信使核糖核酸
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信使核糖核酸(英语:messenger ribonucleic acid,缩写:mRNA),是由DNA经由转录而来,带着相应的遗传讯息,为下一步翻译成蛋白质提供所需的讯息。在细胞中,mRNA从合成到被降解,经过了数个步骤。在转录的过程中,第二型RNA聚合酶(RNA polymerase II)从DNA中复制出一段遗传讯息到前mRNA(尚未经过修饰或是部分经过修饰的mRNA,英文pre-messenger RNA,简称pre-mRNA,或是heterogeneous nuclear RNA,简称hnRNA)上。在原核生物中,除了5'加帽之外mRNA并未被进一步处理(但有些罕有的特例),而经常是边转录边翻译。在真核生物中,转录跟翻译发生在细胞的不同位置,转录发生在储存DNA的细胞核中,而翻译是发生在细胞质中。不过,曾有研究学者认为真核生物亦有边转录边翻译的现象[1],只是这个观点未被广泛接受。
转录后修饰
[编辑]在真核生物中,mRNA在准备好翻译前需要经过多个处理步骤:
- 首先pre-mRNA需要加上一个5'端帽(capping)--经过甲基化(methylation)修饰的鸟嘌呤被加到mRNA的3'端。这个5'端帽对于mRNA运输到细胞质并与之后接到适当的核糖体,以及mRNA本身的稳定是相当重要的。mRNA如果缺乏5'端帽,则很容易就被降解掉。而mRNA由5'到3'的降解亦是由移除5'端帽开始。
- mRNA剪接(mRNA splicing)--mRNA前体去除掉内含子而保留外显子的修饰过程。通常mRNA前体能经由数种不同的剪接方式,产生不同组态/型式的mRNA,使一段基因在不同的组织或发育过程中能经过转录-剪接-翻译后产生不同型式的蛋白质,进而拥有不同的作用,或是产生出稳定性差的mRNA达到调控基因表达的目的。这种剪接型态叫做选择性剪接。绝大部分mRNA的剪接都是由剪接体所执行,只有少数例外,例如histone mRNA没有内含子,但是其pre-mRNA却需要经由另外的剪接方式才能产生成熟mRNA[2]。以上所述为分子内剪接(cis-splicing),而mRNA剪接作用亦可发生在不同mRNA分子之间(trans-splicing),后者常见于原生生物的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,例如核酸酶会做自我切除,而第I或第II型外显子在特殊环境下可以不借由蛋白质酵素的作用而进行剪接,称为自剪接作用。
- 多聚腺苷酸化(polyadenylation)--借由酵素多聚腺苷酸聚合酶(poly(A) + polymerase),在mRNA前体的3'端上加上了一段数个腺嘌呤序列(通常是数百个),(这项修饰并不会出现在原核生物中)。这段多聚腺苷酸尾链在转录的时候,会因为mRNA上一段特殊的讯息,AAUAAA,而在mRNA后方特定位置上加上多聚腺苷酸尾链。多聚腺苷酸尾链会被多聚腺苷酸结合蛋白(poly(A) + tail-binding protein, PABP)辨识并保护住。这段AAUAAA讯号的重要性可以从以下这个例子看出:当要转录时,DNA分子上的AATAAA片段如果产生突变,将会导致某些血红素缺陷[4]。另外,对于部分histone mRNA而言,此过程是不被需要的[2]。改变tRNA对mRNA上密码子的识别,更可能改变了蛋白质上氨基酸的组成。
多聚腺苷酸化(polyadenylation)能增加转录的半生期,使得mRNA在细胞中的存在时间能延长得久一些,因此能再翻译出更多的蛋白质。
在pre-mRNA在被修饰过之后(包含RNA剪接及加上5'端帽与3'端上多聚腺苷酸尾),形成成熟的mRNA,从而可准备进行翻译。成熟mRNA从细胞核被送出到细胞质中,然后核糖体结合在其上,开始翻译出蛋白质[5]。随着时间进行,mRNA的多聚腺苷酸尾会被专门的外切核酸酶缩短,而5'端帽也可能被除去,使得该聚合物易受到核酸外切酵素的影响而被降解[6]。
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非编码区/未翻译区
[编辑]在RNA起始密码子之前,与终止密码子(stop codon)之后,各有一段非编码区,各被称作5'UTR与3'UTR,(5'与3'非编码区,因为DNA与RNA分子都是由5'端到3'端,也就是说这些区域是在RNA分子的两端)是属于不翻译出蛋白质的序列。然而,这些区域的重要性在于它们的序列有可能借由这些区域与不同的RNA结合蛋白(RNA-binding protein)结合,进而改变在细胞中的位置、决定mRNA的半生期,以及对细胞受到刺激时的反应而生的翻译调控。这些都是与细胞调控本身的活性有关。
在UTRs上的某些蛋白质复合物不仅能影响RNA的稳定度,也能促进翻译效率或是抑制翻译,这多是依据位在UTRs上的序列而定。有些在UTR上的基因遗传的变异也会造成上述的RNA稳定度或是翻译效率的改变。[7]
一些包含在UTRs的功能性序列,常能形成一些有特性的二级结构,这些造成二级结构也牵扯到调节mRNA本身。某些序列,像是SECIS,是蛋白质结合区[来源请求]。其中一类的mRNA元素,riboswitches,能直接结合上小分子,改变了mRNA自身的折叠结构,也影响了转录或是翻译作用[来源请求]。另外,有些mRNA的3'UTR含有AU-rich elemnet(ARE),能影响到mRNA的半生期[来源请求]。换句话说,mRNA分子可以进行自我调控。
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 | 碱性 | 酸性 | 终止密码子 |
碱基1 | 碱基2 | 碱基3 | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
U | C | A | G | ||||||
U | UUU | (Phe/F) |
UCU | (Ser/S) |
UAU | (Tyr/Y) |
UGU | (Cys/C) |
U |
UUC | UCC | UAC | UGC | C | |||||
UUA | (Leu/L) |
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) |
CAU | (His/H) |
CGU | (Arg/R) |
U | |
CUC | CCC | CAC | CGC | C | |||||
CUA | CCA | CAA | (Gln/Q) |
CGA | A | ||||
CUG | CCG | CAG | CGG | G | |||||
A | AUU | (Ile/I) |
ACU | (Thr/T) |
AAU | (Asn/N) |
AGU | (Ser/S) |
U |
AUC | ACC | AAC | AGC | C | |||||
AUA | ACA | AAA | (Lys/K) |
AGA | (Arg/R) |
A | |||
AUG[A] | (Met/M) |
ACG | AAG | AGG | G | ||||
G | GUU | (Val/V) |
GCU | (Ala/A) |
GAU | (Asp/D) |
GGU | (Gly/G) |
U |
GUC | GCC | GAC | GGC | C | |||||
GUA | GCA | GAA | (Glu/E) |
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]
反义RNA
[编辑]在许多真核生物中,当反义RNA上的碱基与基因的某段mRNA互补时,反义RNA(anti-sense RNA)可以抑制翻译。反义RNA存在于细胞中之时,其互补的基因就不会合成蛋白质。这也许是一种对抗逆转录转座子或病毒复制的一种机制(retrotransposons是以双股RNA作中介状态的转座子),因为这两者都能使用双链RNA当中介物。在生物化学的研究中,借由使用一段反义mRNA使得标靶mRNA无法作用(RNA干扰),这种方法已经被广泛用于研究基因的功能;例如利用RNA干扰技术,秀丽隐杆线虫中所有基因的作用几乎已经被研究完了。
参考文献
[编辑]- ^ Iborra FJ, Jacson DA, Cook PR. Coupled transcription and translation within nuclei of mammalian cells. Science. 2001, 293 (5532): 1139–42. PMID 11423616.
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ Berg, Tymoczko & Stryer 2007,第841页
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ Brenner S. A Life in Science (2001) Published by Biomed Central Limited ISBN 0-9540278-0-9 see pages 101-104
- ^ The genome of bacteriophage T4: an archeological dig. Genetics. 2004, 168 (2): 575–82. PMC 1448817
. PMID 15514035.
参见
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