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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] 。
成熟真核细胞 的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 [ 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 ]
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 .
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^ 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 .
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^ 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 .
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^ 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 .