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mRNA

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mRNA在真核细胞中的交互作用。Pre-mRNA经由转录被创造出来;在经过增加5'端帽、剪接和加上多聚腺苷酸尾链之后成为mRNA,被运送到细胞质,然后由核糖体进行翻译产生蛋白质。

信使RNA(messenger RNA,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mRNA前体pre-mRNA(尚未经过修饰或是部分经过修饰的mRNA,称作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],只是这个观点并未被广泛接受。

在真核生物中,mRNA在准备好翻译前需要经过多个处理步骤:

  1. 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5'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。
  2. 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[来源请求]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[来源请求]。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。
  3. 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[2]
  4. 单一核苷酸修饰(RNA editing)--有些mRNA的形成过程中会在特殊的核苷酸上进行修饰,如加上甲基或醇基。而这种修饰会改变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。

pre-mRNA在被修饰过之后(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,置换5'端帽结合蛋白,并形成5'-3'头尾相连的环状结构,然后核糖体结合在其上,开始翻译出蛋白质[来源请求]在经过一段时间之后,mRNA就会被运输到细胞质的特殊斑块区(P-bodies)并被一系列的核糖核酸酶(en:RNasesen:Ribonuclease)降解核苷酸[来源请求]

mature eukaryotic mRNA的结构。一个完整的 mRNA 包括有 5'端帽5'非翻译区编码区3'非翻译区和poly(A)尾链。

非编码区/未翻译区

在RNA启始密码子(start codon)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的稳定性/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[来源请求]

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

  • 说明:横向为第二位核苷酸,纵向为第三位核苷酸[3]
第一位核苷酸为U
A C G U
G 终止密码子 丝氨酸 色氨酸 亮氨酸
A 终止密码子
C 酪氨酸 半胱氨酸 苯丙氨酸
U
第一位核苷酸为C
A C G U
G 谷氨酰胺 脯氨酸 精氨酸 亮氨酸
A
C 组氨酸
U
第一位核苷酸为A
A C G U
G 赖氨酸 苏氨酸 精氨酸 起始密码子
甲硫氨酸
A 异亮氨酸
C 天冬酰胺 丝氨酸
U
第一位核苷酸为G
A C G U
G 谷氨酸 丙氨酸 甘氨酸 起始密码子
缬氨酸
A 缬氨酸
C 天冬氨酸
U

反义RNA (anti-sense RNA)

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en:retrotransposons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

  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. ^ 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. 
  3. ^ 上海市中小学(幼儿园)课程改革委员会. 6.2.3 遗传信息的翻译. 生命科学 高中第二册 试用本. 上海科学技术出版社. : p.51. ISBN 9787532388394 (简体中文). 

参见