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信使RNA
單鏈核糖核酸
基本信息
| 中文名 | 信使RNA |
| 外文名 | mRNA |
| 模版 | DNA的一條鏈 |
| 性質(zhì) | 單鏈核糖核酸 |
| 學(xué)科 | 生物 |
概述
信使核糖核酸
信使RNA是指導(dǎo)蛋白質(zhì)生物合成的直接模板。mRNA 占細(xì)胞內(nèi)RNA總量的2%~ 5%，種類繁多，其分子大小差別非常大。
信使RNA（mRNA）是一大類RNA分子，它將遺傳信息從DNA傳遞到核糖體，在那里作為蛋白質(zhì)合成模板并決定基因表達(dá)蛋白產(chǎn)物肽鏈的氨基酸序列。RNA聚合酶將初級(jí)轉(zhuǎn)錄物mRNA（稱為前mRNA）轉(zhuǎn)錄成加工過(guò)的成熟mRNA，這種成熟的mRNA被翻譯成蛋白質(zhì)。
信使RNA
如在DNA中一樣，mRNA遺傳信息也保存在核苷酸序列中，其被排列成由每個(gè)三個(gè)堿基對(duì)組成的密碼子。每個(gè)密碼子編碼特定氨基酸，但終止密碼子例外，因?yàn)槠浣K止蛋白質(zhì)合成。
將密碼子翻譯成氨基酸的過(guò)程需要另外兩種類型的RNA：轉(zhuǎn)移RNA（tRNA）和核糖體RNA（rRNA）。tRNA介導(dǎo)密碼子的識(shí)別并提供相應(yīng)的氨基酸，rRNA是核糖體蛋白質(zhì)制造機(jī)械的核心組成部分。
mRNA的存在首先由Jacques Monod和Fran?oisJacob提出，隨后由Jacob，Sydney Brenner和Matthew Meselson于1961年在加州理工學(xué)院發(fā)現(xiàn)。
原核生物mRNA的轉(zhuǎn)錄與翻譯一般是偶聯(lián)的，真核生物轉(zhuǎn)錄的mRNA前體則需經(jīng)轉(zhuǎn)錄后加工，加工為成熟的mRNA與蛋白質(zhì)結(jié)合生成信息體后才開始工作。
原核生物mRNA半壽期很短，一般為幾分鐘，最長(zhǎng)只有數(shù)小時(shí)（RNA噬菌體中的RNA除外）。真核生物mRNA的半衰期較長(zhǎng)，如胚胎中的mRNA可達(dá)數(shù)日。
原核與真核生物mRNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也不同。真核生物mRNA具有5‘帽子和3’多聚A尾巴，原核生物沒(méi)有這樣的首尾結(jié)構(gòu)。
單順?lè)醋优c多順?lè)醋觤RNA
翻譯產(chǎn)物僅是單個(gè)蛋白質(zhì)鏈（多肽）的mRNA稱為單順?lè)醋觤RNA。大多數(shù)真核mRNA都屬于單順?lè)醋觤RNA。多順?lè)醋觤RNA攜帶幾個(gè)開放閱讀框（ORF），每個(gè)開放閱讀框都能被翻譯成一條多肽，這些多肽通常具有相似的功能，通常構(gòu)成最終復(fù)合蛋白的不同亞基。這些多肽鏈對(duì)應(yīng)的DNA片斷則位于同一轉(zhuǎn)錄單位內(nèi)，享用同一對(duì)起點(diǎn)和終點(diǎn)。細(xì)菌和古細(xì)菌中的大多數(shù)mRNA是多順?lè)醋拥摹?/span>
mRNA的環(huán)化
在真核生物中，由于eIF4E和poly（A）結(jié)合蛋白之間的相互作用，mRNA分子形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，這兩種結(jié)合蛋白都與eIF4G結(jié)合，形成mRNA-蛋白-mRNA橋。環(huán)化促進(jìn)核糖體在mRNA上的循環(huán)，提高翻譯效率，且確保僅有完整的mRNA得到翻譯。
發(fā)現(xiàn)
儲(chǔ)存在DNA分子中的這種遺傳信息能在復(fù)制中產(chǎn)生更多的拷貝，并翻譯成蛋白質(zhì)。DNA的功能構(gòu)成了信息的流動(dòng)，遺傳信息如何轉(zhuǎn)變成蛋白質(zhì)呢？轉(zhuǎn)錄就是其中的重要的一環(huán)?；虮磉_(dá)時(shí)以DNA的一條鏈為模板合成RNA，這一過(guò)程就是轉(zhuǎn)錄（transcription）。催化合成RNA的酶叫做RNA聚合酶（RNA polymerase）。RNA和DNA結(jié)構(gòu)相似，所不同之處在于：⑴RNA一般以單鏈形式存在；⑵RNA中的核糖其C′-2不脫氧；⑶尿苷（U）取代了DNA中的胸苷。細(xì)胞中的RNA分成三種：mRNA（信使RNA），tRNA（轉(zhuǎn)運(yùn)RNA）和rRNA（核糖體RNA）。它們的功能各不相同。mRNA是合成蛋白質(zhì)的模板，tRNA是轉(zhuǎn)運(yùn)特異氨基酸的運(yùn)載工具，rRNA是合成蛋白質(zhì)的裝置。mRNA的堿基序列，決定著蛋白質(zhì)裝配時(shí)氨基酸的序列。
1955年Brachet用洋蔥根尖和變形蟲進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)；若加入RNA酶降解細(xì)胞中的RNA，則蛋白質(zhì)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(zhì)，這就表明，蛋白質(zhì)的合成是依賴于RNA。
同年Goldstein和Plaut用同位素標(biāo)記變形蟲（Amoeba proteus）RNA前體，發(fā)現(xiàn)標(biāo)記的RNA都在核內(nèi)，表明RNA是在核內(nèi)合成的。在標(biāo)記追蹤（pulse-chase）實(shí)驗(yàn)中，用短脈沖標(biāo)記RNA前體，然后將細(xì)胞核轉(zhuǎn)移到未標(biāo)記的變形蟲中。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間發(fā)現(xiàn)被標(biāo)記的RNA分子已在細(xì)胞質(zhì)中，這就表明RNA在核中合成，然后轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，而蛋白質(zhì)就在細(xì)胞質(zhì)中合成，因此RNA就成為在DNA和蛋白質(zhì)之間傳遞信息的信使的最佳候選者。
1956年Elliot Volkin和 Lawrence Astrachan作了一項(xiàng)很有意思的觀察：當(dāng)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。用同位素脈沖一追蹤標(biāo)記表明噬菌的RNA在很短的時(shí)間內(nèi)就進(jìn)行合成，但很快又消失了，表明RNA的半衰期是很短的。由于這種新合成的RNA的堿基比和T2的DNA堿基比相似，而和細(xì)菌的堿基比不同，所以可以確定新合成的RNA是T2的RNA。由于T2感染細(xì)菌時(shí)注入的是DNA，而在細(xì)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(jù)來(lái)自DNA-RNA的雜交實(shí)驗(yàn)。Hall.B.D和Spiegeman,S，將T2噬菌體感染E.coli后立即產(chǎn)生的RNA分離出來(lái)，分別與T2和E.coli的DNA進(jìn)行分子雜交，結(jié)果發(fā)現(xiàn)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(jìn)行雜交。表明T2產(chǎn)生的這種RNA（即mRNA）至少和T2的DNA中的一條鏈?zhǔn)腔パa(bǔ)的。
Brenner,s. Jacob,F.和Meselson(1961）進(jìn)行了一系列的的實(shí)驗(yàn)（圖12-2），他們將E.coli培養(yǎng)在15N/13C的培養(yǎng)基中，因此合成的RNA和蛋白都被“重”同位素所標(biāo)記。也就是說(shuō)凡是“重”的核糖體，RNA和蛋白都是細(xì)菌的，然后用T2感染E.coli，細(xì)菌的RNA停止合成，而開始合成T2的RNA此時(shí)用普通的“輕”培養(yǎng)基（14N/12C），但分別以32P來(lái)標(biāo)記新合成的T2 RNA，以35S標(biāo)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(jīng)培養(yǎng)一段時(shí)間后破碎細(xì)胞，加入過(guò)量的輕的核糖體作對(duì)照，進(jìn)行密度梯度離心，結(jié)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⑴T2未合成核糖體，“輕”核糖體卻是后加放的。⑵T2翻譯時(shí)是借用了細(xì)菌原來(lái)合成的核糖體，所以核糖體并無(wú)特異性，核糖體上結(jié)合的mRNA，其序列的特異性才是指導(dǎo)合成蛋白質(zhì)的遺傳信息，從而提出了mRNA作為“信使”的證據(jù)。因此他們將這種能把遺傳信息從DNA傳遞到蛋白質(zhì)上的物質(zhì)稱為“信使”。他們預(yù)言⑴這種“信使”應(yīng)是一個(gè)多核苷酸；⑵②其平均分子量不小于5′105（假定密碼比是3），足以攜帶一個(gè)基因的遺傳信息；⑶它們至少是暫時(shí)連在核糖體上；⑷其堿基組成反映了DNA的序列；⑸它們能高速更新。Volkin和Astrachan發(fā)現(xiàn)高速更新的RNA似乎完全符合以上條件。Jacob和Monod將它定名為信使RNA（Messenger RNA）或mRNA。
合成與加工
轉(zhuǎn)錄
轉(zhuǎn)錄是指由DNA合成RNA的過(guò)程。在轉(zhuǎn)錄期間，RNA聚合酶根據(jù)需要將一個(gè)基因的DNA拷貝成mRNA，這個(gè)過(guò)程在真核生物和原核生物中是相似的。
與原核生物明顯不同的是，真核RNA聚合酶在轉(zhuǎn)錄過(guò)程中與mRNA加工酶結(jié)合，因此，真核生物的mRNA加工可以在轉(zhuǎn)錄開始后快速進(jìn)行。短壽命的未加工或部分加工的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)品稱為前體mRNA或pre-mRNA；一旦加工完全，它被稱為成熟mRNA。
真核pre-mRNA加工
mRNA的加工在真核生物、細(xì)菌和古細(xì)菌中差異很大。實(shí)質(zhì)上，非真核mRNA在轉(zhuǎn)錄時(shí)是成熟的，除極少數(shù)情況外不需要加工。然而，真核pre-mRNA需要大量加工。
5’端加帽子：5‘ 帽（也稱為RNA帽，RNA 7-甲基鳥苷帽或RNA m7G帽）就是一個(gè)經(jīng)修飾的鳥嘌呤核苷酸，在轉(zhuǎn)錄開始不久后就被添加到新產(chǎn)生的真核mRNA的“前”即5'末端。 5’帽由末端7-甲基鳥苷殘基組成，它通過(guò)5'-5'-三磷酸鍵與第一轉(zhuǎn)錄出的核苷酸連接。它的存在對(duì)于核糖體的識(shí)別和對(duì)mRNA的保護(hù)至關(guān)重要。
3’端加尾：是指聚腺苷酰基部分與mRNA分子的共價(jià)連接。在真核生物中，大多數(shù)信使RNA（mRNA）分子在3'末端被多聚腺苷酸化。Poly A尾巴和與其結(jié)合的蛋白質(zhì)有助于保護(hù)mRNA免于被核酸外切酶降解。3’端加尾對(duì)于轉(zhuǎn)錄終止，從細(xì)胞核輸出mRNA和翻譯也很重要。 原核生物中的mRNA也常被3’端加尾，但此時(shí)的poly（A）尾巴促進(jìn)而不是防止核酸外切酶對(duì)mRNA的降解。
mRNA的轉(zhuǎn)運(yùn)
真核生物和原核生物之間的另一個(gè)區(qū)別是mRNA的轉(zhuǎn)運(yùn)。由于真核轉(zhuǎn)錄和翻譯是在不同的細(xì)胞器內(nèi)進(jìn)行的，真核mRNA必須從細(xì)胞核輸出到細(xì)胞質(zhì)。 這一過(guò)程可能受不同信號(hào)通路的調(diào)節(jié)。成熟的mRNA通過(guò)其加工的修飾被識(shí)別，在結(jié)合帽結(jié)合蛋白CBP20和CBP80及轉(zhuǎn)錄/輸出復(fù)合物（TREX）后通過(guò)核孔被輸出到細(xì)胞質(zhì)。
mRNA的翻譯
因?yàn)樵薽RNA不需要加工或轉(zhuǎn)運(yùn)，所以原核生物mRNA在核糖體的翻譯可以在轉(zhuǎn)錄結(jié)束后立即開始。因此，可以說(shuō)原核生物的mRNA翻譯與轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)發(fā)生。
已經(jīng)加工并轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞質(zhì)的真核mRNA（即成熟mRNA）在核糖體的翻譯發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)中自由漂浮的核糖體中，或者通過(guò)信號(hào)識(shí)別顆粒導(dǎo)向到的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中。因此，與原核生物不同，真核生物的mRNA翻譯不直接與轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)。在某些情況下甚至可能發(fā)生這樣的情況，即mRNA水平的降低卻伴隨著蛋白質(zhì)水平的增加。
相關(guān)課程
第一節(jié)DNA轉(zhuǎn)錄生成RNA
一、定義
一轉(zhuǎn)錄單位
二、RNA聚合酶
二酶的分類：
2．細(xì)菌則具有復(fù)雜的多亞基結(jié)構(gòu)（450Kd），可識(shí)別并轉(zhuǎn)錄超過(guò)1000個(gè)轉(zhuǎn)錄單位。
3．真核生物的酶有多種，根據(jù)a－鵝膏蕈堿（環(huán)狀8肽，阻斷RNA延伸）的抑制作用可分為三類：聚合酶A對(duì)它不敏感，分布于核仁，轉(zhuǎn)錄核糖體RNA；聚合酶B對(duì)低濃度敏感，存在于核質(zhì)，轉(zhuǎn)錄信使RNA；聚合酶C位于核質(zhì)，對(duì)高濃度敏感，轉(zhuǎn)錄小分子量RNA，如轉(zhuǎn)運(yùn)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復(fù)合物。
三酶的構(gòu)成：大腸桿菌的全酶有5個(gè)亞基（α2ββ’ωσ），含2個(gè)鋅。β催化形成磷酸二酯鍵，β’結(jié)合模板，σ亞基稱為起始因子，可使RNA聚合酶穩(wěn)定地結(jié)合到啟動(dòng)子上。ββ’ωσ稱為核心酶。σ亞基在不同菌種間變動(dòng)較大，而核心酶比較恒定。酶與不同啟動(dòng)子的結(jié)合能力不同，不同啟動(dòng)因子可識(shí)別不同的啟動(dòng)子。σ70識(shí)別啟動(dòng)子共有序列，σ32識(shí)別熱休克基因，σ60在氮饑餓時(shí)起作用。σ通過(guò)隨機(jī)移動(dòng)起作用，不需解鏈。
三、轉(zhuǎn)錄過(guò)程
分為起始、延長(zhǎng)和終止三個(gè)階段。起始包括對(duì)雙鏈DNA特定部位的識(shí)別、局部（17bp）解鏈以及在最初兩個(gè)核苷酸間形成磷酸二酯鍵。第一個(gè)核苷酸摻入的位置稱為轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)。
起始后起始因子離開，核心酶構(gòu)象改變，沿模板移動(dòng)，轉(zhuǎn)錄生成雜交雙鏈（12bp）。隨后DNA互補(bǔ)鏈取代RNA鏈，恢復(fù)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)。延伸速度為50nt/s，酶移動(dòng)17nm。錯(cuò)誤幾率為10-5。
聚合酶到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，在終止輔助因子的幫助下停止反應(yīng)，酶和RNA鏈脫落，轉(zhuǎn)錄結(jié)束。
四、啟動(dòng)子和轉(zhuǎn)錄因子
二原核生物：大腸桿菌在起點(diǎn)上游約－10堿基對(duì)處有保守序列TATAAT，稱為pribnow box，有助于局部解鏈。在其上游還有TTGACA，稱為－35序列，提供RNA聚合酶識(shí)別的信號(hào)。
三真核生物：復(fù)雜，差異較大。
1．信使RNA的啟動(dòng)子通常有三個(gè)保守區(qū)，－25到－30有TATA框，是解鏈位置，并決定轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)；－75位置有CAAT框，與RNA聚合酶的結(jié)合有關(guān)；更上游還有GC框，某些轉(zhuǎn)錄因子可結(jié)合。后兩個(gè)稱為上游因子，對(duì)轉(zhuǎn)錄起始頻率有較大影響；
2． 小RNA的啟動(dòng)子在轉(zhuǎn)錄區(qū)內(nèi)部，有一些輔助因子幫助RNA聚合酶識(shí)別。
五、終止子和終止因子
一定義
1． 簡(jiǎn)單終止子，回文區(qū)有一段富含GC對(duì)的序列，回文后有寡聚尿苷。
三某些因子可使酶越過(guò)終止子繼續(xù)轉(zhuǎn)錄，稱為通讀。常見于某些噬菌體的時(shí)序控制，早期基因與晚期基因以終止子相隔，早期基因產(chǎn)生抗終止因子，使發(fā)生通讀以表達(dá)晚期基因。
六、轉(zhuǎn)錄的調(diào)控
一遺傳信息的表達(dá)有時(shí)序調(diào)控和適應(yīng)調(diào)控，轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因?yàn)檫@是表達(dá)的第一步。轉(zhuǎn)錄調(diào)控主要發(fā)生在起始和終止階段。
二操縱子是細(xì)菌基因表達(dá)和調(diào)控的單位，有正調(diào)節(jié)和負(fù)調(diào)節(jié)因子。阻遏蛋白的作用屬于負(fù)調(diào)控。環(huán)腺苷酸通過(guò)其受體蛋白（CRP）促進(jìn)轉(zhuǎn)錄，可促進(jìn)許多誘導(dǎo)酶的合成。操縱子可構(gòu)成綜合性調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，如SOS反應(yīng)等。對(duì)終止子也有調(diào)控作用，如衰減子。
三真核生物不組成操縱子，而是通過(guò)激素、生長(zhǎng)因子等進(jìn)行調(diào)控。某些DNA序列對(duì)轉(zhuǎn)錄起增強(qiáng)作用，稱為增強(qiáng)子。
第二節(jié)轉(zhuǎn)錄后加工
一、原核生物
一核糖體RNA：大腸桿菌共有7個(gè)核糖體RNA的轉(zhuǎn)錄單位，每個(gè)轉(zhuǎn)錄單位由16S、23S、5SRNA和若干轉(zhuǎn)運(yùn)RNA基因組成。16S和23S之間常由轉(zhuǎn)運(yùn)RNA隔開。轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物在RNA酶III的作用下裂解產(chǎn)生核糖體RNA的前體P16和P23，再由相應(yīng)成熟酶加工切除附加序列。前體加工時(shí)還進(jìn)行甲基化，產(chǎn)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(wú)修飾成分。
二轉(zhuǎn)運(yùn)RNA：有60個(gè)基因，其加工包括：
1．內(nèi)切酶在兩端切斷，大腸桿菌RNA酶P是5’成熟酶；
3．3’端加上CCAOH，由轉(zhuǎn)運(yùn)RNA核苷酰轉(zhuǎn)移酶催化，某些轉(zhuǎn)運(yùn)RNA已有，切除附加序列后即露出；
三信使RNA：細(xì)菌多數(shù)不用加工，轉(zhuǎn)錄與翻譯是偶聯(lián)的。也有少數(shù)多順?lè)醋有攀筊NA必須由內(nèi)切酶切成較小的單位，然后翻譯。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(zhuǎn)錄后需經(jīng)RNA酶III切開，各自翻譯。因?yàn)镽NA聚合酶的合成水平低得多，切開有利于各自的翻譯調(diào)控。較長(zhǎng)的RNA會(huì)產(chǎn)生高級(jí)結(jié)構(gòu)，不利于翻譯，切開可改變其結(jié)構(gòu)，從而影響其功能。
二、真核生物
一核糖體RNA：基因拷貝數(shù)多，在幾十到幾千之間?；虺纱嘏帕性谝黄?，由RNA聚合酶I轉(zhuǎn)錄生成一個(gè)較長(zhǎng)的前體，哺乳動(dòng)物為45S。核仁是rRNA合成與核糖體亞基生物合成的場(chǎng)所。RNA酶III等核酸內(nèi)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(zhuǎn)錄，經(jīng)加工參與構(gòu)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(shù)核糖體RNA沒(méi)有內(nèi)含子，有些有內(nèi)含子但不轉(zhuǎn)錄。
二轉(zhuǎn)運(yùn)RNA：由RNA聚合酶III轉(zhuǎn)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(zhì)的基因以單個(gè)基因?yàn)檗D(zhuǎn)錄單位，但有內(nèi)含子，需切除。信使RNA的原初轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物是分子量很大的前體，在核內(nèi)加工時(shí)形成大小不等的中間物，稱為核內(nèi)不均一RNA(hnRNA）。其加工過(guò)程包括：
1．5’端加帽子：在轉(zhuǎn)錄的早期或轉(zhuǎn)錄終止前已經(jīng)形成。首先從5’端脫去一個(gè)磷酸，再與GTP生成5’，5’三磷酸相連的鍵，最后以S-腺苷甲硫氨酸進(jìn)行甲基化，形成帽子結(jié)構(gòu)。帽子結(jié)構(gòu)有多種，起識(shí)別和穩(wěn)定作用。
三、RNA的拼接
一轉(zhuǎn)運(yùn)RNA的拼接：由酶催化，酶識(shí)別共同的二級(jí)結(jié)構(gòu)，而不是序列。通常內(nèi)含子插入到靠近反密碼子處，與反密碼子配對(duì)，取代反密碼子環(huán)。第一步由內(nèi)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(gè)內(nèi)含子，其拼接只需一價(jià)和二價(jià)陽(yáng)離子及鳥苷酸或鳥苷存在即可自發(fā)進(jìn)行。其實(shí)質(zhì)是磷酸酯的轉(zhuǎn)移反應(yīng)，鳥苷酸起輔助因子的作用，提供游離3’羥基。
三信使RNA：真核生物編碼蛋白質(zhì)的核基因的內(nèi)含子屬于第二類內(nèi)含子，左端為GT，右端為AG。先在左端切開，產(chǎn)生的5’末端與3’端上游形成5’，2’-磷酸二酯鍵，構(gòu)成套索結(jié)構(gòu)。然后內(nèi)含子右端切開，兩個(gè)外顯子連接起來(lái)。通過(guò)不同的拼接方式，可形成不同的信使RNA。
第三節(jié)RNA的復(fù)制
一、噬菌體QbRNA的復(fù)制
其RNA是單鏈，正鏈，侵入大腸桿菌后立即翻譯，產(chǎn)生復(fù)制酶的b亞基，與宿主的三個(gè)亞基（α為核糖體蛋白，γ、δ均為肽鏈延長(zhǎng)因子）構(gòu)成復(fù)制酶，進(jìn)行復(fù)制。先以正鏈為模板合成負(fù)鏈，再根據(jù)負(fù)鏈合成正鏈。合成負(fù)鏈時(shí)需要宿主的兩個(gè)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(zhì)合成受RNA高級(jí)結(jié)構(gòu)的調(diào)控。
二、病毒RNA復(fù)制的主要方式
一病毒含正鏈RNA，先合成復(fù)制酶，復(fù)制后合成其他蛋白質(zhì)進(jìn)行裝配。如噬菌體Qb及灰質(zhì)炎病毒。
第四節(jié)RNA生物合成的抑制劑
一、堿基類似物
有些人工合成的堿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(guān)酶類。如6-巰基嘌呤進(jìn)入體內(nèi)后可轉(zhuǎn)變?yōu)閹€基嘌呤核苷酸，抑制嘌呤核苷酸的合成?？勺鳛榭拱┧幬铮委?/span>急性白血病等。此類物質(zhì)一般需轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的核苷酸才能表現(xiàn)出抑制作用。
二進(jìn)入核酸分子，形成異常RNA或DNA，影響核酸的功能并導(dǎo)致突變。5-氟尿嘧啶類似尿嘧啶，可進(jìn)入RNA，與腺嘌呤配對(duì)或異構(gòu)成烯醇式與鳥嘌呤配對(duì)，使A-T對(duì)轉(zhuǎn)變?yōu)镚-C對(duì)。因?yàn)檎＜?xì)胞可將其分解，而癌細(xì)胞不能，所以可選擇性抑制癌細(xì)胞生長(zhǎng)。
二、DNA模板功能抑制物
二放線菌素類：可與DNA形成非共價(jià)復(fù)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(fā)色團(tuán)，可插入雙鏈DNA相鄰堿基對(duì)之間。常含丫啶或菲啶環(huán)，與堿基大小類似，可在復(fù)制時(shí)增加一個(gè)核苷酸，導(dǎo)致移碼突變。如溴乙啶。
三、RNA聚合酶抑制劑
一利福霉素：抑制細(xì)菌RNA聚合酶活性。
二利鏈菌素：與細(xì)菌RNA聚合酶b亞基結(jié)合，抑制RNA鏈的延長(zhǎng)。
mRNA分子的合成始于轉(zhuǎn)錄，并最終以降解結(jié)束。在被翻譯之前，真核mRNA分子通常需要大量加工和轉(zhuǎn)運(yùn)，而原核mRNA分子則不需要。真核mRNA分子和它周圍的蛋白質(zhì)一起被稱為信使RNP。
實(shí)驗(yàn)方法
對(duì)mRNA的檢測(cè)、分析及定量 | ||||
方法 | 目標(biāo)RNA的類型 | 同時(shí)定量的目標(biāo)RNA的數(shù)量 | 用途 | 缺點(diǎn) |
Northern雜交 | mRNA | 通常為一個(gè)，最多幾個(gè)。 | 主要用于估測(cè)不同組織、細(xì)胞中目標(biāo)mRNA的分子質(zhì)量，可用于mRNA的粗略定量。 | 需要大量RNA；只可同時(shí)檢測(cè)一個(gè)或最多幾個(gè)mRNA；與PCR方法相比，靈敏度差、耗時(shí)。 |
RNA酶保護(hù) | mRNA | 通常為一個(gè)，但是如果使用混合探針，最多可同時(shí)檢測(cè)12種mRNA。 | 主要用于對(duì)不同類型細(xì)胞或組織中目標(biāo)mRNA的檢測(cè)和定量。 | 需要特異性的反義雜交探針（通常帶放射性）。RNA酶保護(hù)法遠(yuǎn)比Northern雜交靈敏，但靈敏度還是不如PCR法。 |
傳統(tǒng)反轉(zhuǎn)錄PCR | mRNA | 通常為一個(gè)，但是也可努力做到多重檢測(cè)系統(tǒng)。 | 由于反轉(zhuǎn)錄PCR取決于反轉(zhuǎn)錄步驟和擴(kuò)增步驟所使用的引物，經(jīng)常可能出現(xiàn)假陽(yáng)性結(jié)果；反轉(zhuǎn)錄步驟變化大；另外，產(chǎn)物量的測(cè)定方法有很多缺陷，如低分辨率和低靈敏度。 | |
實(shí)時(shí)定量PCR | mRNA及miRNA | 通常為一個(gè)，但也可檢測(cè)多個(gè)目標(biāo)RNA，參見Stanley和Szewczuk（2005）等的研究結(jié)果，他們?cè)趩蝹€(gè)多重反應(yīng)中同時(shí)分析過(guò)72個(gè)mRNA。 | 是檢測(cè)目標(biāo)RNA的一種高靈敏及高精度的方法。即使目標(biāo)RNA在細(xì)胞中拷貝數(shù)極少也適用。實(shí)時(shí)PCR比其他方法更靈敏、更快、更精確。最近10年內(nèi)是檢測(cè)細(xì)胞中mRNA相對(duì)豐度的主要方法。不僅可用于mRNA的檢測(cè)，也可用于microRNA的檢測(cè)（參見Chen et al. 2005；Benes and Castoldi 2010）。 | 市場(chǎng)上銷售的幾種商業(yè)設(shè)備采用的檢測(cè)方法不同。另外，已出版了數(shù)百種描述實(shí)時(shí)定量PCR的方案。實(shí)時(shí)PCR的每個(gè)步驟都缺乏標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致可靠性和可重復(fù)性的比較即使可能，也很困難（Nolanet al. 2006；Derveaux etal. 2010）。對(duì)實(shí)時(shí)PCR提出了一些合理的建議和標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了實(shí)時(shí)PCR結(jié)果發(fā)表所必需的最少信息量，也許會(huì)有助于解決目前的困境（Bustinet al. 2009；Bustin 2010）。 |
降解
同一細(xì)胞內(nèi)的不同mRNA具有不同的壽命（穩(wěn)定性）。在細(xì)菌細(xì)胞中，單個(gè)mRNA可以存活數(shù)秒至超過(guò)一小時(shí)，但平均壽命為1至3分鐘，因此，細(xì)菌mRNA的穩(wěn)定性遠(yuǎn)低于真核mRNA。哺乳動(dòng)物細(xì)胞mRNA的壽命從幾分鐘到幾天不等。mRNA的穩(wěn)定性越高，從該mRNA產(chǎn)生的蛋白質(zhì)越多。 mRNA的有限壽命使細(xì)胞能夠快速改變蛋白質(zhì)合成以響應(yīng)其不斷變化的需求。有許多機(jī)制可導(dǎo)致mRNA的降解。
真核mRNA的降解
真核細(xì)胞的翻譯和mRNA衰變之間存在著平衡。正在被翻譯的mRNA被核糖體，真核起始因子eIF-4E和eIF-4G以及poly（A）結(jié)合蛋白結(jié)合，不能接觸外泌體復(fù)合物，mRNA得到保護(hù)。mRNA的poly（A）尾巴被特異性外切核酸酶縮短，該核酸外切酶通過(guò)RNA上的順式調(diào)節(jié)序列和反式作用RNA結(jié)合蛋白的組合定位到特定mRNA。 Poly（A）尾巴被去除破壞了mRNA的環(huán)狀循環(huán)結(jié)構(gòu)并降低了帽結(jié)合復(fù)合體的穩(wěn)定性，導(dǎo)致mRNA會(huì)被外來(lái)體復(fù)合物或脫帽復(fù)合物降解。通過(guò)這種方式，可以快速降解翻譯不活躍的mRNA，而翻譯活躍的mRNA不受影響。
小干擾RNA
在后生生物中，由Dicer產(chǎn)生的小干擾RNA（siRNA）被整合到稱為RNA誘導(dǎo)沉默復(fù)合物（RISC）。該復(fù)合物含有內(nèi)切核酸酶，切割與siRNA結(jié)合的完全互補(bǔ)的mRNA，產(chǎn)生的片段然后被核酸外切酶降解。 siRNA通常用于實(shí)驗(yàn)室細(xì)胞培養(yǎng)中阻斷基因的功能。SiRNA被認(rèn)為是病毒先天免疫系統(tǒng)的一部分，可以用于對(duì)雙鏈RNA病毒的防御。
微小RNA
微小RNA（miRNA）是小RNA，通常與后生生物mRNA中的序列部分互補(bǔ)。 miRNA與mRNA的結(jié)合可以抑制該mRNA的翻譯并加速poly（A）尾部去除，從而加速mRNA降解。
結(jié)構(gòu)與功能
從 (DNA）轉(zhuǎn)錄合成的帶有遺傳信息的一類單鏈（RNA），他作為蛋白質(zhì)合成的模板，決定了核糖體合成肽鏈的種類。1961年F.雅各布和根據(jù)大腸桿菌誘導(dǎo)酶生成的實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出：信息從DNA到蛋白質(zhì)之間的轉(zhuǎn)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(nèi)的每種多肽鏈都由特定的mRNA編碼，所以細(xì)胞內(nèi)mRNA的種類很多，但通常每種mRNA的拷貝數(shù)極少（1～10個(gè)）。根據(jù)信息密碼學(xué)說(shuō)，3個(gè)連續(xù)的核苷酸可以編碼一個(gè)氨基酸，因此從已知mRNA（或DNA）核苷酸順序可以準(zhǔn)確推導(dǎo)出蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)。
存在范圍和性質(zhì)
mRNA存在于原核和真核生物的細(xì)胞質(zhì)及真核細(xì)胞的某些細(xì)胞器（如和）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(jìn)化水平有關(guān)，高等生物所含的遺傳信息多，mRNA的種類也多。生物體內(nèi)某種mRNA的含量根據(jù)需要而有不同，如5齡蠶后部絲腺體的主要任務(wù)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(xì)菌需要不斷適應(yīng)外部環(huán)境，其體內(nèi)編碼某些誘導(dǎo)酶的mRNA的含量也較多。
原核和真核生物mRNA不同的特點(diǎn)
①原核生物mRNA常以多順?lè)醋樱ㄒ姡┑男问酱嬖?，即一條mRNA鏈編碼幾種功能相關(guān)聯(lián)的蛋白質(zhì)。真核生物mRNA一般以單順?lè)醋拥男问酱嬖?，即一種mRNA只編碼一種蛋白質(zhì)。②原核生物mRNA的轉(zhuǎn)錄與翻譯一般是偶聯(lián)的，即轉(zhuǎn)錄尚未完畢，蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)譯合成就已開始 真核生物轉(zhuǎn)錄的mRNA前體則需經(jīng)后加工，加工為成熟的mRNA與蛋白質(zhì)結(jié)合生成信息體后才開始工作 信息體中蛋白質(zhì)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(zhǎng)只有數(shù)小時(shí)（RNA噬菌體中的RNA除外）。真核生物mRNA的半壽期較長(zhǎng)，如胚胎中的mRNA可達(dá)數(shù)日。④原核與真核生物mRNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也不同。
一級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系
原核生物mRNA一般5'端有一段不翻譯區(qū)，稱前導(dǎo)順序，3'端有一段不翻譯區(qū)，中間是蛋白質(zhì)的編碼區(qū)，一般編碼幾種蛋白質(zhì)。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?lè)醋有问降募?xì)菌mRNA，如大腸桿菌脂蛋白mRNA。原核生物mRNA分子中一般沒(méi)有修飾核苷酸，也沒(méi)有5'端帽子結(jié)構(gòu)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(zhǎng)短不等的順序，含有較多的嘌呤核苷酸，被稱為SD順序。它能和核糖體小亞基上的16SrRNA的3'端富含嘧啶核苷酸的區(qū)域配對(duì)結(jié)合，有助于帶有甲酰甲硫氨酸的起始tRNA識(shí)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(dá)爾加諾發(fā)現(xiàn)的，所以稱為SD順序，也稱核糖體結(jié)合部位。原核生物mRNA的編碼區(qū)一般編碼幾種功能上相關(guān)聯(lián)的蛋白質(zhì)，兩種蛋白質(zhì)的編碼區(qū)之間常有一小段不翻譯的順序，叫做間隔區(qū)。有的噬菌體RNA中2個(gè)相鄰的順?lè)醋?/a>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(qū)共225個(gè)核苷酸中有189個(gè)核苷酸是由相鄰兩個(gè)蛋白質(zhì)共用的。原核mRNA與真核mRNA一樣使用同一套三聯(lián)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(dǎo)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(gòu)象，其中一種構(gòu)象是轉(zhuǎn)錄終止的信號(hào)，能使轉(zhuǎn)錄中止（或衰減）。衰減調(diào)節(jié)是原核生物合成氨基酸的調(diào)控方式之一（見）。
真核生物 mRNA（細(xì)胞質(zhì)中的）一般由5'端帽子結(jié)構(gòu)、5'端不翻譯區(qū)、翻譯區(qū)（編碼區(qū)）、3'端不翻譯區(qū)和3'端聚腺苷酸尾巴構(gòu)成（圖1a[真核生物mRNA結(jié)構(gòu)示意圖 a一級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖]）。分子中除 G構(gòu)成帽子外，常含有其他修飾核苷酸，如 A等。5'端帽子結(jié)構(gòu)通常有3種類型，即：G(5'）ppp(5')N； G(5')ppp(5') N和 G(5')ppp(5'） N。圖1b[真核生物mRNA結(jié)構(gòu)示意圖b 5'端帽子結(jié)構(gòu)式，，表示堿基]，表示堿基" class=image>[] 是帽子的化學(xué)結(jié)構(gòu)，N右邊的m代表核糖2'位羥基的甲基化。真核細(xì)胞線粒體中的mRNA無(wú)帽子結(jié)構(gòu)。一般認(rèn)為帽子的功能與翻譯的啟動(dòng)有關(guān)。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(qū)，也叫前導(dǎo)順序。不同的真核mRNA的前導(dǎo)順序長(zhǎng)度不同，有的只有10個(gè)核苷酸，有的則有200個(gè)核苷酸。與原核mRNA相似，真核mRNA5'端不翻譯區(qū)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(bǔ)并結(jié)合，這種結(jié)合與真核mRNA的翻譯啟動(dòng)有關(guān)。
翻譯區(qū)（編碼區(qū)）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(jiǎn)并現(xiàn)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(jiǎn)并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(gè)（UAG、UGA和UAA），其功能是停止翻譯，一般只用一個(gè)終止密碼子就能使翻譯停止。有的mRNA有2個(gè)連續(xù)的終止密碼子（見）。3'端不翻譯區(qū)的長(zhǎng)短在不同的mRNA上有所不同，β珠蛋白mRNA只有39個(gè)核苷酸，而卵白蛋白mRNA則有637個(gè)核苷酸。真核生物mRNA3'端不翻譯區(qū)常有 AAUAA(A）或AUUUA(A）等順序，它們和識(shí)別多聚A聚合酶及裝配多聚A尾巴有關(guān)。除個(gè)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(zhǎng)度隨來(lái)源不同而不同，且隨mRNA的老化而變短，通常有20～200個(gè)A。多聚A與mRNA穩(wěn)定性及mRNA從細(xì)胞核轉(zhuǎn)到細(xì)胞漿中有關(guān)。
真核生物mRNA的前體 真核生物mRNA通常都有相應(yīng)的前體。從DNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的原始轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物可稱作原始前體（或mRNA前體）。一般認(rèn)為原始前體要經(jīng)過(guò)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(zhì)編碼區(qū)被一些居間順序分隔成若干段；不同的基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物所含的居間順序的數(shù)目不同，人胰島素只有兩個(gè)，而牛眼的晶體蛋白則含有數(shù)十個(gè)；居間順序的長(zhǎng)短也各不相同，從數(shù)十個(gè)到上千個(gè)核苷酸（雞卵白蛋白有一個(gè)1550個(gè)核苷酸的居間順序）。居間順序?qū)⒃?/span>剪接過(guò)程中去除。約有10～40%的hnRNA含有3′端多聚A尾巴。hnRNA經(jīng)過(guò)進(jìn)一步加工切除居間順序并把分隔的蛋白質(zhì)編碼區(qū)連接起來(lái)，最終成為成熟的mRNA。
二級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系
DNA表達(dá)的信息需轉(zhuǎn)給一種“信使RNA”
真核生物mRNA也具有豐富的二級(jí)結(jié)構(gòu)，如鴨珠蛋白mRNA和兔珠蛋白mRNA分別有45～60%和55～62%的核苷酸殘基處在堿基配對(duì)之中。在真核生物蛋白質(zhì)啟動(dòng)復(fù)合物中，40S核糖體實(shí)際上覆蓋著mRNA上包括帽子結(jié)構(gòu)在內(nèi)的50～54個(gè)核苷酸，但是40S核糖體的大小比50個(gè)核苷酸的長(zhǎng)度小得多 由于形成的發(fā)夾結(jié)構(gòu)（二級(jí)結(jié)構(gòu)使帽子與起始密碼子之間的空間距離縮短）（圖3[真核生物mRNA ]），造成40S核糖體能夠覆蓋包括帽子結(jié)構(gòu)和起始密碼子 AUG在內(nèi)的50多個(gè)核苷酸，從而啟動(dòng)蛋白質(zhì)合成。不同的mRNA中發(fā)夾結(jié)構(gòu)的有無(wú)或多少各不相同。在蛋白質(zhì)合成肽鏈繼續(xù)延伸時(shí)，不需要帽子結(jié)構(gòu)參加，此時(shí)核糖體覆蓋的mRNA的區(qū)域約為25～35個(gè)核苷酸，mRNA的構(gòu)象已不同于啟動(dòng)階段而是處于一種伸展的狀態(tài)，從而有利于轉(zhuǎn)譯的延續(xù)。可見，折疊起來(lái)的mRNA二級(jí)結(jié)構(gòu)有利于蛋白質(zhì)合成的啟動(dòng)，以后mRNA處于伸展的狀態(tài)則有利于轉(zhuǎn)譯的繼續(xù)。
信使與密碼子
簡(jiǎn)介
遺傳信息從DNA分子抄錄到RNA分子中的過(guò)程稱為轉(zhuǎn)錄（transcription）。在真核生物中，最初轉(zhuǎn)錄生成的RNA稱為核不均一RNA（heterogeneous nuclear RNA，hnRNA），然而在細(xì)胞漿中起作用，作為蛋白質(zhì)的氨基酸序列合成模板的是mRNA（messenger RNA）。hnRNA是mRNA的未成熟前體。兩者之間的差別主要有兩點(diǎn)：一是hnRNA核苷酸鏈中的一些片段將不出現(xiàn)于相應(yīng)的mRNA中，這些片段稱為內(nèi)含子（intron），而那些保留于mRNA中的片段稱為外顯子（exon）。也就是說(shuō)，hnRNA在轉(zhuǎn)變?yōu)閙RNA的過(guò)程中經(jīng)過(guò)剪接，被去掉了一些片段，余下的片段被重新連接在一起；二是mRNA的5′末端被加上一個(gè)m7pGppp帽子，在mRNA3′末端多了一個(gè)多聚腺苷酸（polyA）尾巴。mRNA從5′末端到3′末端的結(jié)構(gòu)依次是5′帽子結(jié)構(gòu)，5′末端非編碼區(qū)，決定多肽氨基酸序列的編碼區(qū)，3′末端非編碼區(qū)，和多聚腺苷酸尾巴。多聚腺苷酸尾一般由數(shù)十個(gè)至一百幾十個(gè)腺苷酸連接而成。隨著mRNA存在時(shí)間的延續(xù)，這段聚A尾巴慢慢變短。因此，目前認(rèn)為這種3′末端結(jié)構(gòu)可能與增加轉(zhuǎn)錄活性以及使mRNA趨于相對(duì)穩(wěn)定有關(guān)。原核生物的mRNA沒(méi)有這種首、尾結(jié)構(gòu)。
1961年，Jacob和Monod首先提出了mRNA的概念。在真核細(xì)胞中，由于蛋白質(zhì)是在胞漿中而不是在核內(nèi)合成，因此顯然要求有一個(gè)中間物將DNA上的遺傳信息傳遞至胞漿中。后來(lái)的研究證實(shí)，這種中間物即信使RNA.?mRNA的核苷酸序列與DNA序列相應(yīng)，決定著合成蛋白質(zhì)的氨基酸序列。它如何指導(dǎo)氨基酸以正確的順序連接起來(lái)呢？不同的mRNA堿基組成和排列順序都不同，但都只有A，G，C，U4種堿基。如果一個(gè)堿基就可以決定一個(gè)氨基酸，則只有四種變化方式，如果兩個(gè)堿基決定一個(gè)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(shí)驗(yàn)得出了三個(gè)核苷酸編碼一個(gè)氨基酸的結(jié)論，并將這種三位一體的核苷酸編碼稱做遺傳密碼（genetic code）或三聯(lián)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(gè)以上的密碼。這一假定很快就被證明是對(duì)的。
遺傳密碼具特征
1．三個(gè)核苷酸組成一個(gè)密碼子，每個(gè)密碼子由三個(gè)前后相聯(lián)的核苷酸組成，一個(gè)密碼子只為一種氨基酸編碼。共有64個(gè)密碼子；
2．密碼子之間不重疊使用核苷酸，也無(wú)核苷酸間隔；
3．一種氨基酸可有多個(gè)密碼子，這個(gè)特點(diǎn)稱為密碼子的簡(jiǎn)并性；
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(zhì)合成都使用同一套密碼子表（表15-8），僅有極少的例外，如特殊細(xì)胞器線粒體，葉綠體所用的密碼稍有不同。
通用遺傳密碼及相應(yīng)的氨基酸
第一個(gè)核苷酸5′ 第二個(gè)核苷酸 第三個(gè)核苷酸3′
U C A G
苯丙氨酸 絲氨酸 酪氨酸半胱氨酸 C
亮氨酸 絲氨酸 終止碼 終止碼 A
亮氨酸 絲氨酸 終止碼 色氨酸 G
亮氨酸 脯氨酸 組氨酸 精氨酸 C
亮氨酸 脯氨酸谷氨酰胺 精氨酸 A
亮氨酸 脯氨酸 谷氨酰胺 精氨酸 G
異亮氨酸 蘇氨酸 天冬酰胺 絲氨酸 C
異亮氨酸 蘇氨酸 賴氨酸 精氨酸 A
蛋氨酸 蘇氨酸 賴氨酸 精氨酸 G
纈氨酸 丙氨酸 天冬氨酸 甘氨酸 C
纈氨酸 丙氨酸 谷氨酸 甘氨酸 A
纈氨酸 丙氨酸 谷氨酸 甘氨酸 G
密碼子 通用編碼 線粒體編碼
UGA 終止碼 色氨酸 色氨酸 色氨酸 終止碼
AUA 異亮氨酸 蛋氨酸 蛋氨酸 蛋氨酸 異亮氨酸
CUA 亮氨酸 亮氨酸 亮氨酸 蘇氨酸 亮氨酸
AGA 精氨酸 終止碼 絲氨酸 精氨酸 精氨酸
注：下標(biāo)橫線者為與通用編碼不同的編碼
究竟哪一個(gè)密碼子為哪一種氨基酸編碼，即密碼子與氨基酸之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系已在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于蛋白質(zhì)的體外合成。發(fā)現(xiàn)，當(dāng)所用的多聚核苷酸為多聚尿苷酸時(shí)，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(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，CCC為脯氨酸編碼，而AAA為賴氨酸編碼；其后，有人又用核苷酸比例為已知，但是核苷酸序列隨機(jī)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(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，將結(jié)果加以數(shù)理統(tǒng)計(jì)處理，又解讀了一批密碼子，其中包括三個(gè)終止碼，最后，還有一些密碼子是通過(guò)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(biāo)記的氨基酸的tRNA共沉淀原理予以解讀的。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(dǎo)核蛋白體上多肽鏈合成的過(guò)程）的起始信號(hào)，UAA、UAG和UGA不為任何氨基酸編碼，而是作為翻譯的終止信號(hào)，統(tǒng)稱為終止碼（stop codon），又常被叫作無(wú)意義碼（nonsense codon）。
大多數(shù)氨基酸是由一個(gè)以上的密碼子所編碼。這個(gè)事實(shí)提出了一個(gè)問(wèn)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(xì)致的分析表明，無(wú)論是原核生物，還是高等真核生物，密碼子的使用頻率并不是平均的，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(xì)胞內(nèi)tRNA含量呈正相關(guān)。
傳遞
簡(jiǎn)介
轉(zhuǎn)錄是在原核和真核細(xì)胞中以DNA為模板合成RNA的過(guò)程。
在原核和真核生物中，轉(zhuǎn)錄過(guò)程是相似的。包括DNA變性，RNA聚合酶結(jié)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(zhuǎn)錄模板，合成單鏈RNA分子。啟動(dòng)子和終止子序列決定轉(zhuǎn)錄的起始和終止。
在E.coli中RNA多聚酶轉(zhuǎn)錄各種RNA（mRNA，tRNA和rRNA）。在真核細(xì)胞中有三類不同的RNA多聚酶，它們的功能不同。RNA pol Ⅰ轉(zhuǎn)錄4種rRNA中的3種；RNA pol Ⅱ轉(zhuǎn)錄mRNA和一些snRNA；RNAⅢ轉(zhuǎn)錄第四種rRNA，tRNA以及其余的snRNA。
3種真核生物的RNA pol，不像E.coli RNA pol，沒(méi)有一個(gè)直接地和啟動(dòng)子區(qū)結(jié)合，而是通過(guò)轉(zhuǎn)錄起始因子的介導(dǎo)來(lái)起始RNA的合成。對(duì)于每一種RNA多聚酶來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)錄因子是特異的，它可以識(shí)別啟動(dòng)子的特殊序列。
蛋白質(zhì)編碼基因的啟動(dòng)子位于轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)的上游，由不同組合的啟動(dòng)原件所構(gòu)成。特異的轉(zhuǎn)錄因子和調(diào)節(jié)因子結(jié)合在這些原件上，促進(jìn)RNA pol Ⅱ轉(zhuǎn)錄起始。增強(qiáng)子離啟動(dòng)子較遠(yuǎn)，它可被調(diào)節(jié)因子識(shí)別結(jié)合，具有促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄的功能。
由RNA pol Ⅲ轉(zhuǎn)錄的啟動(dòng)子，位于下游，在其基因編碼序列內(nèi)部。這種啟動(dòng)子，根據(jù)所轉(zhuǎn)錄的RNA的種類，由不同的功能區(qū)組合而構(gòu)成。轉(zhuǎn)錄因子識(shí)別這些功能區(qū)，促進(jìn)RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄起始。
18S，5.8S和28S rRNA作為一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位一道轉(zhuǎn)錄，產(chǎn)生前體RNA分子。大部分真核生物的18S，5-8S和28S rRNA都是以串聯(lián)重復(fù)排列，每個(gè)重復(fù)單位被不轉(zhuǎn)錄的間隔序列（nontranscribed specer,NTs）所分隔。轉(zhuǎn)錄單位的啟動(dòng)子位于NTS中，其功能是和特異的轉(zhuǎn)錄因子相結(jié)合，促進(jìn)RNA pol Ⅰ的轉(zhuǎn)錄起始。
中心法則的提出
從孟德爾定律問(wèn)世以后，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(xué)說(shuō)的建立進(jìn)一步地明確了基因是以酶的形式通過(guò)控制生化反應(yīng)鏈來(lái)控制的。酶或蛋白和基因又是什么樣的關(guān)系呢？也就是說(shuō)遺傳信息怎樣傳遞，怎樣表達(dá)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(cè)（central dogma），指出了遺傳信息的傳遞方向：
DNA → RNA→蛋白質(zhì)
DNA RNA →蛋白質(zhì)
也就是說(shuō)由DNA通過(guò)轉(zhuǎn)錄將遺傳信息傳遞給RNA，RNA通過(guò)翻譯把信息傳遞給蛋白。通過(guò)這種單向的傳遞，遺傳信息通過(guò)蛋白質(zhì)的不同形式，如酶，結(jié)構(gòu)蛋白，運(yùn)載蛋白，調(diào)節(jié)蛋白等表達(dá)成一種性狀。
與轉(zhuǎn)運(yùn)區(qū)別
區(qū)分mRNA和tRNA，可以從結(jié)構(gòu)和功能這兩個(gè)方面去把握。
結(jié)構(gòu)
mRNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)，tRNA的二級(jí)、三級(jí)結(jié)構(gòu)是經(jīng)常考察的內(nèi)容，需要仔細(xì)區(qū)分。
⑴真核生物的mRNA的5' 端有帽子結(jié)構(gòu)，3' 端為多聚腺苷酸（poly(A））尾巴。
⑵tRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)呈三葉草形。三葉草形結(jié)構(gòu)由氨基酸臂、二氫尿嘧啶環(huán)、反密碼環(huán)、額外環(huán)和TφC環(huán)等5個(gè)部分組成。其中，氨基酸臂末端為CCA；反密碼環(huán)中部為反密碼子，由3個(gè)堿基組成。反密碼子可識(shí)別mRNA的密碼子。
⑶tRNA折疊形成三級(jí)結(jié)構(gòu)。tRNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)呈倒L形，反密碼環(huán)和氨基酸臂分別位于倒L的兩端。
功能
⑴mRNA是合成蛋白質(zhì)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(xì)胞內(nèi)mRNA的種類也是很多的。它將DNA上的遺傳信息轉(zhuǎn)錄下來(lái)，攜帶到核糖體上，在那里以密碼的方式控制蛋白質(zhì)分子中氨基酸的排列順序，作為蛋白質(zhì)合成的直接模板。
⑵tRNA的功能是轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸。在蛋白質(zhì)合成過(guò)程中，tRNA與合成蛋白質(zhì)所需的單體——氨基酸形成復(fù)合物，將氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)到核糖體中mRNA的特定位置上。
與反轉(zhuǎn)錄
簡(jiǎn)介
定義：以反義RNA為模版，通過(guò)反轉(zhuǎn)錄酶，進(jìn)行的RNA轉(zhuǎn)錄
信使RNA
2．反轉(zhuǎn)錄酶與反轉(zhuǎn)錄過(guò)程
反轉(zhuǎn)錄過(guò)程由反轉(zhuǎn)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(bǔ)DNA（cDNA）。反轉(zhuǎn)錄酶存在于一些RNA病毒中，可能與病毒的惡性轉(zhuǎn)化有關(guān)。人類免疫缺陷病毒（HIV）也是一種RNA病毒，含有反轉(zhuǎn)錄酶。在小鼠及人的正常細(xì)胞和胚胎細(xì)胞中也有反轉(zhuǎn)錄酶，推測(cè)可能與細(xì)胞分化和胚胎發(fā)育有關(guān)。
生物學(xué)意義
反轉(zhuǎn)錄的發(fā)現(xiàn)有重要的理論意義和實(shí)踐意義。
1．對(duì)分子生物學(xué)的中心法則進(jìn)行了修正和補(bǔ)充，修正后的中心法則表示為：
可扼殺信使
microRNA雖然只有19－21個(gè)核苷長(zhǎng)度，但能夠通過(guò)綁定和中和負(fù)責(zé)蛋白翻譯的信使RNA，沉默大片段基因。迄今發(fā)現(xiàn)的microRNA已達(dá)到幾百種，它們?cè)诨蚪M中的調(diào)節(jié)作用日益引起人們關(guān)注。
最近，Wistar研究所的研究人員發(fā)現(xiàn)microRNA會(huì)經(jīng)歷一種生理學(xué)后果嚴(yán)重的分子編輯過(guò)程（molecular editing），序列的一個(gè)替換會(huì)改變這些microRNA的作用靶標(biāo)，抑制非預(yù)期匹配物的表達(dá)，編輯過(guò)程出錯(cuò)會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的健康問(wèn)題。詳細(xì)內(nèi)容刊登于2月23日《Science》雜志。
“我們發(fā)現(xiàn)，某些情況下已編輯的microRNA版本與未經(jīng)編輯的版本只有一個(gè)核苷差異，”文章高級(jí)作者、Wistar研究所基因表達(dá)和校準(zhǔn)程序教授 Kazuko Nishikura博士說(shuō)，“這些已編輯的microRNA不是由DNA編碼的，意味著至少兩個(gè)版本來(lái)自于同一個(gè)基因，這是未曾料到的……進(jìn)一步觀察，我們發(fā)現(xiàn)替換只出現(xiàn)在分子的特定關(guān)鍵區(qū)域，總共19或21個(gè)核苷長(zhǎng)度分子的第7或8位核苷，這兩個(gè)位點(diǎn)規(guī)定了靶標(biāo)的特異性。提示替換可能會(huì)使已編輯的microRNA與未編輯的microRNA沉默完全不同的靶標(biāo)?！?/span>
利用生物信息學(xué)工具將一種microRNA的已編輯版本和未編輯版本與已知的基因序列數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)，研究人員鑒別出分別是兩種不同版本分子的靶標(biāo)的兩組完全不同的基因，并從每組中分別挑選出三個(gè)基因，進(jìn)一步觀察microRNA是否會(huì)改變這些基因的表達(dá)效果。
接下來(lái)，研究人員隨機(jī)挑選出一個(gè)預(yù)期的靶標(biāo)基因，探測(cè)microRNA的衍生物的潛能。所挑選的基因?yàn)镻RPS1，其所編碼的酶在尿酸合成中發(fā)揮關(guān)鍵作用。如果調(diào)節(jié)此酶不當(dāng)，多種健康問(wèn)題會(huì)接踵而來(lái)。比如，表達(dá)量過(guò)高會(huì)引起血液中尿酸水平上升，引起風(fēng)濕痛；大腦中尿酸水平過(guò)高會(huì)損傷感覺(jué)神經(jīng)元，引起失聰。
在不能進(jìn)行RNA編輯（RNA editing）的轉(zhuǎn)基因小鼠和正常小鼠身上的實(shí)驗(yàn)顯示，完全缺乏已編輯版本microRNA的小鼠，PRPS1酶水平是對(duì)照組的2倍，尿酸水平也是對(duì)照組的2倍。
Nishikura 說(shuō)這些證實(shí)，最初計(jì)算機(jī)所預(yù)測(cè)的同一基因編碼的未經(jīng)編輯的、已編輯的microRNA的不同靶標(biāo)是正確的。至少對(duì)于PRPS1來(lái)說(shuō)是正確的，未經(jīng)編輯的和已編輯的microRNA的差異的生理學(xué)效果在尿酸水平的上升程度上顯示出來(lái)。
即便說(shuō)PRPS1基因是研究人員隨機(jī)挑選的，但研究結(jié)果提示一系列其它迄今原因未明的疾病很有可能是由新發(fā)現(xiàn)的microRNA編輯過(guò)程引起的。
提取分離純化
真核細(xì)胞的mRNA分子最顯著的結(jié)構(gòu)特征是具有5’端帽子結(jié)構(gòu)（m7G）和3’端的Poly(A）尾巴。絕大多數(shù)哺乳類動(dòng)物細(xì)胞mRNA的3’端存在20-30個(gè)腺苷酸組成的Poly（A）尾，通常用Poly（A+）表示。這種結(jié)構(gòu)為真核mRNA的提取，提供了極為方便的選擇性標(biāo)志，寡聚（dT）纖維素或寡聚（U）瓊脂糖親合層析分離純化mRNA的理論基礎(chǔ)就在于此。mRNA的分離方法較多，其中以寡聚（dT）-纖維素柱層析法最為有效，已成為常規(guī)方法。此法利用mRNA 3’末端含有Poly（A+）的特點(diǎn)，在RNA流經(jīng)寡聚（dT）纖維素柱時(shí)，在高鹽緩沖液的作用下，mRNA被特異地結(jié)合在柱上，當(dāng)逐漸降低鹽的濃度時(shí)或在低鹽溶液和蒸餾水的情況下，mRNA被洗脫，經(jīng)過(guò)兩次寡聚（dT）纖維柱后，即可得到較高純度的mRNA。寡聚（dT）纖維素柱純化mRNA
試劑準(zhǔn)備
1．3M醋酸鈉（pH 5.2) 2．0.1M NaOH 3．1×上樣緩沖液：20mM Tris-HCl(pH 7.6）；0.5M NaCl；1M EDTA（pH 8.0）；0.1%SLS（十二烷基氨酸鈉。配制時(shí)可先配制Tris-HCl(pH 7.6）、NaCl、EDTA（pH 8.0）的母液，經(jīng)高壓消毒后按各成分確切含量，經(jīng)混合后再高壓消毒，冷卻至65℃時(shí)，加入經(jīng)65℃溫育（30min）的10%SLS至終濃度為0.1%。4．洗脫緩沖液：10mM Tris-HCl(pH 7.6）；1mM EDTA(pH 8.0）；0.05% SDS 5．無(wú)水乙醇、70%乙醇 6．DEPC
操作步驟
1．將0.5-1.0g寡聚（dT）-纖維懸浮于0.1M的NaOH溶液中。2．用DEPC處理的1ml注射器或適當(dāng)?shù)奈?，將寡聚（dT）-纖維素裝柱0.5-1ml，用3倍柱床體積的DEPC H2O洗柱。3．使用1×上樣緩沖液洗柱，直至洗出液pH值小于8.0。4．將RNA溶解于DEPC H2O中，在65℃中溫育10min左右，冷卻至室溫后加入等體2×上樣緩沖液，混勻后上柱，立即收集流出液。當(dāng)RNA上樣液全部進(jìn)入柱床后，再用1×上樣緩沖液洗柱，繼續(xù)收集流出液。5．將所有流出液于65℃加熱5min，冷卻至室溫后再次上柱，收集流出液。6．用5-10倍柱床體積的1×上樣緩沖液洗柱，每管1ml分部收集，OD260測(cè)定RNA含量。前部分收集管中流出液的OD260值很高，其內(nèi)含物為無(wú)Poly(A）尾的RNA。后部分收集管中流出液的OD260值很低或無(wú)吸收。7．用2-3倍柱容積的洗脫緩沖液洗脫P(yáng)oly(A+)RNA，分部收集，每部分為1/3-1/2柱體積。8．OD260測(cè)定Poly(A+)RNA分布，合并含Poly(A+)RNA的收集管，加入1/10體積3M NaAc（pH5.2）、2.5倍體積的預(yù)冷無(wú)水乙醇，混勻，-20℃放置30min。9．4℃離心，10000g×15min，小心吸棄上清。用70%乙醇洗滌沉淀。[注意：此時(shí)Poly(A+)RNA的沉淀往往看不到]。4℃離心，10000g×5min，棄上清，室溫晾干。10. 用適量的DEPC H2O溶解RNA。
應(yīng)用
2020年12月，美國(guó)食品和藥物管理局(FDA)授權(quán)一款運(yùn)用mRNA(信使核糖核酸)技術(shù)研制的新冠疫苗的緊急使用許可。
2022年2月，南非一公司3日對(duì)當(dāng)?shù)孛襟w表示，該公司利用已公開的新冠疫苗核酸序列，開發(fā)出非洲大陸首款mRNA（信使核糖核酸）新冠疫苗，計(jì)劃今年底前開展臨床試驗(yàn)。
南非當(dāng)?shù)貢r(shí)間2022年2月4日，據(jù)南非主流媒體報(bào)道，南非生物技術(shù)公司阿菲利根(Afrigen)日前已成功研制生產(chǎn)出非洲大陸首個(gè)mRNA新冠肺炎疫苗，該疫苗將于2022年11月正式投入臨床試驗(yàn)。
2022年4月29日，斯微（上海）生物科技股份有限公司自主研發(fā)的新冠病毒mRNA疫苗已獲得國(guó)家藥監(jiān)局批準(zhǔn)，將開展臨床試驗(yàn)。
2022年9月，美國(guó)俄勒岡州立大學(xué)和俄勒岡健康與科學(xué)大學(xué)研究人員開發(fā)出了首個(gè)用于治療卵巢癌以及惡病質(zhì)的信使核糖核酸（mRNA）療法。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)小鼠身上開展了相關(guān)研究并取得了成功。
注意事項(xiàng)
1．整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程必須防止Rnase的污染。2．步驟⑷中將RNA溶液置65℃中溫育然后冷卻至室溫再上樣的目的有兩個(gè)，一個(gè)是破壞RNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)，尤其是mRNA Poly(A+）尾處的二級(jí)結(jié)構(gòu)，使Poly(A+）尾充分暴露，從而提高Poly(A+)RNA的回收率；另一個(gè)目的是能解離mRNA與rRNA的結(jié)合，否則會(huì)導(dǎo)致rRNA的污染。所以此步驟不能省略。3．十二烷基肌氨酸鈉鹽在18℃以下溶解度下降，會(huì)阻礙柱內(nèi)液體流動(dòng)，若室溫低于18℃最好用LiCl替代NaCl。4．寡聚（dT）-纖維素柱可在4℃貯存，反復(fù)使用。每次使用前應(yīng)該依次用NaOH、滅菌 ddH2O、上樣緩沖液洗柱。5．一般而言，107哺乳動(dòng)物培養(yǎng)細(xì)胞能提取1-5μg Poly(A+)RNA，約相當(dāng)于上柱總RNA量的1%-2%。
參考資料
[1]
國(guó)際要聞回顧 · 中國(guó)科技網(wǎng)[引用日期2022-11-28]
[2]
第十七章 RNA的合成與加工 · 道客巴巴[引用日期2022-11-28]
[3]
用RTPCR對(duì)mRNA進(jìn)行定量分析 · 道客巴巴[引用日期2022-11-28]
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阿拉伯（阿拉伯語(yǔ)：???????），可指阿拉伯民族，也可指阿拉伯世界。阿拉伯民族起源于閃米特種族，是閃族最年輕的一支，親緣上與希伯來(lái)人相近。阿拉伯世界泛指阿拉伯人居住的地區(qū)，阿拉伯世界共有22個(gè)國(guó)家和地區(qū)。
薩拉丁·本（1137年—1193年），全名阿馬里克·納賽爾·薩拉丁·阿布一穆沙發(fā)·優(yōu)素?！ひ帘尽ぐ⒂炔迹⊿alah-al-Din Yusuflbn-A yyub），庫(kù)爾德人，埃及阿尤布王朝的開國(guó)君主，在位23年。
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這家伙太懶了，什么都沒(méi)寫！
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