熱詞榜

mRNA

廣告
廣告
醫學百科提醒您不要相信網上藥品郵購信息!

1 拼音

mRNA

Messenger RNA (mRNA)——信使核糖核酸

2 基本信息

攜帶遺傳信息,在蛋白質合成時充當模板的RNA。

脫氧核糖核酸DNA轉錄合成的帶有遺傳信息的一類單鏈核糖核酸(RNA)。它在核糖體上作為蛋白質合成的模板,決定肽鏈的氨基酸排列順序。mRNA存在于原核生物真核生物細胞質及真核細胞的某些細胞器(如線粒體葉綠體)中。

原核生物和真核生物mRNA有不同的特點:

①原核生物mRNA常以多順反子的形式存在。真核生物mRNA一般以單順反子的形式存在。

②原核生物mRNA的轉錄與翻譯一般是偶聯的,真核生物轉錄的mRNA前體則需經轉錄后加工,加工為成熟的mRNA與蛋白質結合生成信息體后才開始工作 。

③原核生物mRNA半壽期很短,一般為幾分鐘 ,最長只有數小時(RNA噬菌體中的RNA除外)。真核生物mRNA的半壽期較長, 如胚胎中的mRNA可達數日。

④原核與真核生物mRNA的結構特點也不同。

原核生物mRNA一般5′端有一段不翻譯區,稱前導順序,3′端有一段不翻譯區,中間是蛋白質的編碼區,一般編碼幾種蛋白質。真核生物mRNA(細胞質中的)一般由5′端帽子結構、5′端不翻譯區、翻譯區(編碼區)、3′端不翻譯區和3′端聚腺苷酸尾巴構成分子中除m7G構成帽子外,常含有其他修飾核苷酸,如m6A等。真核生物mRNA通常都有相應的前體。從DNA轉錄產生的原始轉錄產物可稱作 原始前體(或mRNA前體)。一般認為原始前體要經過hnRNA核不均-RNA的階段,最終才被加工為成熟的mRNA。

通常mRNA(單鏈)分子自身回折產生許多雙鏈結構。原核生物,經計算有66.4%的核苷酸以雙鏈結構的形式存在。真核生物mRNA也具有豐富的二級結構,折疊起來的mRNA二級結構有利于蛋白質合成的啟動,以后mRNA處于伸展的狀態則有利于轉譯的繼續。

mRNA的復制,轉錄和翻譯:由一個DNA分子,邊解旋,邊轉錄。利用細胞核內部的游離核糖核苷酸和成其需要堿基,規則遵循堿基互補配對原則。注:因為mRNA沒有T(胸腺嘧啶),所以模版中出現A(腺嘌呤)時,有U(尿嘧啶)代替。以上過程叫做轉錄,在細胞核中完成。接著,mRNA穿過核孔。和細胞質中的核糖體結合。選擇tRNA運輸氨基酸,和對應的三個堿基排列好(如何排列請查詢:密碼子)。再與其它的氨基酸通過肽鍵連接在一起,形成肽鏈。以上過程叫做翻譯,在細胞質中完成。

雖然人們已經破譯了決定生命基礎的蛋白質的氨基酸合成密碼,也知道了是DNA攜帶著這種密碼,但是,根據細胞學所掌握的事實:所有DNA都呆在細胞核內,而蛋白質卻存在于細胞質中,像DNA這樣的大分子是無法隨意進入細胞質的。然而密碼總是會被帶入細胞質的,這一來,人們不禁要問,是誰把鎖在細胞核內的DNA手里的密碼帶入了細胞質的呢?科學家們從DNA那里拷貝了一份密碼文件,并帶入了細胞質中。經過試驗和觀察,發現這個信使就是RNA——核糖核酸。

3 mRNA的發現

儲存在DNA分子中的這種遺傳信息能在復制中產生更多的拷貝,并翻譯成蛋白質。DNA的功能構成了信息的流動,遺傳信息如何轉變成蛋白質呢?轉錄就是其中的重要的一環。基因表達時以DNA的一條鏈為模板合成RNA,這一過程就是轉錄(transcription)。催化合成RNA的酶叫做RNA聚合酶(RNA polymerase)。RNA和DNA結構相似,所不同之處在于:(1)RNA一般以單鏈形式存在;(2)RNA中的核糖其C′-2不脫氧;(3)尿苷(U)取代了DNA中的胸苷。細胞中的RNA分成三種:mRNA(信使RNA),tRNA(轉運RNA)和rRNA(核糖體RNA)。它們的功能各不相同。mRNA是合成蛋白質的模板,tRNA是轉運特異氨基酸的運載工具,rRNA是合成蛋白質的裝置。mRNA的堿基序列,決定著蛋白質裝配時氨基酸的序列。

1955年Brachet用洋蔥根尖和變形蟲進行了實驗;若加入RNA酶降解細胞中的RNA,則蛋白質合成就停止,若再加入從酵母中提取的RNA,則又可以重新合成一些蛋白質,這就表明,蛋白質的合成是依賴于RNA。

同年Goldstein和Plaut用同位素標記變形蟲(Amoeba proteus)RNA前體,發現標記的RNA都在核內,表明RNA是在核內合成的。在標記追蹤(pulse-chase)實驗中,用短脈沖標記RNA前體,然后將細胞核轉移到未標記的變形蟲中。經過一段時間發現被標記的RNA分子已在細胞質中,這就表明RNA在核中合成,然后轉移到細胞質內,而蛋白質就在細胞質中合成,因此RNA就成為在DNA和蛋白質之間傳遞信息的信使的最佳候選者。

1956年Elliot Volkin和 Lawrence Astrachan作了一項很有意思的觀察:當E.coli被T2感染,迅速停止了RNA的合成,但噬菌的RNA卻開始迅速合成。用同位素脈沖一追蹤標記表明噬菌的RNA在很短的時間內就進行合成,但很快又消失了,表明RNA的半衰期是很短的。由于這種新合成的RNA的堿基比和T2的DNA堿基比相似,而和細菌的堿基比不同,所以可以確定新合成的RNA是T2的RNA。由于T2感染細菌時注入的是DNA,而在細胞里合成的是RNA,可見DNA是合成RNA的模板。最令人信服的證據來自DNA-RNA的雜交實驗。Hall.B.D和Spiegeman,S,將T2噬菌體感染E.coli后立即產生的RNA分離出來,分別與T2和E.coli的DNA進行分子雜交,結果發現這種RNA只能和T2的DNA雜交形成“雜種”鏈,而不能和E.coli的DNA進行雜交。表明T2產生的這種RNA(即mRNA)至少和T2的DNA中的一條鏈是互補的。

Brenner,s. Jacob,F.和Meselson(1961)進行了一系列的的實驗(圖12-2),他們將E.coli培養在15N/13C的培養基中,因此合成的RNA和蛋白都被“重”同位素所標記。也就是說凡是“重”的核糖體,RNA和蛋白都是細菌的,然后用T2感染E.coli,細菌的RNA停止合成,而開始合成T2的RNA此時用普通的“輕”培養基(14N/12C),但分別以32P來標記新合成的T2 RNA,以35S標記新合成的T2蛋白,因此任何重新合成的核糖體,RNA,及蛋白都是“輕”的但帶但有放射性同位素。經培養一段時間后破碎細胞,加入過量的輕的核糖體作對照,進行密度梯度離心,結果“輕”的核糖體上不具有放射性,“重”的核糖體上具有32P和35S,表明(1)T2未合成核糖體,“輕”核糖體卻是后加放的。(2)T2翻譯時是借用了細菌原來合成的核糖體,所以核糖體并無特異性,核糖體上結合的mRNA,其序列的特異性才是指導合成蛋白質的遺傳信息,從而提出了mRNA作為“信使”的證據。因此他們將這種能把遺傳信息從DNA傳遞到蛋白質上的物質稱為“信使”。他們預言(1)這種“信使”應是一個多核苷酸;(2)②其平均分子量不小于5´105(假定密碼比是3),足以攜帶一個基因的遺傳信息;(3)它們至少是暫時連在核糖體上;(4)其堿基組成反映了DNA的序列;(5)它們能高速更新。Volkin和Astrachan發現高速更新的RNA似乎完全符合以上條件。Jacob和Monod將它定名為信使RNA(Messenger RNA)或mRNA。

4 mRNA的合成與加工

4.1 DNA轉錄生成RNA

一、定義

(一)轉錄單位

(二)啟動子(promoter)

(三)終止子(terminator)

二、RNA聚合酶

(一)酶的特性:以4種NTP為底物,需模板和鎂離子,合成方向也是5’-3’,但不需要引物。

(二)酶的分類

1.噬菌體的RNA聚合酶結構簡單,是單鏈蛋白,功能也簡單。

2.細菌則具有復雜的多亞基結構(450Kd),可識別并轉錄超過1000個轉錄單位。

3.真核生物的酶有多種,根據a-鵝膏蕈堿(環狀8肽阻斷RNA延伸)的抑制作用可分為三類:聚合酶A對它不敏感分布核仁,轉錄核糖體RNA;聚合酶B對低濃度敏感,存在于核質,轉錄信使RNA;聚合酶C位于核質,對高濃度敏感,轉錄小分子量RNA,如轉運RNA、5SRNA等。各種RNA聚合酶都是由10-15種不同亞基組成的多亞基復合物。

4. 線粒體和葉綠體也有RNA聚合酶,結構簡單,能合成所有種類RNA。

(三)酶的構成:大腸桿菌的全酶有5個亞基(α2ββ’ωσ),含2個鋅。β催化形成磷酸二酯鍵,β’結合模板,σ亞基稱為起始因子,可使RNA聚合酶穩定地結合到啟動子上。ββ’ωσ稱為核心酶。σ亞基在不同菌種間變動較大,而核心酶比較恒定。酶與不同啟動子的結合能力不同,不同啟動因子可識別不同的啟動子。σ70識別啟動子共有序列,σ32識別熱休克基因,σ60在氮饑餓時起作用。σ通過隨機移動起作用,不需解鏈。

(四)模板:以完整雙鏈DNA為模板,其中僅一條鏈可轉錄。轉錄時局部解鏈,轉錄后DNA重新形成雙螺旋結構,所以DNA是全保留的。

三、轉錄過程

分為起始、延長和終止三個階段。起始包括對雙鏈DNA特定部位的識別、局部(17bp)解鏈以及在最初兩個核苷酸間形成磷酸二酯鍵。第一個核苷酸摻入的位置稱為轉錄起點

起始后起始因子離開,核心酶構象改變,沿模板移動,轉錄生成雜交雙鏈(12bp),隨后DNA互補鏈取代RNA鏈,恢復DNA雙螺旋結構。延伸速度為50nt/s,酶移動17nm。錯誤幾率為10-5。

聚合酶到達終點時,在終止輔助因子的幫助下停止反應,酶和RNA鏈脫落,轉錄結束。

四、啟動子和轉錄因子

(一)定義:酶識別、結合、開始轉錄的一段DNA序列。強啟動子2秒鐘啟動一次轉錄,弱啟動子10分鐘一次。

(二)原核生物:大腸桿菌在起點上游約-10堿基對處有保守序列TATAAT,稱為pribnow box,有助于局部解鏈。在其上游還有TTGACA,稱為-35序列,提供RNA聚合酶識別的信號。

(三)真核生物:復雜,差異較大。

1.信使RNA的啟動子通常有三個保守區,-25到-30有TATA框,是解鏈位置,并決定轉錄起點;-75位置有CAAT框,與RNA聚合酶的結合有關;更上游還有GC框,某些轉錄因子可結合。后兩個稱為上游因子,對轉錄起始頻率有較大影響。

2. 小RNA的啟動子在轉錄區內部,有一些輔助因子幫助RNA聚合酶識別。

五、終止子和終止因子

(一)定義

(二)所有原核生物的終止子在終點之前都有一個回文結構,可使酶減慢移動或暫停合成。大腸桿菌有兩類終止子:

1. 簡單終止子,回文區有一段富含GC對的序列,回文后有寡聚尿苷。

2.依賴ρ的終止子,必須在有ρ因子時才能發揮作用,不含GC對,也無寡聚尿苷。ρ因子是蛋白質,可與酶作用,釋放RNA,并使酶脫離

(三)某些因子可使酶越過終止子繼續轉錄,稱為通讀。常見于某些噬菌體的時序控制,早期基因與晚期基因以終止子相隔,早期基因產生抗終止因子,使發生通讀以表達晚期基因。

六、轉錄的調控

(一)遺傳信息的表達有時序調控和適應調控,轉錄水平的調控是關鍵環節,因為這是表達的第一步。轉錄調控主要發生在起始和終止階段。

(二)操縱子是細菌基因表達和調控的單位,有正調節和負調節因子。阻遏蛋白的作用屬于負調控。環腺苷酸通過其受體蛋白(CRP)促進轉錄,可促進許多誘導酶的合成。操縱子可構成綜合性調控網絡,如SOS反應等。對終止子也有調控作用,如衰減子。

(三)真核生物不組成操縱子,而是通過激素生長因子等進行調控。某些DNA序列對轉錄起增強作用,稱為增強子

4.2 轉錄后加工

一、原核生物

(一)核糖體RNA:大腸桿菌共有7個核糖體RNA的轉錄單位,每個轉錄單位由16S、23S、5SRNA和若干轉運RNA基因組成。16S和23S之間常由轉運RNA隔開。轉錄產物在RNA酶III的作用下裂解產生核糖體RNA的前體P16和P23,再由相應成熟酶加工切除附加序列。前體加工時還進行甲基化,產生修飾成分,特別是a-甲基核苷。N4,2’-O二甲基胞苷(m4Cm)是16S核糖體RNA特有成分。5S核糖體RNA一般無修飾成分。

(二)轉運RNA:有60個基因,其加工包括:

1.內切酶在兩端切斷,大腸桿菌RNA酶P是5’成熟酶

2.外切酶從3’修剪,除去附加順序。RNA酶D是3’成熟酶

3.3’端加上CCAOH,由轉運RNA核苷酰轉移酶催化,某些轉運RNA已有,切除附加序列后即露出。

4.核苷的修飾:修飾成分包括甲基化堿基和假尿苷,修飾酶具有高度特異性。甲基化對堿基和序列都有嚴格要求,一般以S-腺苷甲硫氨酸為甲基供體。

(三)信使RNA:細菌多數不用加工,轉錄與翻譯是偶聯的。也有少數多順反子信使RNA必須由內切酶切成較小的單位,然后翻譯。如核糖體大亞基蛋白與RNA聚合酶的b亞基基因組成混合操縱子,轉錄后需經RNA酶III切開,各自翻譯。因為RNA聚合酶的合成水平低得多,切開有利于各自的翻譯調控。較長的RNA會產生高級結構,不利于翻譯,切開可改變其結構,從而影響其功能。

二、真核生物

(一)核糖體RNA:基因拷貝數多,在幾十到幾千之間。基因成簇排列在一起,由RNA聚合酶I轉錄生成一個較長的前體,哺乳動物為45S。核仁是其轉錄、加工和裝配成核糖體的場所。RNA酶III等核酸內切酶在加工中起重要作用。5SRNA基因也是成簇排列的,由RNA聚合酶III轉錄,經加工參與構成大亞基。核糖體RNA可被甲基化,主要在核苷2’羥基,比原核生物甲基化程度高。多數核糖體RNA沒有內含子,有些有內含子但不轉錄。

(二)轉運RNA:由RNA聚合酶III轉錄,加工與原核相似,但3’端的CCA都是后加的,還有2’-O-甲基核糖。

(三)信使RNA:真核生物編碼蛋白質的基因以單個基因為轉錄單位,但有內含子,需切除。信使RNA的原初轉錄產物是分子量很大的前體,在核內加工時形成大小不等的中間物,稱為核內不均一RNA(hnRNA)。其加工過程包括:

1.5’端加帽子:在轉錄的早期或轉錄終止前已經形成。首先從5’端脫去一個磷酸,再與GTP生成5’,5’三磷酸相連的鍵,最后以S-腺苷甲硫氨酸進行甲基化,形成帽子結構。帽子結構有多種,起識別和穩定作用。

2. 3’端加尾:在核內完成。先由RNA酶III在3’端切斷,再由多聚腺苷酸聚合酶加尾。尾與通過核膜有關,還可防止核酸外切酶降解。

3. 內部甲基化:主要是6-甲基腺嘌呤,在hnRNA中已經存在。可能對前體的加工起識別作用。

三、RNA的拼接

(一)轉運RNA的拼接:由酶催化,酶識別共同的二級結構,而不是序列。通常內含子插入到靠近反密碼子處,與反密碼子配對,取代反密碼子環。第一步由內切酶切除插入序列,不需ATP;第二步由RNA連接酶連接,需要ATP。

(二)四膜蟲核糖體RNA的拼接:某些四膜蟲26S核糖體RNA基因中有一個內含子,其拼接只需一價和二價陽離子及鳥苷酸或鳥苷存在即可自發進行。其實質是磷酸酯的轉移反應,鳥苷酸起輔助因子的作用,提供游離3’羥基。

(三)信使RNA:真核生物編碼蛋白質的核基因的內含子屬于第二類內含子,左端為GT,右端為AG。先在左端切開,產生的5’末端與3’端上游形成5’,2’-磷酸二酯鍵,構成套索結構。然后內含子右端切開,兩個外顯子連接起來。通過不同的拼接方式,可形成不同的信使RNA。

4.3 RNA的復制

一、噬菌體QbRNA的復制

其RNA是單鏈,正鏈,侵入大腸桿菌后立即翻譯,產生復制酶的b亞基,與宿主的三個亞基(α為核糖體蛋白,γ、δ均為肽鏈延長因子)構成復制酶,進行復制。先以正鏈為模板合成負鏈,再根據負鏈合成正鏈。合成負鏈時需要宿主的兩個蛋白因子,合成正鏈則不需要,所以可大量合成。病毒的蛋白質合成受RNA高級結構的調控。

二、病毒RNA復制的主要方式

(一)病毒含正鏈RNA,先合成復制酶,復制后合成其他蛋白質進行裝配。如噬菌體Qb及灰質炎病毒。

(二)病毒含負鏈和復制酶,先合成正鏈,再合成病毒蛋白和復制病毒RNA。如狂犬病毒

(三)病毒含雙鏈RNA和復制酶,如呼腸孤病毒。先復制正鏈,再翻譯成病毒蛋白,最后合成負鏈,形成雙鏈RNA分子。

(四)致癌RNA病毒:如白血病病毒肉瘤病毒,先逆轉錄生成DNA前病毒,再轉錄、翻譯。

4.4 RNA生物合成的抑制劑

一、堿基類似物

有些人工合成的堿基類似物能干擾和抑制核酸的合成。作用方式有以下兩類:

(一)作為代謝拮抗物,直接抑制核苷酸生物合成有關酶類。如6-巰基嘌呤進入體內后可轉變為巰基嘌呤核苷酸,抑制嘌呤核苷酸的合成。可作為抗癌藥物,治療急性白血病等。此類物質一般需轉變為相應的核苷酸才能表現出抑制作用。

(二)進入核酸分子,形成異常RNA或DNA,影響核酸的功能并導致突變5-氟尿嘧啶類似尿嘧啶,可進入RNA,與腺嘌呤配對或異構成烯醇式與鳥嘌呤配對,使A-T對轉變為G-C對。因為正常細胞可將其分解,而癌細胞不能,所以可選擇性抑制癌細胞生長

二、DNA模板功能抑制物

(一)烷化劑:帶有活性烷基,能使DNA烷基化。鳥嘌呤烷化后易脫落,雙功能烷化劑可造成雙鏈交聯,磷酸基烷化可導致DNA鏈斷裂。通常有較大毒性,引起突變或致癌。

(二)放線菌素類:可與DNA形成非共價復合物,抑制其模板功能。包括一些抗癌抗生素

(三)嵌入染料:含有扁平芳香族發色團,可插入雙鏈DNA相鄰堿基對之間。常含丫啶或菲啶環,與堿基大小類似,可在復制時增加一個核苷酸,導致移碼突變。如溴乙啶。

三、RNA聚合酶抑制劑

(一)利福霉素:抑制細菌RNA聚合酶活性

(二)利鏈菌素:與細菌RNA聚合酶b亞基結合,抑制RNA鏈的延長。

a-鵝膏蕈堿:抑制真核生物RNA聚合酶。

5 mRNA的結構與功能

從 (DNA)轉錄合成的帶有遺傳信息的一類單鏈(RNA),它在上作為蛋白質合成的模板,決定肽鏈的排列順序。1961年F.雅各布和根據大腸桿菌誘導酶生成的實驗結果提出:信息從DNA到蛋白質之間的轉移,必需有一種RNA起傳遞作用,由此提出了信使核糖核酸的名稱。

生物體內的每種多肽鏈都由特定的mRNA編碼,所以細胞內mRNA的種類很多,但通常每種mRNA的拷貝數極少(1~10個)。根據信息密碼學說,3個連續的核苷酸可以編碼一個氨基酸,因此從已知mRNA(或DNA)核苷酸順序可以準確推導出蛋白質的一級結構

存在范圍和性質 mRNA存在于原核和真核生物的細胞質及真核細胞的某些細胞器(如和)中。RNA病毒和RNA噬菌體中的 RNA既是遺傳信息的載體又具有mRNA的功能。生物體mRNA種類的多少與生物進化水平有關,高等生物所含的遺傳信息多,mRNA的種類也多。生物體內某種mRNA的含量根據需要而有不同,如5齡蠶后部絲腺體的主要任務是快速合成大量絲心蛋白,因而編碼絲心蛋白的mRNA含量特別多。有些細菌需要不斷適應外部環境,其體內編碼某些誘導酶的mRNA的含量也較多。

原核和真核生物mRNA有不同的特點: ①mRNA常以多順反子(見)的形式存在,即一條mRNA鏈編碼幾種功能相關聯的蛋白質。mRNA一般以單順反子的形式存在,即一種mRNA只編碼一種蛋白質。②原核生物mRNA的轉錄與翻譯一般是偶聯的,即轉錄尚未完畢,蛋白質的轉譯合成就已開始 真核生物轉錄的mRNA前體則需經后加工,加工為成熟的mRNA與蛋白質結合生成信息體后才開始工作 信息體中蛋白質與RNA之比約為3。③原核生物mRNA半壽期很短,一般為幾分鐘,最長只有數小時(RNA噬菌體中的RNA除外)。真核生物mRNA的半壽期較長,如胚胎中的mRNA可達數日。④原核與真核生物mRNA的結構特點也不同。

一級結構與功能的關系 原核生物mRNA一般5'端有一段不翻譯區,稱前導順序,3'端有一段不翻譯區,中間是蛋白質的編碼區,一般編碼幾種蛋白質。如大腸桿菌乳糖操縱子mRNA編碼3條多肽鏈;色氨酸操縱子mRNA編碼5條多肽鏈。也有單順反子形式的細菌mRNA,如大腸桿菌脂蛋白mRNA。原核生物mRNA分子中一般沒有修飾核苷酸,也沒有5'端帽子結構和3'端聚腺苷酸尾巴。在原核生物mRNA的起始密碼子(AUG)附近(5'方向上游)的一小段長短不等的順序,含有較多的嘌呤核苷酸,被稱為SD順序。它能和核糖體小亞基上的16SrRNA的3'端富含嘧啶核苷酸的區域配對結合,有助于帶有甲酰甲硫氨酸的起始tRNA識別mRNA上的起始密碼(AUG),使肽鏈合成從此開始。這段順序是1974年由J.夏因和L.達爾加諾發現的,所以稱為SD順序,也稱核糖體結合部位。原核生物mRNA的編碼區一般編碼幾種功能上相關聯的蛋白質,兩種蛋白質的編碼區之間常有一小段不翻譯的順序,叫做間隔區。有的噬菌體RNA中2個相鄰的順反子共用一段相同的編碼順序,例如,M 噬菌體RNA中的溶菌蛋白編碼區共225個核苷酸中有189個核苷酸是由相鄰兩個蛋白質共用的。原核mRNA與真核mRNA一樣使用同一套三聯體密碼子(真核生物線粒體mRNA有例外)。原核生物合成氨基酸的操縱子mRNA的5' 端前導順序上有一段順序稱作弱化子。弱化子具有兩種可以互變的構象,其中一種構象是轉錄終止的信號,能使轉錄中止(或衰減)。衰減調節是原核生物合成氨基酸的調控方式之一(見)。

真核生物 mRNA(細胞質中的)一般由5'端帽子結構、5'端不翻譯區、翻譯區(編碼區)、3'端不翻譯區和3'端聚腺苷酸尾巴構成(圖1a[真核生物mRNA結構示意圖 a一級結構示意圖] )。 分子中除 G構成帽子外,常含有其他修飾核苷酸,如 A等。5'端帽子結構通常有3種類型,即: G(5')ppp(5')N; G(5')ppp(5') N和 G(5')ppp(5') N。圖1b[真核生物mRNA結構示意圖b 5'端帽子結構式, , 表示堿基] , 表示堿基" class=image>[] 是帽子的化學結構,N右邊的m代表核糖2'位羥基的甲基化。真核細胞線粒體中的mRNA無帽子結構。一般認為帽子的功能與翻譯的啟動有關。許多真核生物 mRNA(如珠蛋白mRNA)除去帽子后翻譯效率大大降低。5'端不翻譯區,也叫前導順序。不同的真核mRNA的前導順序長度不同,有的只有10個核苷酸,有的則有200個核苷酸。與原核mRNA相似,真核mRNA5'端不翻譯區中常有一段順序與核糖體小亞基上的18SrRNA的3'端的一段順序互補并結合,這種結合與真核mRNA的翻譯啟動有關。

翻譯區(編碼區)使用的密碼子除線粒體(如人、牛和酵母線粒體)外與原核生物mRNA是一樣的。真核生物mRNA的起始密碼子都是AUG。 真核和原核生物mRNA使用的密碼子也都有“簡并現象”,即幾種不同的密碼子翻譯出同一種氨基酸,但不同的mRNA中簡并密碼子的利用率是不同的,真核與原核生物之間的差別就更大。mRNA的終止密碼子有3個(UAG、UGA和UAA),其功能是停止翻譯,一般只用一個終止密碼子就能使翻譯停止。有的mRNA有2個連續的終止密碼子(見)。3'端不翻譯區的長短在不同的mRNA上有所不同,β珠蛋白mRNA只有39個核苷酸,而卵白蛋白mRNA則有637個核苷酸。真核生物mRNA3'端不翻譯區常有 AAUAA(A)或AUUUA(A)等順序,它們和識別多聚A聚合酶及裝配多聚A尾巴有關。除個別組蛋白mRNA外,真核生物mRNA3'端均有多聚A尾巴 3'端多聚A尾巴的長度隨來源不同而不同,且隨mRNA的老化而變短,通常有20~200個A。多聚A與mRNA穩定性及mRNA從細胞核轉到細胞漿中有關。

真核生物mRNA的前體 真核生物mRNA通常都有相應的前體。 從DNA轉錄產生的原始轉錄產物可稱作原始前體(或mRNA前體)。 一般認為原始前體要經過hnRNA核不均-RNA的階段,最終才被加工為成熟的 mRNA。hnRNA上的蛋白質編碼區被一些居間順序分隔成若干段;不同的基因轉錄產物所含的居間順序的數目不同,人胰島素只有兩個,而牛眼晶體蛋白則含有數十個;居間順序的長短也各不相同,從數十個到上千個核苷酸(雞卵白蛋白有一個1550個核苷酸的居間順序)。居間順序將在剪接過程中去除。約有10~40%的hnRNA含有3′端多聚A尾巴。hnRNA經過進一步加工切除居間順序并把分隔的蛋白質編碼區連接起來,最終成為成熟的mRNA。

二級結構與功能的關系 通常mRNA(單鏈)分子自身回折產生許多雙鏈結構(圖2 [噬菌體M RNA中成熟蛋白] RNA中成熟蛋白" class=image>[編碼區的二級結構及外殼蛋白的起始密碼子 AUG的位置] )。原核生物,例如M 噬菌體RNA外殼蛋白編碼區,經計算有66.4%的核苷酸以雙鏈結構的形式存在。M RNA能翻譯4種蛋白質,但效率各不相同。在通常條件下翻譯外殼蛋白(其編碼區在成熟蛋白的下游)的效率高于成熟蛋白的效率。但用甲醛處理M RNA破壞二級結構后,則翻譯成熟蛋白的效率提高。 圖2[噬菌體M RNA中成熟蛋] RNA中成熟蛋" class=image>[白編碼區的二級結構及外殼蛋白的起始密碼子 AUG的位置] 中外殼蛋白的起始密碼子 AUG(1335~1337)通常處于環(Loop)的頂端,暴露在外面,因而易于與翻譯的啟動因子結合而進行翻譯。成熟蛋白的編碼區盡管處在外殼蛋白的前面,但其起始密碼子GUG(130~132)卻埋在二級結構之中,故翻譯效率低,只有將二級結構松開(如甲醛處理)之后才能被翻譯。可見mRNA分子的二級結構對翻譯蛋白質的效率有很大影響。

真核生物mRNA也具有豐富的二級結構,如鴨珠蛋白mRNA和兔珠蛋白mRNA分別有45~60%和55~62%的核苷酸殘基處在堿基配對之中。在真核生物蛋白質啟動復合物中,40S核糖體實際上覆蓋著mRNA上包括帽子結構在內的50~54個核苷酸,但是40S核糖體的大小比50個核苷酸的長度小得多 由于形成的發夾結構(二級結構使帽子與起始密碼子之間的空間距離縮短)(圖3[真核生物mRNA ]),造成40S核糖體能夠覆蓋包括帽子結構和起始密碼子 AUG在內的50多個核苷酸,從而啟動蛋白質合成。不同的mRNA中發夾結構的有無或多少各不相同。在蛋白質合成肽鏈繼續延伸時,不需要帽子結構參加,此時核糖體覆蓋的mRNA的區域約為25~35個核苷酸,mRNA的構象已不同于啟動階段而是處于一種伸展的狀態,從而有利于轉譯的延續。可見,折疊起來的mRNA二級結構有利于蛋白質合成的啟動,以后mRNA處于伸展的狀態則有利于轉譯的繼續。

6 mRNA與密碼子

遺傳信息從DNA分子抄錄到RNA分子中的過程稱為轉錄(transcription)。在真核生物中,最初轉錄生成的RNA稱為不均一核RNA(heterogeneous nuclear RNA,hnRNA),然而在細胞漿中起作用,作為蛋白質的氨基酸序列合成模板的是mRNA(messenger RNA)。hnRNA是mRNA的未成熟前體。兩者之間的差別主要有兩點:一是hnRNA核苷酸鏈中的一些片段將不出現于相應的mRNA中,這些片段稱為內含子(intron),而那些保留于mRNA中的片段稱為外顯子(exon)。也就是說,hnRNA在轉變為mRNA的過程中經過剪接,被去掉了一些片段,余下的片段被重新連接在一起;二是mRNA的5′末端被加上一個m7pGppp帽子,在mRNA3′末端多了一個多聚腺苷酸(polyA)尾巴。mRNA從5′末端到3′末端的結構依次是5′帽子結構,5′末端非編碼區,決定多肽氨基酸序列的編碼區,3′末端非編碼區,和多聚腺苷酸尾巴。多聚腺苷酸尾一般由數十個至一百幾十個腺苷酸連接而成。隨著mRNA存在時間的延續,這段聚A尾巴慢慢變短。因此,目前認為這種3′末端結構可能與增加轉錄活性以及使mRNA趨于相對穩定有關。原核生物的mRNA沒有這種首、尾結構。

1961年,Jacob和Monod首先提出了mRNA的概念。在真核細胞中,由于蛋白質是在胞漿中而不是在核內合成,因此顯然要求有一個中間物將DNA上的遺傳信息傳遞至胞漿中。后來的研究證實,這種中間物即信使RNA.mRNA的核苷酸序列與DNA序列相應,決定著合成蛋白質的氨基酸序列。它如何指導氨基酸以正確的順序連接起來呢?不同的mRNA堿基組成和排列順序都不同,但都只有A,G,C,U4種堿基。如果一個堿基就可以決定一個氨基酸,則只有四種變化方式,如果兩個堿基決定一個氨基酸,則只有16種變化方式,都不能滿足20種氨基酸的需要。1961年Crick和Brenner的實驗得出了三個核苷酸編碼一個氨基酸的結論,并將這種三位一體的核苷酸編碼稱做遺傳密碼(genetic code)或三聯體密碼,這樣就可以有64種不同的密碼,但此情況下必須假定有一些氨基酸使用兩個以上的密碼。這一假定很快就被證明是對的。遺傳密碼具有下列特征:

(1)三個核苷酸組成一個密碼子,每個密碼子由三個前后相聯的核苷酸組成,一個密碼子只為一種氨基酸編碼。共有64個密碼子;

(2)密碼子之間不重疊使用核苷酸,也無核苷酸間隔;

(3)一種氨基酸可有多個密碼子,這個特點稱為密碼子的簡并性;

(4)密碼子的通用性,所有生物從最低等的病毒直至人類,蛋白質合成都使用同一套密碼子表(表15-8),僅有極少的例外,如特殊細胞器線粒體,葉綠體所用的密碼稍有不同。

通用遺傳密碼及相應的氨基酸

第一個核苷酸5′ 第二個核苷酸 第三個核苷酸3′

U C A G

U 苯丙氨酸 絲氨酸 酪氨酸 半胱氨酸 U

苯丙氨酸 絲氨酸 酪氨酸 半胱氨酸 C

亮氨酸 絲氨酸 終止碼 終止碼 A

亮氨酸 絲氨酸 終止碼 色氨酸 G

C 亮氨酸 脯氨酸 組氨酸 精氨酸 U

亮氨酸 脯氨酸 組氨酸 精氨酸 C

亮氨酸 脯氨酸 谷氨酰胺 精氨酸 A

亮氨酸 脯氨酸 谷氨酰胺 精氨酸 G

A 異亮氨酸 蘇氨酸 天冬酰胺 絲氨酸 U

異亮氨酸 蘇氨酸 天冬酰胺 絲氨酸 C

異亮氨酸 蘇氨酸 賴氨酸 精氨酸 A

蛋氨酸 蘇氨酸 賴氨酸 精氨酸 G

G 纈氨酸 丙氨酸 天冬氨酸 甘氨酸 U

纈氨酸 丙氨酸 天冬氨酸 甘氨酸 C

纈氨酸 丙氨酸 谷氨酸 甘氨酸 A

纈氨酸 丙氨酸 谷氨酸 甘氨酸 G

通用遺傳密碼與線粒體遺傳密碼之間的一些差異

密碼子 通用編碼 線粒體編碼

哺乳動物 果蠅 酵母菌 植物

UGA 終止碼 色氨酸 色氨酸 色氨酸 終止碼

AUA 異亮氨酸 蛋氨酸 蛋氨酸 蛋氨酸 異亮氨酸

CUA 亮氨酸 亮氨酸 亮氨酸 蘇氨酸 亮氨酸

AGA 精氨酸 終止碼 絲氨酸 精氨酸 精氨酸

注:下標橫線者為與通用編碼不同的編碼

究竟哪一個密碼子為哪一種氨基酸編碼,即密碼子與氨基酸之間的對應關系已在60年代研究解決了。1964年Nirenberg用一種RNA聚合酶體外合成了多聚尿苷酸、多聚腺苷酸等多聚核苷酸,將這些多聚核苷酸分別用于蛋白質的體外合成。發現,當所用的多聚核苷酸為多聚尿苷酸時,只有多聚苯丙氨酸合成,這意味著UUU為苯丙氨酸編碼;用其它多聚核苷酸進行相應的實驗后發現,CCC為脯氨酸編碼,而AAA為賴氨酸編碼;其后,有人又用核苷酸比例為已知,但是核苷酸序列隨機的多聚核苷酸,以及用已知序列的含兩種或兩種以上核苷酸的多聚核苷酸進行相應的實驗,將結果加以數理統計處理,又解讀了一批密碼子,其中包括三個終止碼,最后,還有一些密碼子是通過合成已知序列的三聚核苷酸與核蛋白體和載有放射性同位素標記的氨基酸的tRNA共沉淀原理予以解讀的。在所有密碼子中,AUG不僅為蛋氨酸編碼,而且又是翻譯(translation,以mRNA上的遺傳信息指導核蛋白體上多肽鏈合成的過程)的起始信號,UAA、UAG和UGA不為任何氨基酸編碼,而是作為翻譯的終止信號,統稱為終止碼(stop codon),又常被叫作無意義碼(nonsense codon)。

大多數氨基酸是由一個以上的密碼子所編碼。這個事實提出了一個問題:編碼同一種氨基酸的一組密碼子的使用頻率是否都相同?細致的分析表明,無論是原核生物,還是高等真核生物,密碼子的使用頻率并不是平均的,有些密碼子的使用率很高,有些則幾乎不使用,其使用頻率主要與細胞內tRNA含量呈正相關。

7 mRNA與遺傳信息的傳遞

轉錄是在原核和真核細胞中以DNA為模板合成RNA的過程。

在原核和真核生物中,轉錄過程是相似的。包括DNA變性,RNA聚合酶結合在單鏈DNA上以5′→3′方向合成RNA分子。雙鏈中只有一條鏈作為轉錄模板,合成單鏈RNA分子。啟動子和終止子序列決定轉錄的起始和終止。

在E.coli中RNA多聚酶轉錄各種RNA(mRNA,tRNA和rRNA)。在真核細胞中有三類不同的RNA多聚酶,它們的功能不同。RNA pol Ⅰ轉錄4種rRNA中的3種;RNA pol Ⅱ轉錄mRNA和一些snRNA;RNAⅢ轉錄第四種rRNA,tRNA以及其余的snRNA。

3種真核生物的RNA pol,不像E.coli RNA pol,沒有一個直接地和啟動子區結合,而是通過轉錄起始因子的介導來起始RNA的合成。對于每一種RNA多聚酶來說,轉錄因子是特異的,它可以識別啟動子的特殊序列。

蛋白質編碼基因的啟動子位于轉錄起始位點的上游,由不同組合的啟動原件所構成。特異的轉錄因子和調節因子結合在這些原件上,促進RNA pol Ⅱ轉錄起始。增強子離啟動子較遠,它可被調節因子識別結合,具有促進基因轉錄的功能。

由RNA pol Ⅲ轉錄的啟動子,位于下游,在其基因編碼序列內部。這種啟動子,根據所轉錄的RNA的種類,由不同的功能區組合而構成。轉錄因子識別這些功能區,促進RNA聚合酶轉錄起始。

18S,5.8S和28S rRNA作為一個轉錄單位一道轉錄,產生前體RNA分子。大部分真核生物的18S,5-8S和28S rRNA都是以串聯重復排列,每個重復單位被不轉錄的間隔序列(nontranscribed specer,NTs)所分隔。轉錄單位的啟動子位于NTS中,其功能是和特異的轉錄因子相結合,促進RNA pol Ⅰ的轉錄起始。

從孟德爾定律問世以后,人們就知道了生物的各種性狀是由基因控制的。一基因一酶學說的建立進一步地明確了基因是以酶的形式通過控制生化反應鏈來控制的。酶或蛋白和基因又是什么樣的關系呢?也就是說遺傳信息怎樣傳遞,怎樣表達成性狀呢?就在Watson和Crick建立DNA雙螺旋模型后的第三年,1957年Crick提出了中心法測(central dogma),指出了遺傳信息的傳遞方向:

DNA → RNA→蛋白質

1970年H.Temin和D.Baltimore發現了反轉錄酶后,Crick對中心法測又作了部分修改:

DNA → RNA →蛋白質

也就是說由DNA通過轉錄將遺傳信息傳遞給RNA,RNA通過翻譯把信息傳遞給蛋白。通過這種單向的傳遞,遺傳信息通過蛋白質的不同形式,如酶,結構蛋白,運載蛋白,調節蛋白等表達成一種性狀。

8 mRNA與tRNA的區別

區分mRNA和tRNA,可以從結構和功能這兩個方面去把握。

1.結構。

mRNA的一級結構,tRNA的二級、三級結構是經常考察的內容,需要仔細區分。

⑴真核生物的mRNA的5' 端有帽子結構,3' 端為多聚腺苷酸(poly(A))尾巴。

⑵tRNA的二級結構呈三葉草形。三葉草形結構由氨基酸臂、二氫尿嘧啶環、反密碼環、額外環和TφC環等5個部分組成。其中,氨基酸臂末端為CCA;反密碼環中部為反密碼子,由3個堿基組成。反密碼子可識別mRNA的密碼子。

⑶tRNA折疊形成三級結構。tRNA的三級結構呈倒L形,反密碼環和氨基酸臂分別位于倒L的兩端。

2.功能。

⑴mRNA是合成蛋白質的直接模板。每一種多肽鏈都有一種特定的mRNA做模板,因此細胞內mRNA的種類也是很多的。它將DNA上的遺傳信息轉錄下來,攜帶到核糖體上,在那里以密碼的方式控制蛋白質分子中氨基酸的排列順序,作為蛋白質合成的直接模板。

⑵tRNA的功能是轉運氨基酸。在蛋白質合成過程中,tRNA與合成蛋白質所需的單體——氨基酸形成復合物,將氨基酸轉運到核糖體中mRNA的特定位置上。

9 mRNA與反轉錄

以反義RNA為模版,通過反轉錄酶,進行的RNA轉錄

1.概念

反轉錄是以RNA為模板合成DNA的過程,也稱逆轉錄。這是DNA生物合成的一種特殊方式。

2.反轉錄酶與反轉錄過程

反轉錄過程由反轉錄酶催化,該酶也稱依賴RNA的DNA聚合酶(RDDP),即以RNA為模板催化DNA鏈的合成。合成的DNA鏈稱為與RNA互補DNA(cDNA)。反轉錄酶存在于一些RNA病毒中,可能與病毒的惡性轉化有關。人類免疫缺陷病毒(HIV)也是一種RNA病毒,含有反轉錄酶。在小鼠及人的正常細胞和胚胎細胞中也有反轉錄酶,推測可能與細胞分化胚胎發育有關。

反轉錄的簡要過程表示如下:

3.生物學意義

反轉錄的發現有重要的理論意義和實踐意義。

(1)對分子生物學的中心法則進行了修正和補充,修正后的中心法則表示為:

(2)在致癌病毒的研究中發現了癌基因,在人類一些癌細胞如膀胱癌、小細胞肺癌等細胞中,也分離出與病毒癌基因相同的堿基序列,稱為細胞癌基因或原癌基因。癌基因的發現為腫瘤病機理的研究提供了很有前途的線索。

(3)在實際工作中有助于基因工程的實施。由于目的基因的轉錄產物易于制備,可將mRNA反向轉錄形成DNA用以獲得目的基因。

相關文獻

詞條mRNAbanlang创建
參與評價: ()

相關條目:

參與討論
  • 評論總管
    2018/10/24 4:56:03 | #0
    歡迎您對mRNA進行討論。您發表的觀點可以包括咨詢、探討、質疑、材料補充等學術性的內容。
    我們不歡迎的內容包括政治話題、廣告、垃圾鏈接等。請您參與討論時遵守中國相關法律法規。
抱歉,功能升級中,暫停討論
特別提示:本文內容為開放式編輯模式,僅供初步參考,難免存在疏漏、錯誤等情況,請您核實后再引用。對于用藥、診療等醫學專業內容,建議您直接咨詢醫生,以免錯誤用藥或延誤病情,本站內容不構成對您的任何建議、指導。

本頁最后修訂于 2009年2月18日 星期三 15:23:10 (GMT+08:00)
關于醫學百科 | 隱私政策 | 免責聲明
京ICP備13001845號

京公網安備 11011302001366號


鏈接及網站事務請與Email:聯系 編輯QQ群:8511895 (不接受疾病咨詢)