信使核糖核酸

 

　　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。
　　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（如线粒体和叶绿体）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＇)N_mN和M⁷G(5＇)ppp（5＇）N_mN_mN。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 Biochemi-stry and Molecular Biology, Blackwell Scientific Publications,Oxford,London,1982.

 

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