信使核糖核酸
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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]。
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]| 氨基酸生化性质 | 非极性 | 极性 | 碱性 | 酸性 | 终止密码子 |
| 碱基1 | 碱基2 | 碱基3 | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| U | C | A | G | ||||||
| U | UUU | （Phe/F） |
UCU | （Ser/S） |
UAU | （Tyr/Y） |
UGU | （Cys/C） |
U |
| UUC | UCC | UAC | UGC | C | |||||
| UUA | （Leu/L） |
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） |
CAU | （His/H） |
CGU | （Arg/R） |
U | |
| CUC | CCC | CAC | CGC | C | |||||
| CUA | CCA | CAA | （Gln/Q） |
CGA | A | ||||
| CUG | CCG | CAG | CGG | G | |||||
| A | AUU | （Ile/I） |
ACU | （Thr/T） |
AAU | （Asn/N） |
AGU | （Ser/S） |
U |
| AUC | ACC | AAC | AGC | C | |||||
| AUA | ACA | AAA | （Lys/K） |
AGA | （Arg/R） |
A | |||
| AUG[A] | （Met/M） |
ACG | AAG | AGG | G | ||||
| G | GUU | （Val/V） |
GCU | （Ala/A） |
GAU | （Asp/D） |
GGU | （Gly/G） |
U |
| GUC | GCC | GAC | GGC | C | |||||
| GUA | GCA | GAA | （Glu/E） |
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.
- ^ 2.0 2.1 William F. Marzluff, Eric J. Wagner & Robert J. Duronio. Metabolism and regulation of canonical histone mRNAs: life without a poly(A) tail. Nature Reviews Genetics. November 2008, 9 (11): 843–854. PMC 2715827
. PMID 18927579. doi:10.1038/nrg2438.
- ^ 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.
- ^ Berg, Tymoczko & Stryer 2007，第841页
- ^ 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.
- ^ Nakamoto T. Evolution and the universality of the mechanism of initiation of protein synthesis. Gene. March 2009, 432 (1–2): 1–6. PMID 19056476. doi:10.1016/j.gene.2008.11.001.
- ^ 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.