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结构生物化学/核酸/RNA/信使 RNA (mRNA)

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信使核糖核酸 (mRNA) 是蛋白质复制的蓝图。从脱氧核糖核酸 (DNA) 转录而来，mRNA 将遗传信息从细胞核转移到位于细胞质中的蛋白质合成核糖体。类似于 DNA，遗传信息编码在四个核苷酸中，这些核苷酸以密码子排列，即三个核苷酸碱基的三联体。每个密码子对应一个特定的氨基酸，密码子的序列以具有终止信号的密码子结尾。蛋白质合成过程需要转移 RNA (tRNA) 和核糖体 RNA (rRNA)。mRNA 仅占原核细胞和真核细胞中发现的不同类型的 RNA 的约 5%。

转录

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在转录过程中，RNA 链由酶 RNA 聚合酶复制。RNA 随后在 5' 到 3' 方向上合成，这与 DNA 复制过程相同。两条 DNA 链的模板是合成 RNA 的那条。RNA 聚合酶与 3' 端结合并通过磷酸二酯键进行复制。

此阶段 DNA 和 mRNA 之间明显的区别在于 RNA 中存在尿嘧啶 (U)，而在 DNA 中存在胸腺嘧啶 (T)。

从 DNA 转录的第一段 RNA 被称为前信使 RNA (pre-mRNA)，因为 DNA 区域的精确副本包含内含子和外显子。信使 RNA 只包含外显子。内含子通过剪接体去除，剪接体根据 GU 开始、长的嘧啶链和 AG 结束识别内含子序列。mRNA 中主要只保留外显子，因为它包含用于翻译（产生蛋白质）的有用遗传信息。然而，内含子不提供有用的遗传信息。

在转录后和翻译前，加帽和 PolyA 尾作为修饰被添加到 mRNA 的活性末端以保护它们。

前体 mRNA

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在真核生物中，编码蛋白基因转录的产物是前体 mRNA，它需要加工才能产生功能性的 mRNA。会发生几个加工反应。

5' 加工：加帽
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在 RNA 聚合酶 II 合成后不久，初级 RNA 转录本的前体 mRNA 的 5' 端通过添加 5' 帽（称为加帽的过程）进行修饰。该过程包括在 5' 端添加 7-甲基鸟苷 (m7G)。为了实现这一点，首先通过磷酸酶去除末端 5' 磷酸。然后，鸟苷转移酶催化一个反应，在该反应中，由此产生的二磷酸 5' 端攻击 GTP 分子的 α 磷原子，以添加一个 G 残基，形成不寻常的 5'5' 三磷酸键。然后，G 残基被甲基转移酶甲基化，使用 S-腺苷甲硫氨酸作为甲基供体，在鸟嘌呤环的 N-7 位置添加一个甲基。相邻核苷酸（RNA 链中的核苷酸 2）或核苷酸 2 和 3 的核糖也可能被甲基化，分别给出帽 1 或帽 2 结构。在这些情况下。甲基被添加到核糖糖的 2'-OH 基团。

帽保护初级转录本的 5' 端免受对 3'5' 磷酸二酯键具有特异性的核糖核酸酶的攻击，因此不能水解帽结构中的 5'5' 键。此外，帽在真核生物的蛋白质合成起始步骤中起作用。只有来自真核生物编码蛋白基因的 RNA 转录本会被加帽；原核生物 mRNA 和真核生物 rRNA 和 tRNA 没有加帽。

剪接
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RNA 剪接是 RNA 加工中的一个关键步骤，因为它精确地去除了内含子序列，并将相邻外显子的末端连接起来，从而产生一个功能性的 mRNA 分子。外显子-内含子边界由特定序列标记。在大多数情况下，在外显子和内含子之间的 5' 边界（5' 剪接位点），内含子以序列 GU 开头，在 3' 外显子-内含子边界（3' 剪接位点），内含子以序列 AG 结束。这两个序列中的每一个都位于更长的共有序列内。一个聚嘧啶区（一个约 11 个嘧啶的保守延伸段）位于 3' 剪接位点的 AG 上游。一个关键的信号序列是分支点序列，它位于 3' 剪接位点上游约 20-50 个核苷酸处。在脊椎动物中，该序列是 5'-CURAY-3'，其中 R=嘌呤，Y=嘧啶（在酵母中，该序列是 5'-UACUAAC-3'）。RNA 剪接分两步进行。第一步，分支位点处 A 残基的 2'-OH 攻击 5' 剪接位点处的 3'5' 磷酸二酯键，导致该键断裂，内含子的 5' 端环绕形成一个不寻常的 2'5' 键与分支点序列中的 A 残基连接。由于该 A 残基已经在 RNA 链中与它的邻居形成 3'5' 键，因此内含子在这一点处分支形成所谓的套索中间体（之所以这样命名是因为它类似于牛仔的套索）。外显子 1 的新 3'-OH 端现在攻击 3' 剪接位点处的磷酸二酯键，导致两个外显子连接并释放内含子，仍然以套索的形式存在。在两个剪接反应中的每一个中，一个磷酸酯键被另一个磷酸酯键交换（即这两个是两个转酯化反应）。由于磷酸酯键的数量没有改变，因此不会消耗 ATP。

3' 加工：切割和加尾
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大多数真核生物前体 mRNA 会经历加尾，这涉及在 RNA 的 3' 端切割并添加约 200 个 A 残基以形成 poly(A) 尾。切割和加尾反应需要存在一个位于前体 mRNA 的 3' 端附近的加尾信号序列 (5'-AAUAAA-3')，后面紧跟着一个序列 5'-YA-3'（其中 Y=嘧啶），通常是 5'-CA-3'，在接下来的 11-20 个核苷酸中。一个富含 GU 的序列（或富含 U 的序列）通常也存在于更下游的位置。在这些序列元件被合成后，两种多亚基蛋白 CPSF（切割和加尾特异性因子）和 CStF（切割刺激因子 F）从 RNA 聚合酶 II 的 CTD 转移到 RNA 分子上，并与序列元件结合。形成一个蛋白质复合物，其中包括额外的切割因子和一种称为 poly(A) 聚合酶 (PAP) 的酶。该复合物在 AAUAAA 序列和富含 GU 的序列之间切割 RNA。然后，poly(A) 聚合酶使用 ATP 作为前体在 RNA 分子的新 3' 端添加约 200 个 A 残基。在 poly(A) 尾合成时，它保护最终 mRNA 的 3' 端免受核糖核酸酶的消化，从而稳定 mRNA。此外，它还能提高 mRNA 翻译的效率。然而，一些 mRNA，尤其是组蛋白前体 mRNA，缺乏 poly(A) 尾。然而，组蛋白前体 mRNA 仍然会经历 3' 端加工。它通过一个识别特定信号的蛋白质复合物在 3' 端附近被切割，其中一个信号是茎环结构，以产生成熟 mRNA 分子的 3' 端。

继续合成的初级 RNA 转录本包含编码（外显子）和非编码（内含子）区域。后者需要被去除，而外显子

转运

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在真核细胞中，合成后，mRNA 通常会经历一系列修饰，然后才能被输出到细胞质中进行翻译。这些修饰包括在 5' 端加帽和在 3' 端加尾。这串腺嘌呤残基（从 80 到 250 个不等）被称为 Poly-A 尾，对于 mRNA 的输出、保护、翻译和稳定性是必需的。剪接（内含子被去除，外显子被连接的过程）也会在输出之前发生。

在完成所有必要的修饰后，成熟的 mRNA 就准备好通过核孔进入细胞质。核孔是细胞核和细胞质之间的通道，是一种选择性屏障，允许大分子物质运输。内含子的可变剪接模式允许同一个基因以略微不同的方式表达在 mRNA 中，从而产生不同的但相似的蛋白质。为了将成熟的 mRNA 转运出去，首先必须形成与 RNA 结合蛋白和转运因子（载体）的信使核糖核蛋白 (mRNPs) 导出复合物，因为 Mex67-Mtr2 异二聚体，主要的 mRNA 载体，与大部分 mRNA 结合得比较松散。

核转运

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mRNA 核输出的总结

核输出是真核细胞特有的途径，因为真核细胞中的核和细胞质区室使转录和翻译这两个过程在空间上分离。这两个过程的分离允许在两者之间进行多个步骤，以进行进一步的修饰和基因表达调控，这对于对细胞外和细胞内信号的生理反应至关重要。

mRNA 核输出可以简化为三个阶段

  • 1) pre-mRNA 在细胞核中转录，细胞核是 mRNA 合成、加工和包装成 mRNP（信使核糖核蛋白）复合物的场所（如前所述）。
  • 2) mRNP 分子被靶向并通过核膜的核孔复合体 (NPC) 转运。
  • 3) mRNPs 被释放到细胞质中以进行翻译。这些阶段中的每一个都涉及许多需要募集来执行过程的蛋白质因子和其他分子。


酵母中 mRNP 的形成

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  • 1) 在细胞核中，转录是通过 RNA 聚合酶 II 介导的。接下来是修饰，如添加 5' 帽子、剪接和 3' 加工。TREX 复合物在这些过程中被招募，并协调许多后续步骤。
  • 2) 3' 末端加工是必要的，因为它产生 poly-A 尾巴，这对 mRNA 导出至关重要。此过程需要因子 Rna14、Rna15 和 Pcf11。然后在 poly-A 尾巴 mRNA 上添加 Nab 2，然后在此时招募 Yra1 和 Sub 2。当 mRNA 与 Pcf11 接触时，Yra1 被转移到 TREX 亚基 Sub2。（Yra1-Pcf11 结合是一个重要的早期步骤）。Yra1 是必要的
  • 3) 招募 MEx67-Mtr2 异二聚体。
  • 4) 然后，mRNPs 可以通过 DEAD 盒解旋酶 Sub2 重塑。
  • 5) Yra1 在导出之前以及 TREX 复合物一起从 mRNP 上解离。
  • 6) mRNP 被吸引到 NPC 转运通道的核侧，在那里与 FG 核孔蛋白（穿透核孔的蛋白质）之间会产生弱相互作用。为了提高导出效率，存在几种机制来集中 NPC 核侧的 mRNA。例如：几个活跃转录的基因，如 GAL1，集中在 NPC 处。
  • 7) mRNP 通过 NPC 转运通道，到细胞质侧，在那里再次经过重塑，以防止它返回细胞核。

参与的辅助因子

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NCP 及其促进蛋白

NPC 本身具有非常重要的蛋白质，可以促进 mRNA 核输出。在 NPC 内部，有一个锥形、篮子状的结构突出到细胞核中，称为核篮。它包含 Nup 60 Nup2 和 Mlp2 等蛋白质。细胞质同样含有作为导出过程辅助因子的蛋白质（Nup1259、Dbp5、Gle1）。还有其他几个关键的蛋白质和 mRNA 导出的组成部分，这些将在本文中不再讨论，但本页面的参考资料将提供更多关于这些导出因子的具体功能的见解。

以下是酵母和后生动物主要导出因子的简要总结

  • Mex67-Mtr2（酵母）和 Nxf1-nxt1（后生动物）：通过 NPC 促进大部分 mRNA 导出
  • Yra1（酵母）和 ALY（后生动物）：将 Mex67-Mtr2 连接到 mRNA 分子的衔接子
  • Sub2（酵母）和 UAP56（后生动物）：参与组装导出 competent mRNPs 的 DEAD 盒解旋酶
  • Nab2（酵母）：与 mRNA 的 poly(A) 尾巴结合到 Mlp1 并调节 3' poly(A) 尾巴的长度
  • Mlp1（酵母）和（TPR）：与 Nab2 结合的核篮蛋白
  • TREX（酵母和后生动物）：参与协调和调节转录的复合体
  • TREX-2（两者）：将活跃表达的基因定向到 NPC
  • Gle1 和 Gdf1（酵母）和 GLE（后生动物）：增强 Dbp5 的活性
  • Nup159（酵母）和 NUP214（后生动物）：与 Dbp5 结合的细胞质 NPC 蛋白


招募

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招募这些因子是导出运输和质量控制的一个必要步骤。大多数需要从细胞核运输到细胞质的分子涉及 karyopherin 介导的受体，如小 mRNA 导出。它的转运方向基于小 GTPase Ran 的 GTP 结合状态的梯度，这使得 mRNA 导出过程不具有典型的蛋白质导出特征，例如 tRNA。大部分 mRNA 导出使用 Mex67-Mtr2，一种非 karyopherin 介导的受体，通过 Nxfl 途径。Mex67-Mtr2 分子使用 TREX 成分被招募到 mRNP。此外，脊椎动物的最新研究表明，Yra1 同源物 ALY 与 mRNA 的结合受到 Sub2 同源物 UAP56 的 ATP 结合形式存在的影响。这种结合增加了 UAP56 的 ATPase 活性。此外，Nxf1 结合与 ALY 相关的 mRNA，形成三元复合物，并且在 ALY 存在的情况下，Nxf1 的 RNA 结合亲和力增加。总而言之，这些事件会导致 mRNP 与结合的导出受体。但是，尚不清楚为了高效导出，单个 mRNA 必须结合多少个受体。


大部分 mRNA 导出途径

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NPC 蛋白与 mRNP 复合物的导出因子的相互作用

Nxfl 途径涉及一小部分通过 karyopherin Crm1 导出的转录本，Crm1 也是一种蛋白质，它也介导了 HIV 病毒不完全剪接的 mRNA 从细胞核的导出。因此，如果一个 mRNA 分子没有被适当地加工和剪接掉它的内含子，它可能会被保留在细胞核中进行降解，因为它被识别为病毒 mRNA 分子。当 mRNP 和 mRNA 被适当地加工并招募了所有必要的受体和辅助因子时，它被认为是导出就绪的（导出 competent）。然后，导出 competent mRNP 仅使用其招募的导出受体靶向 NPC。导出受体将 mRNP 带到 NPC，在那里它停留并与 NPC 蛋白相互作用以允许识别。这些相互作用可以在下图中很好地总结。

大部分释放到细胞质

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大部分 mRNA 释放的方向性是由另一种机制决定的，因为它不依赖于小 mRNA 导出的 RanGTP 梯度。它是由两个重要的导出因子 Dbp5 和 Gle1 的功能决定的。Dbp5 蛋白通过与 NPC 蛋白 Nup214 相互作用结合到 NPC 细胞质面。当 mRNP 更靠近 NPC 的细胞质侧时，它会与 Dbp5 和 Gle1 相互作用。mRNP 与这两个蛋白质之间的结合和相互作用会导致构象改变，并激活从 mRNP 中去除一组蛋白质。它在物理和空间上改变了 mRNP，使其适合从 NPC 导出到细胞质中。这些被去除的蛋白质被回收并带回细胞核，在那里它会经历另一个 mRNA 导出的循环。此外，当 mRNP 进入细胞质时，会整合特定的细胞质 mRNA 结合蛋白。这些与翻译的特定联系进一步表明了基因表达中各个步骤之间的内在联系。


翻译意义

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由于 mRNA 导出对于正确的基因表达至关重要，因此此过程必须正确执行。导出过程中的错误步骤会导致转录错误，从而导致翻译错误。例如，招募导出因子的错误会导致不正确的 mRNA 生成，并且如果转录物没有被核监视识别，则 mRNA 可能会被保留在细胞核内并被外泌体和各种其他酶降解。mRNA 导出错误也可能与许多人类疾病和发育问题相关。不正确的 mRNA 导出与产生导出蛋白或 mRNA 结合蛋白基因突变的扰动有关，以及导致其自身 mRNA 转录本正确导出受抑制的基因突变。极端情况还包括病毒对内源性 mRNA 导出复合物的调节减少或劫持，这使得特定病毒基因能够与 mRNA 转录本杂交并在生物体中表达。但是，随着对 mRNA 导出过程的广泛了解，这些故障可以得到更好的理解，更容易预防，并且可能有可能解决许多疾病问题，并完全了解细胞功能如何在最简单的水平上产生：在分子水平上。

翻译

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在原核生物中，由于 mRNA 不需要进行修饰或转运，因此它可以在转录后立即被核糖体翻译。

翻译过程的图片。

然而，在真核生物中，mRNA 只有在经过修饰并转运到细胞质后才能被翻译（成熟的 mRNA）。 mRNA 在位于内质网上的核糖体上被翻译成蛋白质。翻译从核糖体结合到 5' 端的位点开始。核糖体沿着 mRNA 移动，直到遇到起始密码子 AUG。当这种结合发生时，核糖体就会与一个携带甲酰甲硫氨酸 (fMet) 基团的起始 tRNA 结合，该基团识别起始密码子。接下来，一个可以与下一个密码子配对的氨酰-tRNA 出现并加入核糖体复合体。随着氨酰-tRNA 的出现，延伸因子 EF-Tu（在细菌中）和能量来源（通常是 GTP）也随之出现。fMet（在细菌中）或 Met 基团共价结合到氨酰-tRNA 的进入氨基酸上。然后释放起始 tRNA，核糖体向 3' 端移动一个密码子。一个新的氨酰-tRNA 到达，该氨酰-tRNA 的氨基酸与之前的氨基酸结合。这个过程持续进行，直到核糖体到达终止密码子（UAA、UAG 或 UGA）。新结合的氨基酸是翻译的 mRNA 变成蛋白质。包含 tRNA 的核糖体复合体分裂成其独立的部分，当需要将新的 mRNA 翻译成蛋白质时，它们会重新组装。

当终止密码子到达核糖体的 A 位点时，延伸过程“终止”。携带后续氨基酸的进入 tRNA 不会被核糖体在 A 位点接受。然后，A 位点将特异性地针对一种叫做释放因子的蛋白质。释放因子会水解 tRNA 与 P 位点多肽之间的键，从而释放多肽链。两个核糖体亚基、释放因子和 mRNA 然后分离，标志着终止过程的结束。

  • 终止密码子 - 终止密码子表示 mRNA 中的三个氮化碱基序列，它表示多肽延伸或翻译的终止。然后，氨基酸序列从 mRNA 模板中释放出来，形成其最终的 3D 构象。
终止密码子 序列
RNA UAA
RNA UAG
RNA UGA
DNA TAA
DNA TGA
DNA TAG

编辑

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在某些情况下，mRNA 可以改变其核苷酸组成。这个过程被称为编辑。在人类中，载脂蛋白 mRNA 是这种情况之一。这种编辑 mRNA 发生在某些组织中，但并非所有组织。在这个版本中，mRNA 的密码子过早地停止，因此，在进行翻译过程时，它将产生更短的蛋白质。

通过碱基修饰 mRNA 编辑改变 mRNA 序列经常会产生蛋白质多样性。根据它们的结构域和胞嘧啶脱氨酶的催化域的发生，已经确定了几种蛋白质与 C 到 U mRNA 编辑酶相似。鉴于这些蛋白质可能代表新的 mRNA 编辑系统，这些系统可能会影响蛋白质组多样性，我们考虑了它们的结构、表达以及与生物医学上重要的过程或病理的关联。


降解

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经过一定时间后，通过 mRNA 传递的信息将被降解并删除。这个过程被称为降解。由于 mRNA 的寿命，细胞可以轻松快速地改变蛋白质的产生，以应对任何变化的需求。不同类型 mRNA 的寿命可能不同。mRNA 分子在细胞质中的寿命是决定细胞内蛋白质合成模式的重要关键。原核生物的 mRNA 分子通常在合成后几分钟内就被酶降解，这是原核生物能够如此迅速地改变其蛋白质合成模式以响应其环境变化的原因之一。另一方面，真核生物的 mRNA 通常存活数小时、数天，在某些情况下甚至存活数周。多细胞 mRNA 的一个例子是血红蛋白多肽，在发育中的红血球中，血红蛋白多肽异常稳定，这些长寿的 mRNA 在细胞中反复翻译。对酵母的研究表明，mRNA 降解的常见途径始于多聚 A 尾的酶促缩短，这有助于触发去除 5' 帽的酶的作用。去除 5' 帽末端至关重要，因为它受 mRNA 中特定核苷酸序列的调节。一旦帽被去除，核酸酶就可以进入并迅速吞噬 mRNA。这种 mRNA 降解过程依赖于脱腺苷酸化。多聚 A 尾的缩短由脱腺苷酸酶启动，之后，mRNA 会被完全降解或在某些细胞中被储存。

另一种阻止特定 mRNA 分子表达的机制，称为 MicroRNA (miRNA) 或 miRNAs，也已成为人们关注的焦点。它们是由更长的 RNA 前体形成的，这些前体会折叠回自身，形成一个由氢键连接在一起的长双链发夹结构。这些小的单链 RNA 分子可以与 mRNA 分子中的互补序列结合，然后一种叫做 Dicer 的酶可以将双链 RNA 分子切割成短片段。两条链中的一条被降解，然后另一条链（通常是 miRNA）与一个大的蛋白质复合体结合，该复合体允许复合体结合到任何具有互补序列的 mRNA 分子，以降解或阻止 mRNA 的翻译。

科学家还观察到，RNA 分子可以抑制基因表达。当他们注意到将双链 RNA 分子注射到细胞中以某种方式关闭了具有相同序列的基因时，他们观察到了这一点。科学家将这种现象称为 RNA 干扰或干扰 RNA (RNAi)。后来发现，这种干扰是由于小的干扰 RNA (siRNAs) 造成的，siRNAs 是大小和功能与 miRNAs 相似的 RNA。研究表明，细胞内产生 siRNAs 的机制与细胞内产生 miRNAs 的机制相同。这些小 RNA 发挥作用的机制也是一样的。由于细胞 RNAi 通路会导致破坏与其自身互补的 RNA 序列，因此人们认为它们最初是作为一种针对 RNA 病毒感染的自然防御机制而起作用的。

参考文献

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  • David Hames, Nigel Hooper. Biochemistry. Third edition. Taylor and Francis Group. New York,2005.
  • Neil A. Campbell, Jan B Reece. Biology Seventh Edition, 2005 Pearson Education, Inc.

Nuclear export of mRNA. Murray Stewart. MRC Laboratory of Molecular Biology, Hills Rd., Cambridge CB2 0QH, UK

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