例外与降解相关的多聚腺苷酸化
组蛋白mRNA
动物中大多数复制依赖型组蛋白mRNA通常以保守的茎环结构结尾，而非poly(A)尾。其加工依赖茎环结合蛋白和U7小核RNA来确定切割位置。值得注意的是，这套不同的加工机制与经典的切割及多聚腺苷酸化机制共用含CPSF73的切割模块。因此，切割可以在随后不添加poly(A)的情况下发生。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
核内RNA监控
在真核生物的细胞核中，某些多聚腺苷酸化反应促进的是RNA的清除，而不是稳定mRNA的生成。在出芽酵母中，TRAMP复合物参与RNA质量控制，其中包含Trf4多聚腺苷酸聚合酶、Air RNA结合蛋白和Mtr4解旋酶。它添加短尾，并与RNA外切体协同加工或降解RNA底物。这一途径不同于经典的mRNA尾部合成途径。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
细菌RNA降解
在细菌中，多聚腺苷酸化可以促进RNA降解。对大肠杆菌（Escherichia coli）降解体的实验表明，添加的poly(A)尾在具有结构的RNA末端之外提供了一段单链“着力点”，使原本难以降解的底物得以高效降解。因此，同一种基本修饰——添加腺苷——可以在一种情境下帮助RNA维持存在，而在另一种情境下促进RNA清除。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
发现与实验分析
1971年发表的研究在异质核RNA和mRNA中发现了poly(A)片段，为两者之间的前体—产物关系，以及核内RNA被加工为信使RNA的过程提供了证据。这些发现帮助确立了多聚腺苷酸化作为真核生物mRNA成熟核心特征的地位。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
poly(A)尾也为实验中富集RNA提供了手段。寡聚(dT)是一种由胸苷残基组成的DNA序列，可与poly(A)杂交，用于RNA筛选以及RNA测序中的引物引导。不过，这些方法可能偏向某些特定尾长，而在基因组编码的富含A的序列处发生内部引物结合，也可能使测量结果失真。这些偏差取决于检测方法和样本，并非每项实验中的偏差程度都相同。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
PAL-seq和TAIL-seq等方法可以测量大量转录本的尾长；TAIL-seq还能够检测末端修饰。这些方法使研究人员得以区分RNA丰度、poly(A)位点选择和尾长的变化——这三个变量不能被当作可以相互替代的基因活性指标。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
参考来源
- Reconstitution of 3′ end processing of mammalian pre-mRNA reveals a central role of RBBP6pmc.ncbi.nlm.nih.gov
- Poly(A)-tail profiling reveals an embryonic switch in translational controlpmc.ncbi.nlm.nih.gov
- RNA degradation by the exosome is promoted by a nuclear polyadenylation complexpubmed.ncbi.nlm.nih.gov
- Poly(A) Tail Length Is Controlled by the Nuclear Poly(A)-binding Protein Regulating the Interaction between Poly(A) Polymerase and the Cleavage and Polyadenylation Specificity Factorpmc.ncbi.nlm.nih.gov
- The nuclear poly(A) binding protein of mammals, but not of fission yeast, participates in mRNA polyadenylationpmc.ncbi.nlm.nih.gov
- Systematic Profiling of Poly(A)+ Transcripts Modulated by Core 3’ End Processing and Splicing Factors Reveals Regulatory Rules of Alternative Cleavage and Polyadenylationjournals.plos.org
- Evidence that polyadenylation factor CPSF-73 is the mRNA 3′ processing endonucleasepmc.ncbi.nlm.nih.gov
- Reconstitution of CPSF active in polyadenylation: recognition of the polyadenylation signal by WDR33pmc.ncbi.nlm.nih.gov
- Xrn2 accelerates termination by RNA polymerase II, which is underpinned by CPSF73 activitypmc.ncbi.nlm.nih.gov
- A unified allosteric/torpedo mechanism for transcriptional termination on human protein-coding genespmc.ncbi.nlm.nih.gov