2015-07-21 15:07:21

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信使RNA是由DNA的一条链作为模板转录而来的、携带遗传信息的能指导蛋白质合成的一类单链核糖核酸

基本信息

  • 中文名

    信使核糖核酸

  • 外文名

    Messenger RNA (mRNA)

  • 属性

    携带遗传信息

  • 类型

    蛋白质

折叠 编辑本段 信息介绍

Messenger RNA (mRNA)——信使核糖核酸信使核糖核酸信使核糖核酸

携带遗传信息,在蛋白质合成时充当模板的RNA。信使RNA

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。mRNA存在于原核生物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。

原核生物和真核生物mRNA有不同的特点:

①原核生物mRNA常以多顺反子的形式存在。真核生物mRNA一般以单顺反子的形式存在。

②原核生物mRNA的转录与翻译一般是偶联的,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。

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。

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。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分子中除m7G构成帽子外,常含有其他修饰核苷酸mrnamrna,如m6A等。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。

通常mRNA(单链)分子自身回折产生许多双链结构。原核生物,经计算有66.4%的核苷酸以双链结构的形式存在。真核生物mRNA也具有丰富的二级结构,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。

mRNA的复制,转录和翻译:由一个DNA分子,边解旋,边转录。利用细胞核内部的游离核糖核苷酸和成其需要的碱基,规则遵循碱基互补配对原则。注:因为mRNA没有T(胸腺嘧啶),所以模版中出现A(腺嘌呤)时,由U(尿嘧啶)代替。以上过程叫做转录,在细胞核中完成。接着,mRNA穿过核孔。和细胞质中的核糖体结合。选择tRNA运输氨基酸,和对应的三个碱基排列好(如何排列请查询:密码子)。再与其它的氨基酸通过肽键连接在一起,形成肽链。以上过程叫做翻译,在细胞质中完成。信使核糖核酸传递过程信使核糖核酸传递过程

虽然人们已经破译了决定生命基础的蛋白质的氨基酸合成密码,也知道了是DNA携带着这种密码,但是,根据细胞学所掌握的事实:所有DNA都呆在细胞核内,而蛋白质却存在于细胞质中,像DNA这样的大分子是无法随意进入细胞质的。然而密码总是会被带入细胞质的,这一来,人们不禁要问,是谁把锁在细胞核内的DNA手里的密码带入了细胞质的呢?科学家们从DNA那里拷贝了一份密码文件,并带入了细胞质中。经过试验和观察,发现这个信使就是RNA——核糖核酸。

折叠 编辑本段 ​信息发现

储存在DNA分子中的这种遗传信息能在复制中产生更多的拷贝,并翻译成蛋白质。DNA的功能构成了信息的流动,遗传信息如何转变成蛋白质呢?转录就是其中的重要的一环。基因表达时以DNA的一条链为模板合成RNA,这一过程就是转录(transcription)。催化合成RNA的酶叫做RNA聚合酶(RNA polymerase)。RNA和DNA结构相似,所不同之处在于:⑴RNA一般以单链形式存在;⑵RNA中的核糖其C′-2不脱氧;⑶尿苷(U)取代了DNA中的胸苷。细胞中的RNA分成三种:mRNA(信使RNA),tRNA(转运RNA)和rRNA(核糖体RNA)。它们的功能各不相同。mRNA是合成蛋白质的模板,tRNA是转运特异氨基酸的运载工具,rRNA是合成蛋白质的装置。mRNA的碱基序列,决定着蛋白质装配时氨基酸的序列。

1955年Brachet用洋葱根尖和变形虫进行了实验;若加入RNA酶降解细胞中的RNA,则蛋白质合成就停止,若再加入从酵母中提取的RNA,则又可以重新合成一些蛋白质,这就表明,蛋白质的合成是依赖于RNA。

同年Goldstein和Plaut用同位素标记变形虫(Amoeba proteus)RNA前体,发现标记的RNA都在核内,表明RNA是在核内合成的。在标记追踪(pulse-chase)实验中,用短脉冲标记RNA前体,然后将细胞核转移到未标记的变形虫中。经过一段时间发现被标记的RNA分子已在细胞质中,这就表明RNA在核中合成,然后转移到细胞质内,而蛋白质就在细胞质中合成,因此RNA就成为在DNA和蛋白质之间传递信息的信使的最佳候选者。

1956年Elliot Volkin和 Lawrence Astrachan作了一项很有意思的观察:当E.coli被T2感染,迅速停止了RNA的合成,但噬菌的RNA却开始迅速合成。用同位素脉冲一追踪标记表明噬菌的RNA在很短的时间内就进行合成,但很快又消失了,表明RNA的半衰期是很短的。由于这种新合成的RNA的碱基比和T2的DNA碱基比相似,而和细菌的碱基比不同,所以可以确定新合成的RNA是T2的RNA。由于T2感染细菌时注入的是DNA,而在细胞里合成的是RNA,可见DNA是合成RNA的模板。最令人信服的证据来自DNA-RNA的杂交实验。Hall.B.D和Spiegeman,S,将T2噬菌体感染E.coli后立即产生的RNA分离出来,分别与T2和E.coli的DNA进行分子杂交,结果发现这种RNA只能和T2的DNA杂交形成“杂种”链,而不能和E.coli的DNA进行杂交。表明T2产生的这种RNA(即mRNA)至少和T2的DNA中的一条链是互补的。

Brenner,s. Jacob,F.和Meselson(1961)进行了一系列的的实验(图12-2),他们将E.coli培养在15N/13C的培养基中,因此合成的RNA和蛋白都被“重”同位素所标记。也就是说凡是“重”的核糖体,RNA和蛋白都是细菌的,然后用T2感染E.coli,细菌的RNA停止合成,而开始合成T2的RNA此时用普通的“轻”培养基(14N/12C),但分别以32P来标记新合成的T2 RNA,以35S标记新合成的T2蛋白,因此任何重新合成的核糖体,RNA,及蛋白都是“轻”的但带但有放射性同位素。经培养一段时间后破碎细胞,加入过量的轻的核糖体作对照,进行密度梯度离心,结果“轻”的核糖体上不具有放射性,“重”的核糖体上具有32P和35S,表明⑴T2未合成核糖体,“轻”核糖体却是后加放的。⑵T2翻译时是借用了细菌原来合成的核糖体,所以核糖体并无特异性,核糖体上结合的mRNA,其序列的特异性才是指导合成蛋白质的遗传信息,从而提出了mRNA作为“信使”的证据。因此他们将这种能把遗传信息从DNA传递到蛋白质上的物质称为“信使”。他们预言⑴这种“信使”应是一个多核苷酸;⑵②其平均分子量不小于5acute;105(假定密码比是3),足以携带一个基因的遗传信息;⑶它们至少是暂时连在核糖体上;⑷其碱基组成反映了DNA的序列;⑸它们能高速更新。Volkin和Astrachan发现高速更新的RNA似乎完全符合以上条件。Jacob和Monod将它定名为信使RNA(Messenger RNA)或mRNA。

折叠 编辑本段 合成与加工

折叠 第一节DNA转录生成RNA

一、定义

一转录单位

启动子(promoter)

三终止子(terminator)

二、RNA聚合酶

一酶的特性:以4种NTP为底物,需模板和镁离子,合成方向也是5以DNA为模板形成信使RNA的过程

’-3’,但不需要引物。

二酶的分类:

1.噬菌体的RNA聚合酶结构简单,是单链蛋白,功能也简单。

2.细菌则具有复杂的多亚基结构(450Kd),可识别并转录超过1000个转录单位。

3.真核生物的酶有多种,根据a-鹅膏蕈碱(环状8肽,阻断RNA延伸)的抑制作用可分为三类:聚合酶A对它不敏感,分布于核仁,转录核糖体RNA;聚合酶B对低浓度敏感,存在于核质,转录信使RNA;聚合酶C位于核质,对高浓度敏感,转录小分子量RNA,如转运RNA、5SRNA等。各种RNA聚合酶都是由10-15种不同亚基组成的多亚基复合物。

4. 线粒体和叶绿体也有RNA聚合酶,结构简单,能合成所有种类RNA。

三酶的构成:大肠杆菌的全酶有5个亚基(α2ββ’ωσ),含2个锌。β催化形成磷酸二酯键,β’结合模板,σ亚基称为起始因子,可使RNA聚合酶稳定地结合到启动子上。ββ’ωσ称为核心酶。σ亚基在不同菌种间变动较大,而核心酶比较恒定。酶与不同启动子的结合能力不同,不同启动因子可识别不同的启动子。σ70识别启动子共有序列,σ32识别热休克基因,σ60在氮饥饿时起作用。σ通过随机移动起作用,不需解链。

四模板:以完整双链DNA为模板,其中仅一条链可转录。转录时局部解链,转录后DNA重新形成双螺旋结构,所以DNA是全保留的。

三、转录过程

分为起始、延长和终止三个阶段。起始包括对双链DNA特定部位的识别、局部(17bp)解链以及在最初两个核苷酸间形成磷酸二酯键。第一个核苷酸掺入的位置称为转录起点。

起始后起始因子离开,核心酶构象改变,沿模板移动,转录生成杂交双链(12bp)。随后DNA互补链取代RNA链,恢复DNA双螺旋结构。延伸速度为50nt/s,酶移动17nm。错误几率为10-5。

聚合酶到达终点时,在终止辅助因子的帮助下停止反应,酶和RNA链脱落,转录结束。

四、启动子和转录因子

一定义:酶识别、结合、开始转录的一段DNA序列。强启动子2秒钟启动一次转录,弱启动子10分钟一次。

二原核生物:大肠杆菌在起点上游约-10碱基对处有保守序列TATAAT,称为pribnow box,有助于局部解链。在其上游还有TTGACA,称为-35序列,提供RNA聚合酶识别的信号。

三真核生物:复杂,差异较大。

1.信使RNA的启动子通常有三个保守区,-25到-30有TATA框,是解链位置,并决定转录起点;-75位置有CAAT框,与RNA聚合酶的结合有关;更上游还有GC框,某些转录因子可结合。后两个称为上游因子,对转录起始频率有较大影响;

2. 小RNA的启动子在转录区内部,有一些辅助因子帮助RNA聚合酶识别。

五、终止子和终止因子

一定义

二所有原核生物的终止子在终点之前都有一个回文结构,可使酶减慢移动或暂停合成。大肠杆菌有两类终止子:

1. 简单终止子,回文区有一段富含GC对的序列,回文后有寡聚尿苷。

2.依赖ρ的终止子,必须在有ρ因子时才能发挥作用,不含GC对,也无寡聚尿苷。ρ因子是蛋白质,可与酶作用,释放RNA,并使酶脱离。

三某些因子可使酶越过终止子继续转录,称为通读。常见于某些噬菌体的时序控制,早期基因与晚期基因以终止子相隔,早期基因产生抗终止因子,使发生通读以表达晚期基因。

六、转录的调控

一遗传信息的表达有时序调控和适应调控,转录水平的调控是关键环节,因为这是表达的第一步。转录调控主要发生在起始和终止阶段。

操纵子是细菌基因表达和调控的单位,有正调节和负调节因子。阻遏蛋白的作用属于负调控。环腺苷酸通过其受体蛋白(CRP)促进转录,可促进许多诱导酶的合成。操纵子可构成综合性调控网络,如SOS反应等。对终止子也有调控作用,如衰减子。

三真核生物不组成操纵子,而是通过激素、生长因子等进行调控。某些DNA序列对转录起增强作用,称为增强子。

折叠 第二节转录后加工

一、原核生物

一核糖体RNA:大肠杆菌共有7个核糖体RNA的转录单位,每个转录单位由16S、23S、5SRNA和若干转运RNA基因组成。16S和23S之间常由转运RNA隔开。转录产物在RNA酶III的作用下裂解产生核糖体RNA的前体P16和P23,再由相应成熟酶加工切除附加序列。前体加工时还进行甲基化,产生修饰成分,特别是a-甲基核苷。N4,2’-O二甲基胞苷(m4Cm)是16S核糖体RNA特有成分。5S核糖体RNA一般无修饰成分。

二转运RNA:有60个基因,其加工包括:

1.内切酶在两端切断,大肠杆菌RNA酶P是5’成熟酶;

2.外切酶从3’修剪,除去附加顺序。RNA酶D是3’成熟酶;

3.3’端加上CCAOH,由转运RNA核苷酰转移酶催化,某些转运RNA已有,切除附加序列后即露出;

4.核苷的修饰:修饰成分包括甲基化碱基和假尿苷,修饰酶具有高度特异性。甲基化对碱基和序列都有严格要求,一般以S-腺苷甲硫氨酸为甲基供体。

三信使RNA:细菌多数不用加工,转录与翻译是偶联的。也有少数多顺反子信使RNA必须由内切酶切成较小的单位,然后翻译。如核糖体大亚基蛋白与RNA聚合酶的b亚基基因组成混合操纵子,转录后需经RNA酶III切开,各自翻译。因为RNA聚合酶的合成水平低得多,切开有利于各自的翻译调控。较长的RNA会产生高级结构,不利于翻译,切开可改变其结构,从而影响其功能。

二、真核生物

一核糖体RNA:基因拷贝数多,在几十到几千之间。基因成簇排列在一起,由RNA聚合酶I转录生成一个较长的前体,哺乳动物为45S。核仁是其转录、加工和装配成核糖体的场所。RNA酶III等核酸内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转录,经加工参与构成大亚基。核糖体RNA可被甲基化,主要在核苷2’羟基,比原核生物甲基化程度高。多数核糖体RNA没有内含子,有些有内含子但不转录。

二转运RNA:由RNA聚合酶III转录,加工与原核相似,但3’端的CCA都是后加的,还有2’-O-甲基核糖。

三信使RNA:真核生物编码蛋白质的基因以单个基因为转录单位,但有内含子,需切除。信使RNA的原初转录产物是分子量很大的前体,在核内加工时形成大小不等的中间物,称为核内不均一RNA(hnRNA)。其加工过程包括:

1.5’端加帽子:在转录的早期或转录终止前已经形成。首先从5’端脱去一个磷酸,再与GTP生成5’,5’三磷酸相连的键,最后以S-腺苷甲硫氨酸进行甲基化,形成帽子结构。帽子结构有多种,起识别和稳定作用。

2. 3’端加尾:在核内完成。先由RNA酶III在3’端切断,再由多聚腺苷酸聚合酶加尾。尾与通过核膜有关,还可防止核酸外切酶降解。

3. 内部甲基化:主要是6-甲基腺嘌呤,在hnRNA中已经存在。可能对前体的加工起识别作用。

三、RNA的拼接

一转运RNA的拼接:由酶催化,酶识别共同的二级结构,而不是序列。通常内含子插入到靠近反密码子处,与反密码子配对,取代反密码子环。第一步由内切酶切除插入序列,不需ATP;第二步由RNA连接酶连接,需要ATP。

二四膜虫核糖体RNA的拼接:某些四膜虫26S核糖体RNA基因中有一个内含子,其拼接只需一价和二价阳离子及鸟苷酸或鸟苷存在即可自发进行。其实质是磷酸酯的转移反应,鸟苷酸起辅助因子的作用,提供游离3’羟基。

三信使RNA:真核生物编码蛋白质的核基因的内含子属于第二类内含子,左端为GT,右端为AG。先在左端切开,产生的5’末端与3’端上游形成5’,2’-磷酸二酯键,构成套索结构。然后内含子右端切开,两个外显子连接起来。通过不同的拼接方式,可形成不同的信使RNA。

折叠 第三节RNA的复制

一、噬菌体QbRNA的复制

其RNA是单链,正链,侵入大肠杆菌后立即翻译,产生复制酶的b亚基,与宿主的三个亚基(α为核糖体蛋白,γ、δ均为肽链延长因子)构成复制酶,进行复制。先以正链为模板合成负链,再根据负链合成正链。合成负链时需要宿主的两个蛋白因子,合成正链则不需要,所以可大量合成。病毒的蛋白质合成受RNA高级结构的调控。

二、病毒RNA复制的主要方式

一病毒含正链RNA,先合成复制酶,复制后合成其他蛋白质进行装配。如噬菌体Qb及灰质炎病毒。

二病毒含负链和复制酶,先合成正链,再合成病毒蛋白和复制病毒RNA。如狂犬病毒

三病毒含双链RNA和复制酶,如呼肠孤病毒。先复制正链,再翻译成病毒蛋白,最后合成负链,形成双链RNA分子。

四致癌RNA病毒:如白血病病毒和肉瘤病毒,先逆转录生成DNA前病核糖体:多肽合成场所,能与信使RNA结合

毒,再转录、翻译。

第四节 RNA生物合成的抑制剂

一、碱基类似物

有些人工合成的碱基类似物能干扰和抑制核酸的合成。作用方式有以下两类:

一作为代谢拮抗物,直接抑制核苷酸生物合成有关酶类。如6-巯基嘌呤进入体内后可转变为巯基嘌呤核苷酸,抑制嘌呤核苷酸的合成。可作为抗癌药物,治疗急性白血病等。此类物质一般需转变为相应的核苷酸才能表现出抑制作用。

二进入核酸分子,形成异常RNA或DNA,影响核酸的功能并导致突变。5-氟尿嘧啶类似尿嘧啶,可进入RNA,与腺嘌呤配对或异构成烯醇式与鸟嘌呤配对,使A-T对转变为G-C对。因为正常细胞可将其分解,而癌细胞不能,所以可选择性抑制癌细胞生长。

二、DNA模板功能抑制物

一烷化剂:带有活性烷基,能使DNA烷基化。鸟嘌呤烷化后易脱落,双功能烷化剂可造成双链交联,磷酸基烷化可导致DNA链断裂。通常有较大毒性,引起突变或致癌。

二放线菌素类:可与DNA形成非共价复合物,抑制其模板功能。包括一些抗癌抗生素。

三嵌入染料:含有扁平芳香族发色团,可插入双链DNA相邻碱基对之间。常含丫啶或菲啶环,与碱基大小类似,可在复制时增加一个核苷酸,导致移码突变。如溴乙啶。

三、RNA聚合酶抑制剂

利福霉素:抑制细菌RNA聚合酶活性。

二利链菌素:与细菌RNA聚合酶b亚基结合,抑制RNA链的延长。

a-鹅膏蕈碱:抑制真核生物RNA聚合酶。

折叠 编辑本段 结构与功能

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。

折叠 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。

折叠 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。

折叠 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

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