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真核生物mRNA结构示意图
成熟蛋白编码区的二级结构
真核生物mRNA5'端的帽子结构

  从脱氧核糖核酸 (DNA)转录合成的带有遗传信息的一类单链核糖核酸(RNA),它在核糖体上作为蛋白质合成的模板,决定肽链的氨基酸排列顺序。1961年F.雅各布和J.莫诺根据大肠杆菌诱导酶生成的实验结果提出:信息从DNA到蛋白质之间的转移,必需有一种RNA起传递作用,由此提出了信使核糖核酸的名称。

  生物体内的每种多肽链都由特定的mRNA编码,所以细胞内mRNA的种类很多,但通常每种mRNA的拷贝数极少(1~10个)。根据信息密码学说,3个连续的核苷酸可以编码一个氨基酸,因此从已知mRNA(或DNA)核苷酸顺序可以准确推导出蛋白质的一级结构。

目录

存在范围和性质

  mRNA存在于原核和真核生物的细胞质及真核细胞的某些细胞器(如线粒体叶绿体)中。RNA病毒和RNA噬菌体中的 RNA既是遗传信息的载体又具有mRNA的功能。生物体mRNA种类的多少与生物进化水平有关,高等生物所含的遗传信息多,mRNA的种类也多。生物体内某种mRNA的含量根据需要而有不同,如5龄蚕后部丝腺体的主要任务是快速合成大量丝心蛋白,因而编码丝心蛋白的mRNA含量特别多。有些细菌需要不断适应外部环境,其体内编码某些诱导酶的mRNA的含量也较多。

  原核和真核生物 mRNA有不同的特点: ①原核生物mRNA常以多顺反子(见基因)的形式存在,即一条mRNA链编码几种功能相关联的蛋白质。真核生物mRNA一般以单顺反子的形式存在,即一种mRNA只编码一种蛋白质。②原核生物mRNA的转录与翻译一般是偶联的,即转录尚未完毕,蛋白质的转译合成就已开始。真核生物转录的mRNA前体则需经转录后加工,加工为成熟的mRNA与蛋白质结合生成信息体后才开始工作。信息体中蛋白质与RNA之比约为3。③原核生物mRNA半寿期很短,一般为几分钟,最长只有数小时(RNA噬菌体中的RNA除外)。真核生物mRNA的半寿期较长,如胚胎中的mRNA可达数日。④原核与真核生物mRNA的结构特点也不同。

一级结构与功能的关系

  原核生物mRNA一般5'端有一段不翻译区,称前导顺序,3'端有一段不翻译区,中间是蛋白质的编码区,一般编码几种蛋白质。如大肠杆菌乳糖操纵子mRNA编码3条多肽链;色氨酸操纵子mRNA编码5条多肽链。也有单顺反子形式的细菌mRNA,如大肠杆菌脂蛋白mRNA。原核生物mRNA分子中一般没有修饰核苷酸,也没有5'端帽子结构和3'端聚腺苷酸尾巴。在原核生物mRNA的起始密码子(AUG)附近(5'方向上游)的一小段长短不等的顺序,含有较多的嘌呤核苷酸,被称为SD顺序。它能和核糖体小亚基上的16SrRNA的3'端富含嘧啶核苷酸的区域配对结合,有助于带有甲酰甲硫氨酸的起始tRNA识别mRNA上的起始密码(AUG),使肽链合成从此开始。这段顺序是1974年由J.夏因和L.达尔加诺发现的,所以称为SD顺序,也称核糖体结合部位。原核生物mRNA的编码区一般编码几种功能上相关联的蛋白质,两种蛋白质的编码区之间常有一小段不翻译的顺序,叫做间隔区。有的噬菌体RNA中2个相邻的顺反子共用一段相同的编码顺序,例如,MS2噬菌体RNA中的溶菌蛋白编码区共225个核苷酸中有189个核苷酸是由相邻两个蛋白质共用的。原核mRNA与真核mRNA一样使用同一套三联体密码子(真核生物线粒体mRNA有例外)。原核生物合成氨基酸的操纵子mRNA的5' 端前导顺序上有一段顺序称作弱化子。弱化子具有两种可以互变的构象,其中一种构象是转录终止的信号,能使转录中止(或衰减)。衰减调节是原核生物合成氨基酸的调控方式之一(见转录)。

  真核生物 mRNA(细胞质中的)一般由5'端帽子结构、5'端不翻译区、翻译区(编码区)、3'端不翻译区和3'端聚腺苷酸尾巴构成(图1a);分子中除M7G构成帽子外,常含有其他修饰核苷酸,如m6A等。5'端帽子结构通常有3种类型,即:M7G(5')ppp(5')N;M7G(5')ppp(5')NmN和M7G(5')ppp(5')NmNmN。图1b是帽子的化学结构,N右边的m代表核糖2'位羟基的甲基化。真核细胞线粒体中的mRNA无帽子结构。一般认为帽子的功能与翻译的启动有关。许多真核生物 mRNA(如珠蛋白mRNA)除去帽子后翻译效率大大降低。5'端不翻译区,也叫前导顺序。不同的真核mRNA的前导顺序长度不同,有的只有10个核苷酸,有的则有200个核苷酸。与原核mRNA相似,真核mRNA5'端不翻译区中常有一段顺序与核糖体小亚基上的18SrRNA的3'端的一段顺序互补并结合,这种结合与真核mRNA的翻译启动有关。

  翻译区(编码区)使用的密码子除线粒体(如人、牛和酵母线粒体)外与原核生物mRNA是一样的。真核生物mRNA的起始密码子都是AUG。 真核和原核生物mRNA使用的密码子也都有“简并现象”,即几种不同的密码子翻译出同一种氨基酸,但不同的mRNA中简并密码子的利用率是不同的,真核与原核生物之间的差别就更大。mRNA的终止密码子有3个(UAG、UGA和UAA),其功能是停止翻译,一般只用一个终止密码子就能使翻译停止。有的mRNA有2个连续的终止密码子(见遗传密码)。3'端不翻译区的长短在不同的mRNA上有所不同,β珠蛋白mRNA只有39个核苷酸,而卵白蛋白mRNA则有637个核苷酸。真核生物mRNA3'端不翻译区常有 AAUAA(A)或AUUUA(A)等顺序,它们和识别多聚A聚合酶及装配多聚A尾巴有关。除个别组蛋白mRNA外,真核生物mRNA3'端均有多聚A尾巴。3'端多聚A尾巴的长度随来源不同而不同,且随mRNA的老化而变短,通常有20~200个A。多聚A与mRNA稳定性及mRNA从细胞核转到细胞浆中有关。

真核生物mRNA的前体

  真核生物mRNA通常都有相应的前体。 从DNA转录产生的原始转录产物可称作原始前体(或mRNA前体)。 一般认为原始前体要经过hnRNA核不均-RNA的阶段,最终才被加工为成熟的 mRNA。hnRNA上的蛋白质编码区被一些居间顺序分隔成若干段;不同的基因转录产物所含的居间顺序的数目不同,人胰岛素只有两个,而牛眼的晶体蛋白则含有数十个;居间顺序的长短也各不相同,从数十个到上千个核苷酸(鸡卵白蛋白有一个1550个核苷酸的居间顺序)。居间顺序将在剪接过程中去除。约有10~40%的hnRNA含有3′端多聚A尾巴。hnRNA经过进一步加工切除居间顺序并把分隔的蛋白质编码区连接起来,最终成为成熟的mRNA。

二级结构与功能的关系

  通常mRNA(单链)分子自身回折产生许多双链结构(图2)原核生物,例如MS2噬菌体RNA外壳蛋白编码区,经计算有66.4%的核苷酸以双链结构的形式存在。MS2RNA能翻译4种蛋白质,但效率各不相同。在通常条件下翻译外壳蛋白(其编码区在成熟蛋白的下游)的效率高于成熟蛋白的效率。但用甲醛处理MS2RNA破坏二级结构后,则翻译成熟蛋白的效率提高。图2中外壳蛋白的起始密码子 AUG(1335~1337)通常处于环(Loop)的顶端,暴露在外面,因而易于与翻译的启动因子结合而进行翻译。成熟蛋白的编码区尽管处在外壳蛋白的前面,但其起始密码子GUG(130~132)却埋在二级结构之中,故翻译效率低,只有将二级结构松开(如甲醛处理)之后才能被翻译。可见mRNA分子的二级结构对翻译蛋白质的效率有很大影响。

  真核生物mRNA也具有丰富的二级结构,如鸭珠蛋白mRNA和兔珠蛋白mRNA分别有45~60%和55~62%的核苷酸残基处在碱基配对之中。在真核生物蛋白质启动复合物中,40S核糖体实际上覆盖着mRNA上包括帽子结构在内的50~54个核苷酸,但是40S核糖体的大小比50个核苷酸的长度小得多。由于形成的发夹结构(二级结构使帽子与起始密码子之间的空间距离缩短)(图3),造成40S核糖体能够覆盖包括帽子结构和起始密码子 AUG在内的50多个核苷酸,从而启动蛋白质合成。不同的mRNA中发夹结构的有无或多少各不相同。在蛋白质合成肽链继续延伸时,不需要帽子结构参加,此时核糖体覆盖的mRNA的区域约为25~35个核苷酸,mRNA的构象已不同于启动阶段而是处于一种伸展的状态,从而有利于转译的延续。可见,折叠起来的mRNA二级结构有利于蛋白质合成的启动,以后mRNA处于伸展的状态则有利于转译的继续。

  参考书目

  王德宝、祁国荣:《核酸 结构、功能与合成》(上、下),科学出版社,北京,1986,1987。

  W.E.Cohn and E.Volkin,Progress in Nucleic Acid Research and Molecular Biology,Vol.19, mRNA,The Relation of Structure to function,Academic Press,New York et al.,1976.

  W.I.P.Mainwaring et.al.,Nucleic Acid Biochemistry and Molecular Biology, Blackwell Scientific Publications,Oxford,London,1982.

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