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信使核糖核酸

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mRNA在真核細胞中的交互作用。Pre-mRNA經由轉錄被創造出來;在經過增加5'端帽、剪接和加上多聚腺苷酸尾鏈之後成為mRNA,被運送到細胞質,然後由核糖體進行轉譯產生蛋白質。

信使RNA英语:messenger RNA縮寫mRNA),是由DNA經由轉錄而來,帶著相應的遺傳訊息,為下一步轉譯蛋白質提供所需的訊息。在细胞中,mRNA從合成到被降解,經過了數個步驟。在轉錄的過程中,第二型RNA聚合酶(RNA polymerase II)從DNA中複製出一段遺傳訊息到前mRNA(尚未經過修飾或是部份經過修飾的mRNA,稱作pre-messenger RNA,pre-mRNA,或是heterogeneous nuclear RNA,hnRNA)上。在原核生物中,除了5'加帽之外mRNA並未被進一步處理(但有些罕有的特例),而經常是邊轉錄邊轉譯。在真核生物中,轉錄跟轉譯發生在細胞的不同位置,轉錄發生在儲存DNA的細胞核中,而轉譯是發生在細胞質中。不過,曾有研究學者認為真核生物亦有邊轉錄邊轉譯的現象[1],只是這個觀點並未被廣泛接受。

在真核生物中,mRNA在準備好轉譯前需要經過多個處理步驟:

  1. 首先pre-mRNA需要加上一個5'端帽(capping)--經過甲基化(methylation)修飾的鳥嘌呤被加到mRNA的3'端。這個5'端帽對於mRNA運輸到細胞質並與之後接到適當的核糖體,以及mRNA本身的穩定是相當重要的。mRNA如果缺乏5'端帽,則很容易就被降解掉。而mRNA由5'到3'的降解亦是由移除5'端帽開始。
  2. mRNA剪接(mRNA splicing)--mRNA前體去除掉內含子而保留外顯子的修飾過程。通常mRNA前體能經由數種不同的剪接方式,產生不同組態/型式的mRNA,使一段基因在不同的組織或發育過程中能經過轉錄-剪接-轉譯後產生不同型式的蛋白質,進而擁有不同的作用,或是產生出穩定性差的mRNA達到調控基因表達的目的。這種剪接型態叫做選擇性剪接。絕大部分mRNA的剪接都是由剪接體所執行,只有少數例外,例如histone mRNA沒有內含子,但是其pre-mRNA卻需要經由另外的剪接方式才能產生成熟mRNA[2]。以上所述為分子內剪接(cis-splicing),而mRNA剪接作用亦可發生在不同mRNA分子之間(trans-splicing),後者常見於原生生物的mRNA剪接[3]。除了mRNA之外,有些RNA分子也有能力催化自身的修剪,例如核酸酶會做自我切除,而第I或第II型外顯子在特殊環境下可以不藉由蛋白質酵素的作用而進行剪接,稱為自剪接作用。
  3. 多聚腺苷酸化(polyadenylation)--藉由酵素多聚腺苷酸聚合酶(poly(A) + polymerase),在mRNA前體的3'端上加上了一段數個腺嘌呤序列(通常是數百個),(這項修飾並不會出現在原核生物中)。這段多聚腺苷酸尾鏈在轉錄的時候,會因為mRNA上一段特殊的訊息,AAUAAA,而在mRNA後方特定位置上加上多聚腺苷酸尾鏈。多聚腺苷酸尾鏈會被多聚腺苷酸結合蛋白(poly(A) + tail-binding protein, PABP)辨識並保護住。這段AAUAAA訊號的重要性可以從以下這個例子看出:當要轉錄時,DNA分子上的AATAAA片段如果產生突變,將會導致某些血紅素缺陷[4]。另外,對於部分histone mRNA而言,此過程是不被需要的[2]
  4. 單一核苷酸修飾(RNA editing)--有些mRNA的形成過程中會在特殊的核苷酸上進行修飾,如加上甲基或醇基。而這種修飾會改變tRNA對mRNA上密碼子的識別,更可能改變了蛋白質上胺基酸的組成。

多聚腺苷酸化(polyadenylation)能增加轉錄的半生期,使得mRNA在細胞中的存在時間能延長得久一些,因此能再轉譯出更多的蛋白質。

pre-mRNA在被修飾過之後(包含RNA剪接及加上5'端帽與3'端上多聚腺苷酸尾),形成成熟的mRNA,從而可準備進行轉譯。成熟mRNA從細胞核被送出到細胞質中,然後核糖體結合在其上,開始轉譯出蛋白質[5]。隨著時間進行,mRNA的多聚腺苷酸尾會被專門的外切核酸酶縮短,而5'端帽也可能被除去,使得該聚合物易受到核酸外切酵素的影響而被降解[6]

成熟真核细胞的mRNA的結構。一個完整的mRNA包括有5'端帽5'非翻译区編碼區3'非翻译区和poly(A)尾鏈。

非編碼區/未翻譯區[编辑]

在RNA起始密碼子英语Start codon之前,與終止密碼子(stop codon)之後,各有一段非編碼區,各被稱作5'UTR與3'UTR,(5'與3'非編碼區,因為DNA與RNA分子都是由5'端到3'端,也就是說這些區域是在RNA分子的兩端)是屬於不轉譯出蛋白質的序列。然而,這些區域的重要性在於它們的序列有可能藉由這些區域與不同的RNA結合蛋白(RNA-binding protein)結合,進而改變在細胞中的位置、決定mRNA的穩定性/半生期,以及對細胞受到刺激時的反應而生的轉譯調控。這些都是與細胞調控本身的活性有關。

在UTRs上的某些蛋白質複合物不僅能影響RNA的穩定度,也能促進轉譯效率或是抑制轉譯,這多是依據位在UTRs上的序列而定。有些在UTR上的基因遺傳的變異也會造成上述的RNA穩定度或是轉譯效率的改變。[7]

一些包含在UTRs的功能性序列,常能形成一些有特性的二級結構,這些造成二級結構也牽扯到調節mRNA本身。某些序列,像是SECIS,是蛋白質結合區[來源請求]其中一類的mRNA元素,riboswitches,能直接結合上小分子,改變了mRNA自身的摺疊結構,也影響了轉錄或是轉譯作用[來源請求]。另外,有些mRNA的3'UTR含有AU-rich elemnet(ARE),能影響到mRNA的半生期[來源請求]。換句話說,mRNA分子可以進行自我調控。

mRNA密码子与氨基酸的对应[编辑]

氨基酸生化性质 非极性 极性 基本 酸性 终止密码子
标准遗传密码
碱基1 碱基2 碱基3
U C A G
U UUU (Phe/F)

苯丙氨酸

UCU (Ser/S)

丝氨酸

UAU (Tyr/Y)

酪氨酸

UGU (Cys/C)

半胱氨酸

U
UUC UCC UAC UGC C
UUA (Leu/L)

亮氨酸

UCA UAA[B] 终止(赭石) UGA[B] 终止(蛋白石) A
UUG UCG UAG[B] 终止(琥珀) UGG (Trp/W)色氨酸 G
C CUU CCU (Pro/P)

脯氨酸

CAU (His/H)

组氨酸

CGU (Arg/R)

精氨酸

U
CUC CCC CAC CGC C
CUA CCA CAA (Gln/Q)

谷氨酰胺

CGA A
CUG CCG CAG CGG G
A AUU (Ile/I)

异亮氨酸

ACU (Thr/T)

苏氨酸

AAU (Asn/N)

天冬酰胺

AGU (Ser/S)

丝氨酸

U
AUC ACC AAC AGC C
AUA ACA AAA (Lys/K)

赖氨酸

AGA (Arg/R)

精氨酸

A
AUG[A] (Met/M)

甲硫氨酸

ACG AAG AGG G
G GUU (Val/V)

缬氨酸

GCU (Ala/A)

丙氨酸

GAU (Asp/D)

天冬氨酸

GGU (Gly/G)

甘氨酸

U
GUC GCC GAC GGC C
GUA GCA GAA (Glu/E)

谷氨酸

GGA A
GUG GCG GAG GGG G
A 密码子AUG同时编码甲硫氨酸并作为起始点:在信使RNA的编码区里,首个ATG的出现标志着蛋白质翻译的开始。[8]
B ^ ^ ^ 标示终止密码子为琥珀、赭石和蛋白石的历史原因可在悉尼·布伦纳(Sydney Brenner)的自传[9]和鲍勃·埃德加(Bob Edgar)的一篇历史性文章中找到。[10]

反義RNA(anti-sense RNA)[编辑]

在許多真核生物中,當反義RNA上的鹼基與基因的某段mRNA互補時,反義RNA可以抑制轉譯。反義RNA存在於細胞中之時,其互補的基因就不會合成蛋白質。這也許是一種對抗反轉錄轉座子病毒複制的一種機制(retrotransposons是以雙股RNA作中介狀態的转座子),因為這兩者都能使用雙链RNA當中介物。在生物化學的研究中,藉由使用一段反義mRNA使得標靶mRNA無法作用(RNA干擾),這種方法已經被广泛用于研究基因的功能;例如利用RNA干擾技术,秀麗隱桿線蟲中所有基因的作用幾乎已經被研究完了。

参考文献[编辑]

  1. ^ Iborra FJ, Jacson DA, Cook PR. Coupled transcription and translation within nuclei of mammalian cells. Science. 2001, 293 (5532): 1139–42. PMID 11423616. 
  2. ^ 2.0 2.1 William F. Marzluff, Eric J. Wagner & Robert J. Duronio. Metabolism and regulation of canonical histone mRNAs: life without a poly(A) tail. Nature Reviews Genetics. November 2008, 9 (11): 843–854. PMC 2715827. PMID 18927579. doi:10.1038/nrg2438. 
  3. ^ Glanz, Stephanie; KĂźck, Ulrich. Trans-splicing of organelle introns - a detour to continuous RNAs. BioEssays (Wiley-Blackwell). 2009, 31 (9): 921–934 [2017-02-28]. doi:10.1002/bies.200900036. 
  4. ^ Higgs DR, Goodbourn SE, Lamb J, Clegg JB, Weatherall DJ, Proudfoot NJ. Alpha-thalassaemia caused by a polyadenylation signal mutation. Nature. 1983, 306 (5941): 398–400. PMID 6646217. 
  5. ^ Berg,Tymoczko & Stryer(2007),第841页
  6. ^ Sachs, Alan B. Messenger RNA degradation in eukaryotes. Cell (Elsevier BV). 1993, 74 (3): 413–421 [2017-02-28]. doi:10.1016/0092-8674(93)80043-e. 
  7. ^ Lu YF, Mauger DM, Goldstein DB, Urban TJ, Weeks KM, Bradrick SS. IFNL3 mRNA structure is remodeled by a functional non-coding polymorphism associated with hepatitis C virus clearance. Scientific Reports. Nov 2015, 5: 16037. PMID 26531896. doi:10.1038/srep16037. 
  8. ^ Nakamoto T. Evolution and the universality of the mechanism of initiation of protein synthesis. Gene. March 2009, 432 (1–2): 1–6. PMID 19056476. doi:10.1016/j.gene.2008.11.001. 
  9. ^ Brenner S. A Life in Science (2001) Published by Biomed Central Limited ISBN 0-9540278-0-9 see pages 101-104
  10. ^ The genome of bacteriophage T4: an archeological dig. Genetics. 2004, 168 (2): 575–82. PMC 1448817. PMID 15514035. 

參見[编辑]