综述：微藻和蓝藻中前体mRNA剪接及其调控

《Advanced Biotechnology》：Pre-mRNA splicing and its regulation in microalgae and cyanobacteria

本综述系统阐述了前体mRNA选择性剪接(AS)在微藻及蓝藻中的调控机制与生物学功能。文章重点探讨了AS在微藻胁迫响应（如低温、氮缺乏、盐度胁迫）中的关键作用，揭示了其通过调控剪接体活性、转录因子异构体产生等途径增强环境适应性的分子机制。同时深入解析了蓝藻中三类自剪接序列（group I introns、group II introns、inteins）的结构特征与催化原理，为利用剪接工程提升藻类生物活性产物合成效率提供了理论依据。

　　

2 真核生物中选择性剪接的重要性

选择性剪接(AS)作为增加转录组和蛋白质组多样性的关键机制，在不同真核生物中展现出显著的功能差异。动物主要利用外显子跳跃(ES)事件推动组织分化和器官发育，而植物和微藻则倾向于通过内含子保留(IR)主导的AS模式应对环境胁迫。这种功能分化与生物体的运动能力密切相关：动物可通过移动规避胁迫，因而将AS资源集中于发育调控；而固着生长的植物和微藻则依赖AS快速重构应激通路。例如拟南芥在脱落酸(ABA)处理下，发生AS的基因比例从22%激增至83.4%，凸显了AS在胁迫信号转导中的核心地位。

3 微藻中的剪接调控

3.1 莱茵衣藻

作为模式微藻，莱茵衣藻基因组平均每个基因含8.5个内含子，其中IR事件占AS总量的29-50%。研究显示AS事件贯穿细胞周期各阶段：约29%的AS事件在光G1期、S-M期和暗D1期重叠，而19%的AS事件特异发生于S-M期。在低温胁迫下，剪接因子U1 snRNP家族成员表达上调，同时SC35-like因子等 splicing factor 丢失，表明剪接体重构是低温适应的关键策略。氮饥饿条件下，3,500个基因发生5,806次AS事件，显著富集于剪接体组装和转运蛋白通路，通过调控柠檬酸循环和脂肪酸降解途径促进三酰甘油(TAG)积累。

3.2 杜氏盐藻

这种无细胞壁的嗜盐微藻基因组中内含子占比高达53%。在盐胁迫下，其通过磷酸化RNA聚合酶亚基RPB8的T72位点调控RNA加工，并诱导丝裂原活化蛋白激酶DsMEK1发生AS，产生全长变体DsMEK1-X2和截短变体DsMEK1-X1。前者通过激活甘油合成通路实现渗透调节，后者则在氧化胁迫中占主导，体现了AS在多重胁迫响应中的精细调控。

3.3 雨生红球藻

该藻以合成强抗氧化剂虾青素著称，其△12脂肪酸去饱和酶基因(HpFAD2)在光胁迫下表达显著上调。基因组分析显示其转录本平均长度仅611bp，但含有大量转座元件(32.2%)，暗示AS可能与转座子活性协同调控胁迫响应。

4 蓝藻中主要的自剪接干预序列

蓝藻作为光合原核生物，拥有三类自剪接元件：group I introns、group II introns和inteins。其中group I introns通过保守的P1-P10螺旋结构实现自我催化，如念珠藻PCC73102的核糖核苷酸还原酶(RIR)基因内含子通过RNA剪接生成功能性RIR蛋白。group II introns则被认为是真核生物剪接体组分的进化前体，其分支结构可形成套索状中间体。值得注意的是，蓝藻中发现的twintron（内含子嵌套）需先切除内部内含子才能完成宿主内含子的正确剪接。

inteins的蛋白剪接经历四步反应：首先N端半胱氨酸通过亲核攻击形成硫酯中间体，随后C端天冬酰胺环化促使intein释放，最终外显肽通过O-N酰基重排形成天然肽键。分裂inteins（如DnaE intein）具备跨分子自组装能力，其剪接效率受二价铜离子抑制，需通过乙二胺四乙酸(EDTA)螯合和蛋白还原双步骤恢复活性。

5 结论与展望

随着第三代测序技术的发展，全长转录本测序为解析复杂AS事件提供了新视角。然而长读长测序中基因组DNA污染和高错误率仍是技术挑战。未来通过CRISPR-Cas9等技术编辑关键剪接因子或自剪接元件，结合3D打印光生物反应器(PBRs)的精准环境调控，有望实现微藻生物活性产物（如虾青素、ω-3脂肪酸）的合成增效。对蓝藻分裂inteins催化机制的深入解析，将进一步推动其在蛋白质工程中的应用创新。