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信使RNA是由DNA經hnRNA剪接而成,攜帶遺傳信息的能指導蛋白合成的一類單鏈核糖核酸。信使核糖核酸(Message RNA),攜帶遺傳信息,在蛋白質合成時充當模板,從脫氧核糖核酸(DNA)轉錄合成的帶有遺傳信息的一類單鏈核糖核酸。

1 信使RNA -基本信息

信使RNA是由DNA經hnRNA剪接而成,攜帶遺傳信息的能指導蛋白合成的一類單鏈核糖核酸。信使核糖核酸(Message RNA),攜帶遺傳信息,在蛋白質合成時充當模板,從脫氧核糖核酸(DNA)轉錄合成的帶有遺傳信息的一類單鏈核糖核酸(RNA)。它在核糖體上作為蛋白質合成的模板,決定肽鏈的氨基酸排列順序。mRNA存在於原核生物和真核生物的細胞質及真核細胞的某些細胞器(如線粒體和葉綠體)中。

信使RNA信使RNA

信使RNA為真核和原核生物的細胞中三種主要RNA類型之一。一個活細胞能產生上千種分子量大小不同的mRNA,占細胞中RNA總量的2%~5%。一般地,一種蛋白質就有一種對應的mRNA分子,但也有幾種蛋白質由一條mRNA鏈翻譯來的情況,因為不同蛋白質所對應的mRNA分子量是不同的。mRNA是DNA的第一轉錄產物,它是以雙鏈DNA中的一條鏈為模板,按A對U(T對A)、C對G的配對互補規律,在RNA聚合酶的作用下合成的,故它的鹼基組成與DNA相對應。在蛋白質合成時,mRNA攜帶DNA上的遺傳信息,決定蛋白質肽鏈的氨基酸順序。mRNA在代謝上是不穩定的。在原核生物中mRNA的壽命很短,在蛋白質合成后不久即分解。真核生物的mRNA也是不穩定的,但壽命較原核生物中的mRNA要長得多,一般可達幾到幾十小時之久。真核生物體內,往往是DNA先轉錄成分子量較大的mRNA前體,然後很迅速地在核仁中通過一系列加工修飾和剪接,從而得到成熟mRNA。

通常mRNA(單鏈)分子自身回折產生許多雙鏈結構。原核生物,經計算有66.4%的核苷酸以雙鏈結構的形式存在。真核生物mRNA也具有豐富的二級結構,摺疊起來的mRNA二級結構有利於蛋白質合成的啟動,以後mRNA處於伸展的狀態則有利於轉譯的繼續。
  

2 信使RNA -信使RNA的發現

  
1955年Brachet用洋蔥根尖和變形蟲進行了實驗;若加入RNA酶降解細胞中的RNA,則蛋白質合成就停止,若再加入從酵母中提取的RNA,則又可以重新合成一些蛋白質,這就表明,蛋白質的合成是依賴於RNA。
 
同年Goldstein和Plaut用同位素標記變形蟲(Amoebaproteus)RNA前體,發現標記的RNA都在核內,表明RNA是在核內合成的。在標記追蹤(pulse-chase)實驗中,用短脈衝標記RNA前體,然後將細胞核轉移到未標記的變形蟲中。經過一段時間發現被標記的RNA分子已在細胞質中,這就表明RNA在核中合成,然後轉移到細胞質內,而蛋白質就在細胞質中合成,因此RNA就成為在DNA和蛋白質之間傳遞信息的信使的最佳候選者。
  
1956年ElliotVolkin和LawrenceAstrachan作了一項很有意思的觀察:當E.coli被T2感染,迅速停止了RNA的合成,但噬菌的RNA卻開始迅速合成。用同位素脈衝一追蹤標記表明噬菌的RNA在很短的時間內就進行合成,但很快又消失了,表明RNA的半衰期是很短的。由於這種新合成的RNA的鹼基比和T2的DNA鹼基比相似,而和細菌的鹼基比不同,所以可以確定新合成的RNA是T2的RNA。由於T2感染細菌時注入的是DNA,而在細胞里合成的是RNA,可見DNA是合成RNA的模板。最令人信服的證據來自DNA-RNA的雜交實驗。Hall.B.D和Spiegeman,S,將T2噬菌體感染E.coli后立即產生的RNA分離出來,分別與T2和E.coli的DNA進行分子雜交,結果發現這種RNA只能和T2的DNA雜交形成「雜種」鏈,而不能和E.coli的DNA進行雜交。表明T2產生的這種RNA(即mRNA)至少和T2的DNA中的一條鏈是互補的。
  
Brenner S,Jacob F.和Meselson在1961年進行了一系列的的實驗。他們將E.coli培養在15N/13C的培養基中,因此合成的RNA和蛋白都被「重」同位素所標記。也就是說凡是「重」的核糖體,RNA和蛋白都是細菌的,然後用T2感染E.coli,細菌的RNA停止合成,而開始合成T2的RNA此時用普通的「輕」培養基(14N/12C),但分別以32 P來標記新合成的T2 RNA,以35S標記新合成的T2蛋白,因此任何重新合成的核糖體、RNA,及蛋白都是「輕」的但帶但有放射性同位素。經培養一段時間后破碎細胞,加入過量的輕的核糖體作對照,進行密度梯度離心,結果「輕」的核糖體上不具有放射性,「重」的核糖體上具有32P和35S,表明:①T2未合成核糖體,「輕」核糖體卻是后加放的。②T2翻譯時是借用了細菌原來合成的核糖體,所以核糖體並無特異性,核糖體上結合的mRNA,其序列的特異性才是指導合成蛋白質的遺傳信息,從而提出了mRNA作為「信使」的證據。因此他們將這種能把遺傳信息從DNA傳遞到蛋白質上的物質稱為「信使」。他們預言:①這種「信使」應是一個多核苷酸;②其平均分子量不小於5×105(假定密碼比是3),足以攜帶一個基因的遺傳信息;③它們至少是暫時連在核糖體上;④其鹼基組成反映了DNA的序列;⑤它們能高速更新。Jacob和Monod將它定名為信使RNA或mRNA。

3 信使RNA -信使RNA的合成與加工

DNA轉錄生成RNA 
信使RNA信使RNA的編碼與轉錄
  
一、RNA聚合酶
(一)酶的特性:以4種NTP為底物,需模板和鎂離子,合成方向也是5』-3』,但不需要引物。
(二)酶的分類:
1.噬菌體的RNA聚合酶結構簡單,是單鏈蛋白,功能也簡單。
2.細菌則具有複雜的多亞基結構(450kDa),可識別並轉錄超過1000個轉錄單位。
3.真核生物的酶有多種,根據α-鵝膏蕈鹼(環狀8肽,阻斷RNA延伸)的抑制作用可分為三類:聚合酶A對它不敏感,分佈於核仁,轉錄核糖體RNA;聚合酶B對低濃度敏感,存在於核質,轉錄信使RNA;聚合酶C位於核質,對高濃度敏感,轉錄小分子量RNA,如轉運RNA、5SRNA等。各種RNA聚合酶都是由10~15種不同亞基組成的多亞基複合物。
4.線粒體和葉綠體也有RNA聚合酶,結構簡單,能合成所有種類RNA。
  
(三)酶的構成:大腸桿菌的全酶有5個亞基(α2ββ』ωσ),含2個鋅。β催化形成磷酸二酯鍵,β』結合模板,σ亞基稱為起始因子,可使RNA聚合酶穩定地結合到啟動子上。ββ』ωσ稱為核心酶。σ亞基在不同菌種間變動較大,而核心酶比較恆定。酶與不同啟動子的結合能力不同,不同啟動因子可識別不同的啟動子。σ70識別啟動子共有序列,σ32識別熱休克基因,σ60在氮飢餓時起作用。σ通過隨機移動起作用,不需解鏈。
  
(四)模板:以完整雙鏈DNA為模板,其中僅一條鏈可轉錄。轉錄時局部解鏈,轉錄后DNA重新形成雙螺旋結構,所以DNA是全保留的。
  
二、轉錄過程
  
分為起始、延長和終止三個階段。起始包括對雙鏈DNA特定部位的識別、局部(17bp)解鏈以及在最初兩個核苷酸間形成磷酸二酯鍵。第一個核苷酸摻入的位置稱為轉錄起點。
  
起始後起始因子離開,核心酶構象改變,沿模板移動,轉錄生成雜交雙鏈(12bp),隨後DNA互補鏈取代RNA鏈,恢復DNA雙螺旋結構。延伸速度為50nt/s,酶移動17nm。錯誤概率為10-5
  
聚合酶到達終點時,在終止輔助因子的幫助下停止反應,酶和RNA鏈脫落,轉錄結束。
  
三、啟動子和轉錄因子
  
(一)定義:酶識別、結合、開始轉錄的一段DNA序列。強啟動子2s啟動一次轉錄,弱啟動子10min一次。
  
(二)原核生物:大腸桿菌在起點上游約-10鹼基對處有保守序列TATAAT,稱為pribnowbox,有助於局部解鏈。在其上游還有TTGACA,稱為-35序列,提供RNA聚合酶識別的信號。
  
(三)真核生物:複雜,差異較大。
1.信使RNA的啟動子通常有三個保守區,-25到-30有TATA框,是解鏈位置,並決定轉錄起點;-75位置有CAAT框,與RNA聚合酶的結合有關;更上游還有GC框,某些轉錄因子可結合。后兩個稱為上游因子,對轉錄起始頻率有較大影響。
2.小RNA的啟動子在轉錄區內部,有一些輔助因子幫助RNA聚合酶識別。
  
四、終止子和終止因子
  
所有原核生物的終止子在終點之前都有一個迴文結構,可使酶減慢移動或暫停合成。大腸桿菌有兩類終止子:
1.簡單終止子,迴文區有一段富含GC對的序列,迴文後有寡聚尿苷。
2.依賴ρ的終止子,必須在有ρ因子時才能發揮作用,不含GC對,也無寡聚尿苷。ρ因子是蛋白質,可與酶作用,釋放RNA,並使酶脫離。
  
某些因子可使酶越過終止子繼續轉錄,稱為通讀。常見於某些噬菌體的時序控制,早期基因與晚期基因以終止子相隔,早期基因產生抗終止因子,使發生通讀以表達晚期基因。
  
五、轉錄的調控
  
(一)遺傳信息的表達有時序調控和適應調控,轉錄水平的調控是關鍵環節,因為這是表達的第一步。轉錄調控主要發生在起始和終止階段。
  
(二)操縱子是細菌基因表達和調控的單位,有正調節和負調節因子。阻遏蛋白的作用屬於負調控。環腺苷酸通過其受體蛋白(CRP)促進轉錄,可促進許多誘導酶的合成。操縱子可構成綜合性調控網路,如SOS反應等。對終止子也有調控作用,如衰減子。
  
(三)真核生物不組成操縱子,而是通過激素、生長因子等進行調控。某些DNA序列對轉錄起增強作用,稱為增強子。
  
轉錄后加工   
一、原核生物
  
(一)核糖體RNA:大腸桿菌共有7個核糖體RNA的轉錄單位,每個轉錄單位由16S、23S、5SRNA和若干轉運RNA基因組成。16S和23S之間常由轉運RNA隔開。轉錄產物在RNA酶III的作用下裂解產生核糖體RNA的前體P16和P23,再由相應成熟酶加工切除附加序列。前體加工時還進行甲基化,產生修飾成分,特別是a-甲基核苷。N4,2』-O-二甲基胞苷(m4Cm)是16S核糖體RNA特有成分。5S核糖體RNA一般無修飾成分。
  
(二)轉運RNA:有60個基因,其加工包括:
1.內切酶在兩端切斷,大腸桿菌RNA酶P是5』成熟酶
2.外切酶從3』修剪,除去附加順序。RNA酶D是3』成熟酶
3.3』端加上CCAOH,由轉運RNA核苷醯轉移酶催化,某些轉運RNA已有,切除附加序列后即露出。
4.核苷的修飾:修飾成分包括甲基化鹼基和假尿苷,修飾酶具有高度特異性。甲基化對鹼基和序列都有嚴格要求,一般以S-腺苷甲硫氨酸為甲基供體。
  
(三)信使RNA:細菌多數不用加工,轉錄與翻譯是偶聯的。也有少數多順反子信使RNA必須由內切酶切成較小的單位,然後翻譯。如核糖體大亞基蛋白與RNA聚合酶的b亞基基因組成混合操縱子,轉錄后需經RNA酶III切開,各自翻譯。因為RNA聚合酶的合成水平低得多,切開有利於各自的翻譯調控。較長的RNA會產生高級結構,不利於翻譯,切開可改變其結構,從而影響其功能。
  
二、真核生物
  
(一)核糖體RNA:基因拷貝數多,在幾十到幾千之間。基因成簇排列在一起,由RNA聚合酶I轉錄生成一個較長的前體,哺乳動物為45S。核仁是其轉錄、加工和裝配成核糖體的場所。RNA酶III等核酸內切酶在加工中起重要作用。5SRNA基因也是成簇排列的,由RNA聚合酶III轉錄,經加工參與構成大亞基。核糖體RNA可被甲基化,主要在核苷2』羥基,比原核生物甲基化程度高。多數核糖體RNA沒有內含子,有些有內含子但不轉錄。
  
(二)轉運RNA:由RNA聚合酶III轉錄,加工與原核相似,但3』端的CCA都是后加的,還有2』-O-甲基核糖。
  
(三)信使RNA:真核生物編碼蛋白質的基因以單個基因為轉錄單位,但有內含子,需切除。信使RNA的原初轉錄產物是分子量很大的前體,在核內加工時形成大小不等的中間物,稱為核內不均一RNA(hnRNA)。其加工過程包括:
1.5』端加帽子:在轉錄的早期或轉錄終止前已經形成。首先從5』端脫去一個磷酸,再與GTP生成5』,5』三磷酸相連的鍵,最後以S-腺苷甲硫氨酸進行甲基化,形成帽子結構。帽子結構有多種,起識別和穩定作用。
2.3』端加尾:在核內完成。先由RNA酶III在3』端切斷,再由多聚腺苷酸聚合酶加尾。尾與通過核膜有關,還可防止核酸外切酶降解。
3.內部甲基化:主要是6-甲基腺嘌呤,在hnRNA中已經存在。可能對前體的加工起識別作用。
  
三、RNA的拼接
  
(一)轉運RNA的拼接:由酶催化,酶識別共同的二級結構,而不是序列。通常內含子插入到靠近反密碼子處,與反密碼子配對,取代反密碼子環。第一步由內切酶切除插入序列,不需ATP;第二步由RNA連接酶連接,需要ATP。
  
(二)四膜蟲核糖體RNA的拼接:某些四膜蟲26S核糖體RNA基因中有一個內含子,其拼接只需一價和二價陽離子及鳥苷酸或鳥苷存在即可自發進行。其實質是磷酸酯的轉移反應,鳥苷酸起輔助因子的作用,提供遊離3』羥基。
  
(三)信使RNA:真核生物編碼蛋白質的核基因的內含子屬於第二類內含子,左端為GT,右端為AG。先在左端切開,產生的5』末端與3』端上游形成5』,2』-磷酸二酯鍵,構成套索結構。然後內含子右端切開,兩個外顯子連接起來。通過不同的拼接方式,可形成不同的信使RNA。
  
RNA的複製

  
一、噬菌體QbRNA的複製
  
其RNA是單鏈,正鏈,侵入大腸桿菌后立即翻譯,產生複製酶的b亞基,與宿主的三個亞基(α為核糖體蛋白,γ、δ均為肽鏈延長因子)構成複製酶,進行複製。先以正鏈為模板合成負鏈,再根據負鏈合成正鏈。合成負鏈時需要宿主的兩個蛋白因子,合成正鏈則不需要,所以可大量合成。病毒的蛋白質合成受RNA高級結構的調控。
 
二、病毒RNA複製的主要方式

(一)病毒含正鏈RNA,先合成複製酶,複製后合成其他蛋白質進行裝配。如噬菌體Qb及灰質炎病毒。

(二)病毒含負鏈和複製酶,先合成正鏈,再合成病毒蛋白和複製病毒RNA。如狂犬病毒。

(三)病毒含雙鏈RNA和複製酶,如呼腸孤病毒。先複製正鏈,再翻譯成病毒蛋白,最後合成負鏈,形成雙鏈RNA分子。

(四)致癌RNA病毒:如白血病病毒和肉瘤病毒,先逆轉錄生成DNA前病毒,再轉錄、翻譯。


 

RNA生物合成的抑製劑   
一、鹼基類似物
  
有些人工合成的鹼基類似物能干擾和抑制核酸的合成。作用方式有以下兩類:
  
(一)作為代謝拮抗物,直接抑制核苷酸生物合成有關酶類。如6-巰基嘌呤進入體內后可轉變為巰基嘌呤核苷酸,抑制嘌呤核苷酸的合成。可作為抗癌藥物,治療急性白血病等。此類物質一般需轉變為相應的核苷酸才能表現出抑制作用。
  
(二)進入核酸分子,形成異常RNA或DNA,影響核酸的功能並導致突變。5-氟尿嘧啶類似尿嘧啶,可進入RNA,與腺嘌呤配對或異構成烯醇式與鳥嘌呤配對,使A-T對轉變為G-C對。因為正常細胞可將其分解,而癌細胞不能,所以可選擇性抑制癌細胞生長。
  
二、DNA模板功能抑制物
  
(一)烷化劑:帶有活性烷基,能使DNA烷基化。鳥嘌呤烷化后易脫落,雙功能烷化劑可造成雙鏈交聯,磷酸基烷化可導致DNA鏈斷裂。通常有較大毒性,引起突變或致癌。
  
(二)放線菌素類:可與DNA形成非共價複合物,抑制其模板功能。包括一些抗癌抗生素。
  
(三)嵌入染料:含有扁平芳香族發色團,可插入雙鏈DNA相鄰鹼基對之間。常含丫啶或菲啶環,與鹼基大小類似,可在複製時增加一個核苷酸,導致移碼突變。如溴乙啶。
  
三、RNA聚合酶抑製劑
  
(一)利福黴素:抑制細菌RNA聚合酶活性。
  
(二)利鏈菌素:與細菌RNA聚合酶b亞基結合,抑制RNA鏈的延長。
  
(三)α-鵝膏蕈鹼:抑制真核生物RNA聚合酶。

4 信使RNA -信使RNA的結構與功能

從(DNA)轉錄合成的帶有遺傳信息的一類單鏈(RNA),它在上作為蛋白質合成的模板,決定肽鏈的排列順序。1961
信使RNA信使RNA的選擇性拼接

年F.雅各布和根據大腸桿菌誘導酶生成的實驗結果提出:信息從DNA到蛋白質之間的轉移,必需有一種RNA起傳遞作用,由此提出了信使核糖核酸的名稱。
  
生物體內的每種多肽鏈都由特定的mRNA編碼,所以細胞內mRNA的種類很多,但通常每種mRNA的拷貝數極少(1~10個)。根據信息密碼學說,3個連續的核苷酸可以編碼一個氨基酸,因此從已知mRNA(或DNA)核苷酸順序可以準確推導出蛋白質的一級結構。

mRNA存在於原核和真核生物的細胞質及真核細胞的某些細胞器中。RNA病毒和RNA噬菌體中的RNA既是遺傳信息的載體又具有mRNA的功能。生物體mRNA種類的多少與生物進化水平有關,高等生物所含的遺傳信息多,mRNA的種類也多。生物體內某種mRNA的含量根據需要而有不同,如5齡蠶後部絲腺體的主要任務是快速合成大量絲心蛋白,因而編碼絲心蛋白的mRNA含量特別多。有些細菌需要不斷適應外部環境,其體內編碼某些誘導酶的mRNA的含量也較多。
  
原核和真核生物mRNA有不同的特點

  ①mRNA常以多順反子的形式存在,即一條mRNA鏈編碼幾種功能相關聯的蛋白質。mRNA一般以單順反子的形式存在,即一種mRNA只編碼一種蛋白質。②原核生物mRNA的轉錄與翻譯一般是偶聯的,即轉錄尚未完畢,蛋白質的轉譯合成就已開始真核生物轉錄的mRNA前體則需經后加工,加工為成熟的mRNA與蛋白質結合生成信息體后才開始工作信息體中蛋白質與RNA之比約為3。③原核生物mRNA半壽期很短,一般為幾分鐘,最長只有數小時(RNA噬菌體中的RNA除外)。真核生物mRNA的半壽期較長,如胚胎中的mRNA可達數日。④原核與真核生物mRNA的結構特點也不同。
 
一級結構與功能的關係

 原核生物mRNA一般5'端有一段不翻譯區,稱前導順序,3'端有一段不翻譯區,中間是蛋白質的編碼區,一般編碼幾種蛋白質。如大腸桿菌乳糖操縱子mRNA編碼3條多肽鏈;色氨酸操縱子mRNA編碼5條多肽鏈。也有單順反子形式的細菌mRNA,如大腸桿菌脂蛋白mRNA。原核生物mRNA分子中一般沒有修飾核苷酸,也沒有5'端帽子結構和3'端聚腺苷酸尾巴。在原核生物mRNA的起始密碼子(AUG)附近(5'方向上游)的一小段長短不等的順序,含有較多的嘌呤核苷酸,被稱為SD序列。它能和核糖體小亞基上的16SrRNA的3'端富含嘧啶核苷酸的區域配對結合,有助於帶有甲醯甲硫氨酸的起始tRNA識別mRNA上的起始密碼(AUG),使肽鏈合成從此開始。這段順序是1974年由J.夏因和L.達爾加諾發現的,所以稱為SD序列,也稱核糖體結合部位。原核生物mRNA的編碼區一般編碼幾種功能上相關聯的蛋白質,兩種蛋白質的編碼區之間常有一小段不翻譯的順序,叫做間隔區。有的噬菌體RNA中2個相鄰的順反子共用一段相同的編碼順序,例如,M噬菌體RNA中的溶菌蛋白編碼區共225個核苷酸中有189個核苷酸是由相鄰兩個蛋白質共用的。原核mRNA與真核mRNA一樣使用同一套三聯體密碼子(真核生物線粒體mRNA有例外)。原核生物合成氨基酸的操縱子mRNA的5'端前導順序上有一段順序稱作弱化子。弱化子具有兩種可以互變的構象,其中一種構象是轉錄終止的信號,能使轉錄中止(或衰減)。衰減調節是原核生物合成氨基酸的調控方式之一。
  
真核生物mRNA(細胞質中的)一般由5'端帽子結構、5'端不翻譯區、翻譯區(編碼區)、3'端不翻譯區和3'端聚腺苷酸尾巴構成。分子中除G構成帽子外,常含有其他修飾核苷酸,如A等。5'端帽子結構通常有3種類型,即:G(5')ppp(5')N;G(5')ppp(5')N和G(5')ppp(5')N。真核細胞線粒體中的mRNA無帽子結構。一般認為帽子的功能與翻譯的啟動有關。許多真核生物mRNA(如珠蛋白mRNA)除去帽子后翻譯效率大大降低。5'端不翻譯區,也叫前導序列。不同的真核mRNA的前導序列長度不同,有的只有10個核苷酸,有的則有200個核苷酸。與原核mRNA相似,真核mRNA5'端不翻譯區中常有一段順序與核糖體小亞基上的18SrRNA的3'端的一段順序互補並結合,這種結合與真核mRNA的翻譯啟動有關。

翻譯區(編碼區)使用的密碼子除線粒體(如人、牛和酵母線粒體)外與原核生物mRNA是一樣的。真核生物mRNA的起始密碼子都是AUG。真核和原核生物mRNA使用的密碼子也都有「簡併現象」,即幾種不同的密碼子翻譯出同一種氨基酸,但不同的mRNA中簡併密碼子的利用率是不同的,真核與原核生物之間的差別就更大。mRNA的終止密碼子有3個(UAG、UGA和UAA),其功能是停止翻譯,一般只用一個終止密碼子就能使翻譯停止。有的mRNA有2個連續的終止密碼子。3'端不翻譯區的長短在不同的mRNA上有所不同,β-珠蛋白mRNA只有39個核苷酸,而卵白蛋白mRNA則有637個核苷酸。真核生物mRNA3'端不翻譯區常有AAUAA(A)或AuuuA(A)等順序,它們和識別多聚A聚合酶及裝配多聚A尾巴有關。除個別組蛋白mRNA外,真核生物mRNA3'端均有多聚A尾巴3'端多聚A尾巴的長度隨來源不同而不同,且隨mRNA的老化而變短,通常有20~200個A。多聚A與mRNA穩定性及mRNA從細胞核轉到細胞漿中有關。
  
真核生物mRNA通常都有相應的前體。從DNA轉錄產生的原始轉錄產物可稱作原始前體(或mRNA前體)。一般認為原始前體要經過hnRNA核不均-RNA的階段,最終才被加工為成熟的mRNA。hnRNA上的蛋白質編碼區被一些居間順序分隔成若干段;不同的基因轉錄產物所含的居間順序的數目不同,人胰島素只有兩個,而牛眼的晶體蛋白則含有數十個;居間順序的長短也各不相同,從數十個到上千個核苷酸(雞卵白蛋白有一個1550個核苷酸的居間序列)。居間序列將在剪接過程中去除。10%~40%的hnRNA含有3′端多聚A尾巴。hnRNA經過進一步加工切除居間序列並把分隔的蛋白質編碼區連接起來,最終成為成熟的mRNA。
   
二級結構與功能的關係 

通常mRNA(單鏈)分子自身回折產生許多雙鏈結構。原核生物,例如M噬菌體RNA外殼蛋白編碼區,經計算有66.4%的核苷酸以雙鏈結構的形式存在。mRNA能翻譯4種蛋白質,但效率各不相同。在通常條件下翻譯外殼蛋白(其編碼區在成熟蛋白的下游)的效率高於成熟蛋白的效率。但用甲醛處理mRNA破壞二級結構后,則翻譯成熟蛋白的效率提高。成熟蛋白的編碼區儘管處在外殼蛋白的前面,但其起始密碼子GUG(130~132)卻埋在二級結構之中,故翻譯效率低,只有將二級結構鬆開(如甲醛處理)之後才能被翻譯。可見mRNA分子的二級結構對翻譯蛋白質的效率有很大影響。
  
真核生物mRNA也具有豐富的二級結構,如鴨珠蛋白mRNA和兔珠蛋白mRNA分別有45%~60%和55%~62%的核苷酸殘基處在鹼基配對之中。在真核生物蛋白質啟動複合物中,40S核糖體實際上覆蓋著mRNA上包括帽子結構在內的50~54個核苷酸,但是40S核糖體的大小比50個核苷酸的長度小得多由於形成的髮夾結構(二級結構使帽子與起始密碼子之間的空間距離縮短,造成40S核糖體能夠覆蓋包括帽子結構和起始密碼子AUG在內的50多個核苷酸,從而啟動蛋白質合成。不同的mRNA中髮夾結構的有無或多少各不相同。在蛋白質合成肽鏈繼續延伸時,不需要帽子結構參加,此時核糖體覆蓋的mRNA的區域為25~35個核苷酸,mRNA的構象已不同於啟動階段而是處於一種伸展的狀態,從而有利於轉譯的延續。可見,摺疊起來的mRNA二級結構有利於蛋白質合成的啟動,以後mRNA處於伸展的狀態則有利於轉譯的繼續。

5 信使RNA -信使RNA與密碼子

遺傳信息從DNA分子抄錄到RNA分子中的過程稱為轉錄(transcription)。1961年,Jacob和Monod首先提出了mRNA的概念。在真核細胞中,由於蛋白質是在胞漿中而不是在核內合成,因此顯然要求有一個中間物將DNA上的遺傳信息傳遞至胞漿中。後來的研究證實,這種中間物即信使RNA。mRNA的核苷酸序列與DNA序列相應,決定著合成蛋白質的氨基酸序列。它如何指導氨基酸以正確的順序連接起來呢?不同的mRNA鹼基組成和排列順序都不同,但都只有A,G,C,U 4種鹼基。如果一個鹼基就可以決定一個氨基酸,則只有四種變化方式,如果兩個鹼基決定一個氨基酸,則只有16種變化方式,都不能滿足20種氨基酸的需要。1961年Crick和Brenner的實驗得出了三個核苷酸編碼一個氨基酸的結論,並將這種三位一體的核苷酸編碼稱做遺傳密碼(geneticcode)或三聯體密碼,這樣就可以有64種不同的密碼,但此情況下必須假定有一些氨基酸使用兩個以上的密碼。這一假定很快就被證明是對的。遺傳密碼具有下列特徵:
  
(1)三個核苷酸組成一個密碼子,每個密碼子由三個前後相聯的核苷酸組成,一個密碼子只為一種氨基酸編碼。共有64個密碼子;
  
(2)密碼子之間不重疊使用核苷酸,也無核苷酸間隔;
  
(3)一種氨基酸可有多個密碼子,這個特點稱為密碼子的簡併性;
  
(4)密碼子的通用性,所有生物從最低等的病毒直至人類,蛋白質合成都使用同一套密碼子表,僅有極少的例外,如特殊細胞器線粒體,葉綠體所用的密碼稍有不同。
  
究竟哪一個密碼子為哪一種氨基酸編碼,即密碼子與氨基酸之間的對應關係已在20世紀60年代研究解決了。1964年Nirenberg用一種RNA聚合酶體外合成了多聚尿苷酸、多聚腺苷酸等多聚核苷酸,將這些多聚核苷酸分別用於蛋白質的體外合成。發現,當所用的多聚核苷酸為多聚尿苷酸時,只有多聚苯丙氨酸合成,這意味著UUU為苯丙氨酸編碼;用其它多聚核苷酸進行相應的實驗后發現,CCC為脯氨酸編碼,而AAA為賴氨酸編碼;其後,有人又用核苷酸比例為已知,但是核苷酸序列隨機的多聚核苷酸,以及用已知序列的含兩種或兩種以上核苷酸的多聚核苷酸進行相應的實驗,將結果加以數理統計處理,又解讀了一批密碼子,其中包括三個終止碼,最後,還有一些密碼子是通過合成已知序列的三聚核苷酸與核蛋白體和載有放射性同位素標記的氨基酸的tRNA共沉澱原理予以解讀的。在所有密碼子中,AUG不僅為蛋氨酸編碼,而且又是翻譯(translation,以mRNA上的遺傳信息指導核蛋白體上多肽鏈合成的過程)的起始信號,UAA、UAG和UGA不為任何氨基酸編碼,而是作為翻譯的終止信號,統稱為終止碼(stopcodon),又常被叫作無意義碼(nonsensecodon)。

大多數氨基酸是由一個以上的密碼子所編碼。這個事實提出了一個問題:編碼同一種氨基酸的一組密碼子的使用頻率是否都相同?細緻的分析表明,無論是原核生物,還是高等真核生物,密碼子的使用頻率並不是平均的,有些密碼子的使用率很高,有些則幾乎不使用,其使用頻率主要與細胞內tRNA含量呈正相關。


 

6 信使RNA -信使RNA與遺傳信息的傳遞

轉錄是在原核和真核細胞中以DNA為模板合成RNA的過程。
信使RNA信使RNA


  
在原核和真核生物中,轉錄過程是相似的。包括DNA變性,RNA聚合酶結合在單鏈DNA上以5′→3′方向合成RNA分子。雙鏈中只有一條鏈作為轉錄模板,合成單鏈RNA分子。啟動子和終止子序列決定轉錄的起始和終止。
  
在E.coli中RNA聚合酶轉錄各種RNA(mRNA,tRNA和rRNA)。在真核細胞中有三類不同的RNA聚合酶,它們的功能不同。RNApolⅠ轉錄4種rRNA中的3種;RNA

polⅡ轉錄mRNA和一些snRNA;RNAⅢ轉錄第四種rRNA,tRNA以及其餘的snRNA。
  
3種真核生物的RNApol,不像E.coli RNApol,沒有一個直接地和啟動子區結合,而是通過轉錄起始因子的介導來起始RNA的合成。對於每一種RNA多聚酶來說,轉錄因子是特異的,它可以識別啟動子的特殊序列。
  
蛋白質編碼基因的啟動子位於轉錄起始位點的上游,由不同組合的啟動原件所構成。特異的轉錄因子和調節因子結合在這些原件上,促進RNA polⅡ轉錄起始。增強子離啟動子較遠,它可被調節因子識別結合,具有促進基因轉錄的功能。
  
由RNA polⅢ轉錄的啟動子,位於下游,在其基因編碼序列內部。這種啟動子,根據所轉錄的RNA的種類,由不同的功能區組合而構成。轉錄因子識別這些功能區,促進RNA聚合酶轉錄起始。
  
18S,5.8S和28SrRNA作為一個轉錄單位一道轉錄,產生前體RNA分子。大部分真核生物的18S,5-8S和28SrRNA都是以串聯重複排列,每個重複單位被不轉錄的間隔序列(nontranscribedspecer,NTs)所分隔。轉錄單位的啟動子位於NTS中,其功能是和特異的轉錄因子相結合,促進RNApolⅠ的轉錄起始。
  
從孟德爾定律問世以後,人們就知道了生物的各種性狀是由基因控制的。一基因一酶學說的建立進一步地明確了基因是以酶的形式通過控制生化反應鏈來控制的。酶或蛋白和基因又是什麼樣的關係呢?也就是說遺傳信息怎樣傳遞,怎樣表達成性狀呢?就在Watson和Crick建立DNA雙螺旋模型后的第三年,1957年Crick提出了中心法測(centraldogma),指出了遺傳信息的傳遞方向:
  
DNA→RNA→蛋白質
  
1970年H.Temin和D.Baltimore發現了反轉錄酶后,Crick對中心法測又作了部分修改:
  
DNA→RNA→蛋白質
  
也就是說由DNA通過轉錄將遺傳信息傳遞給RNA,RNA通過翻譯把信息傳遞給蛋白。通過這種單向的傳遞,遺傳信息通過蛋白質的不同形式,如酶,結構蛋白,運載蛋白,調節蛋白等表達成一種性狀。

7 信使RNA -信使RNA與轉移RNA的區別

區分mRNA和tRNA,可以從結構和功能這兩個方面去把握。
  

結構方面

mRNA的一級結構,tRNA的二級、三級結構是經常考察的內容,需要仔細區分。
⑴真核生物的mRNA的5'端有帽子結構,3'端為多聚腺苷酸(poly(A))尾巴。
⑵tRNA的二級結構呈三葉草形。三葉草形結構由氨基酸臂、二氫尿嘧啶環、反密碼環、額外環和TφC環等5個部分組成。其中,氨基酸臂末端為CCA;反密碼環中部為反密碼子,由3個鹼基組成。反密碼子可識別mRNA的密碼子。
⑶tRNA摺疊形成三級結構。tRNA的三級結構呈倒L形,反密碼環和氨基酸臂分別位於倒L的兩端。
  

功能方面

⑴mRNA是合成蛋白質的直接模板。每一種多肽鏈都有一種特定的mRNA做模板,因此細胞內mRNA的種類也是很多的。它將DNA上的遺傳信息轉錄下來,攜帶到核糖體上,在那裡以密碼的方式控制蛋白質分子中氨基酸的排列順序,作為蛋白質合成的直接模板。
⑵tRNA的功能是轉運氨基酸。在蛋白質合成過程中,tRNA與合成蛋白質所需的單體——氨基酸形成複合物,將氨基酸轉運到核糖體中mRNA的特定位置上。

8 信使RNA -mRNA與反轉錄

以反義RNA為模版,通過反轉錄酶,進行的RNA轉錄
  
1.概念 反轉錄是以RNA為模板合成DNA的過程,也稱逆轉錄。這是DNA生物合成的一種特殊方式。
  
2.反轉錄酶與反轉錄過程 反轉錄過程由反轉錄酶催化,該酶也稱依賴RNA的DNA聚合酶(RDDP),即以RNA為模板催化DNA鏈的合成。合成的DNA鏈稱為與RNA互補DNA(cDNA)。反轉錄酶存在於一些RNA病毒中,可能與病毒的惡性轉化有關。人類免疫缺陷病毒(HIV)也是一種RNA病毒,含有反轉錄酶。在小鼠及人的正常細胞和胚胎細胞中也有反轉錄酶,推測可能與細胞分化和胚胎髮育有關。
    
3.生物學意義 反轉錄的發現有重要的理論意義和實踐意義。
(1)對分子生物學的中心法則進行了修正和補充,修正後的中心法則表示為:
(2)在致癌病毒的研究中發現了癌基因,在人類一些癌細胞如膀胱癌、小細胞肺癌等細胞中,也分離出與病毒癌基因相同的鹼基序列,稱為細胞癌基因或原癌基因。癌基因的發現為腫瘤發病機理的研究提供了很有前途的線索。
(3)在實際工作中有助於基因工程的實施。由於目的基因的轉錄產物易於製備,可將mRNA反向轉錄形成DNA用以獲得目的基因。




9 信使RNA -參考資料

[1] 中國基因網http://www.99qingyuan.com

[2] 起源基因網http://www.dnaok.com/
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