信使核糖核酸

[拼音]：xinshi hetanghesuan

[外文]：messenger ribonucleic acid，mRNA

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＇)NmN和M7G(5＇)ppp（5＇）NmNmN。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。

图1

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。

图2

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。

图3
参考书目
  1. 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。
  2. 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.
  3. W.I.P.Mainwaring et.al.，Nucleic Acid Biochemistry and Molecular Biology， Blackwell Scientific Publications，Oxford，London，1982.