从 (DNA)
转录合成的带有
遗传信息的一类单链(RNA),它在上作为蛋白质合成的模板,决定
肽链的排列顺序。1961年F.雅各布和根据大肠杆菌
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(如和)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不同的特点
①原核生物mRNA常以
多顺反子(见)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,M 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)。
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[
真核生物mRNA结构示意图 a
一级结构示意图])。分子中除 G构成帽子外,常含有其他修饰
核苷酸,如 A等。5'端帽子结构通常有3种类型,即:G(5')ppp(5')N; G(5')ppp(5') N和 G(5')ppp(5') N。图1b[真核生物mRNA结构示意图b 5'端帽子结构式,,表示
碱基],表示碱基" class=image>[] 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。
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)。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 [噬菌体M RNA中成熟蛋白] RNA中成熟蛋白" class=image>[编码区的二级结构及外壳蛋白的
起始密码子AUG的位置])。
原核生物,例如M 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。M RNA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
DNA表达的信息需转给一种“信使RNA”
。但用甲醛处理M RNA破坏
二级结构后,则翻译成熟蛋白的效率提高。图2[噬菌体M RNA中成熟蛋] RNA中成熟蛋" class=image>[白编码区的二级结构及外壳蛋白的
起始密码子AUG的位置] 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。
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[真核生物mRNA ]),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。