[科普中國]-信使RNA

信使RNA是由DNA的一條鏈作為模板轉(zhuǎn)錄而來的、攜帶遺傳信息的能指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的一類單鏈核糖核酸。

以細(xì)胞中基因?yàn)槟０?，依?jù)堿基互補(bǔ)配對原則轉(zhuǎn)錄生成mRNA后，mRNA就含有與DNA分子中某些功能片段相對應(yīng)的堿基序列，作為蛋白質(zhì)生物合成的直接模板。mRNA雖然只占細(xì)胞總RNA的2%~5%，但種類最多，并且代謝十分活躍，是半衰期最短的一種RNA，合成后數(shù)分鐘至數(shù)小時即被分解。1

簡介信使核糖核酸信使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。2

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聚合酶將初級轉(zhuǎn)錄物mRNA（稱為前mRNA）轉(zhuǎn)錄成加工過的成熟mRNA，這種成熟的mRNA被翻譯成蛋白質(zhì)。

如在DNA中一樣，mRNA遺傳信息也保存在核苷酸序列中，其被排列成由每個三個堿基對組成的密碼子。每個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)。

原核生物和真核生物mRNA有不同的特點(diǎn)原核生物mRNA常以多順反子的形式存在。真核生物mRNA一般以單順反子的形式存在。3

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 ，最長只有數(shù)小時（RNA噬菌體中的RNA除外）。真核生物mRNA的半衰期較長， 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，原核生物沒有這樣的首尾結(jié)構(gòu)。

單順反子與多順反子mRNA翻譯產(chǎn)物僅是單個蛋白質(zhì)鏈（多肽）的mRNA稱為單順反子mRNA。大多數(shù)真核mRNA都屬于單順反子mRNA。多順反子mRNA攜帶幾個開放閱讀框（ORF），每個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。這些多肽鏈對應(yīng)的DNA片斷則位于同一轉(zhuǎn)錄單位內(nèi)，享用同一對起點(diǎn)和終點(diǎn)。細(xì)菌和古細(xì)菌中的大多數(shù)mRNA是多順反子的。

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。

合成和加工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。

轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄是指由DNA合成RNA的過程。在轉(zhuǎn)錄期間，RNA聚合酶根據(jù)需要將一個基因的DNA拷貝成mRNA，這個過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5'-5'-三磷酸鍵與第一轉(zhuǎn)錄出的核苷酸連接。它的存在對于核糖體的識別和對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，但此時的poly（A）尾巴促進(jìn)而不是防止核酸外切酶對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)。 這一過程可能受不同信號通路的調(diào)節(jié)。成熟的mRNA通過其加工的修飾被識別，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，或者通過信號識別顆粒導(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。

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mRNA可以存活數(shù)秒至超過一小時，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。

原核mRNA的降解原核生物mRNA的降解是不同核糖核酸酶包括核酸內(nèi)切酶，3'核酸外切酶和5'核酸外切酶的共同作用的結(jié)果。在一些情況下，長度為數(shù)十至數(shù)百個核苷酸的小RNA分子（sRNA）可通過與互補(bǔ)序列堿基配對來促進(jìn)RNase III對特定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會被外來體復(fù)合物或脫帽復(fù)合物降解。通過這種方式，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。

提取、分離和純化真核細(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)哺乳類動物細(xì)胞mRNA的3’端存在20-30個腺苷酸組成的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，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或在低鹽溶液和蒸餾水的情況下，mRNA被洗脫，經(jīng)過兩次寡聚（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。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

張巖 - 副研究員 - 北京大學(xué)分子醫(yī)學(xué)研究所