生物化學與分子生物學/信使RNA與不均一核RNA

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生物化學與分子生物學

核酸的結構與功能
- RNA的結構與功能
  - 信使RNA與不均一核RNA
  - 轉運RNA
  - 核蛋白體RNA
  - 其它RNA分子

遺傳信息從DNA 分子抄錄到RNA分子中的過程稱為轉錄(transcription)。在真核生物中，最初轉錄生成的RNA稱為不均一核RNA(heterogeneous nuclearRNA,hnRNA)，然而在細胞漿中起作用，作為蛋白質的胺基酸序列合成模板的是mRNA(messengerRNA)。hnRNA是mRNA的未成熟前體。兩者之間的差別主要有兩點：一是hnRNA核苷酸鏈中的一些片段將不出現於相應的mRNA中，這些片段稱為內含子(intron)，而那些保留於mRNA中的片段稱為外顯子(exon)。也就是說，hnRNA在轉變為mRNA的過程中經過剪接，被去掉了一些片段，餘下的片段被重新連接在一起；二是mRNA的5′末端被加上一個m7pGppp帽子，在mRNA3′末端多了一個聚腺苷酸(polyA)尾巴。mRNA從5′末端到3′末端的結構依次是5′帽子結構，5′末端非編碼區，決定多肽胺基酸序列的編碼區，3′末端非編碼區，和多聚腺苷酸尾巴。多聚腺苷酸尾一般由數十個至一百幾十個腺苷酸連接而成。隨著mRNA存在時間的延續，這段聚A尾巴慢慢變短。因此，目前認為這種3′末端結構可能與增加轉錄活性以及使mRNA趨於相對穩定有關。原核生物的mRNA沒有這種首、尾結構。

hnRNA與mRNA的結構比較

圖15－13　hnRNA與mRNA的結構比較

(塗斜線者為外顯子，空白者為內含子)

1961年，Jacob和Monod首先提出了mRNA的概念。在真核細胞中，由於蛋白質是在胞漿中而不是在核內合成，因此顯然要求有一個中間物將DNA上的遺傳信息傳遞至胞漿中。後來的研究證實，這種中間物即信使RNA。mRNA的核苷酸序列與DNA序列相應，決定著合成蛋白質的胺基酸序列。它如何指導胺基酸以正確的順序連接起來呢?不同的mRNA鹼基組成和排列順序都不同，但都只有A，G，C，U4種鹼基。如果一個鹼基就可以決定一個胺基酸，則只有四種變化方式，如果兩個鹼基決定一個胺基酸，則只有16種變化方式，都不能滿足20種胺基酸的需要。1961年Crick和Brenner的實驗得出了三個核苷酸編碼一個胺基酸的結論，並將這種三位一體的核苷酸編碼稱做遺傳密碼(genetic code)或三聯體密碼，這樣就可以有64種不同的密碼，但此情況下必須假定有一些胺基酸使用兩個以上的密碼。這一假定很快就被證明是對的。遺傳密碼具有下列特徵：

(1)三個核苷酸組成一個密碼子，每個密碼子由三個前後相聯的核苷酸組成，一個密碼子只為一種胺基酸編碼。共有64個密碼子；

(2)密碼子之間不重疊使用核苷酸，也無核苷酸間隔；

(3)一種胺基酸可有多個密碼子，這個特點稱為密碼子的簡併性；

(4)密碼子的通用性，所有生物從最低等的病毒直至人類，蛋白質合成都使用同一套密碼子表(表15-8)，僅有極少的例外，如特殊細胞器粒線體，葉綠體所用的密碼稍有不同。(表15-9)。

表15-8　通用遺傳密碼及相應的胺基酸

第一個核苷酸5′	第二個核苷酸				第三個核苷酸3′
第一個核苷酸5′	U	C	A	G	第三個核苷酸3′
U	苯丙氨酸	絲氨酸	酪氨酸	半胱氨酸	U
	苯丙氨酸	絲氨酸	酪氨酸	半胱氨酸	C
	亮氨酸	絲氨酸	終止碼	終止碼	A
	亮氨酸	絲氨酸	終止碼	色氨酸	G
C	亮氨酸	脯氨酸	組氨酸	精氨酸	U
	亮氨酸	脯氨酸	組氨酸	精氨酸	C
	亮氨酸	脯氨酸	谷氨醯胺	精氨酸	A
	亮氨酸	脯氨酸	谷氨醯胺	精氨酸	G
A	異亮氨酸	蘇氨酸	天冬醯胺	絲氨酸	U
	異亮氨酸	蘇氨酸	天冬醯胺	絲氨酸	C
	異亮氨酸	蘇氨酸	賴氨酸	精氨酸	A
	蛋氨酸	蘇氨酸	賴氨酸	精氨酸	G
G	纈氨酸	丙氨酸	天冬氨酸	甘氨酸	U
	纈氨酸	丙氨酸	天冬氨酸	甘氨酸	C
	纈氨酸	丙氨酸	谷氨酸	甘氨酸	A
	纈氨酸	丙氨酸	谷氨酸	甘氨酸	G

表15－9　通用遺傳密碼與粒線體遺傳密碼之間的一些差異

密碼子	通用編碼	粒線體編碼
密碼子	通用編碼	哺乳動物	果蠅	酵母菌	植物
UGA	終止碼	色氨酸	色氨酸	色氨酸	終止碼
AUA	異亮氨酸	蛋氨酸	蛋氨酸	蛋氨酸	異亮氨酸
CUA	亮氨酸	亮氨酸	亮氨酸	蘇氨酸	亮氨酸
AGA	精氨酸	終止碼	絲氨酸	精氨酸	精氨酸
AGA	精氨酸	終止碼	絲氨酸	精氨酸	精氨酸

註：下標橫線者為與通用編碼不同的編碼

究竟哪一個密碼子為哪一種胺基酸編碼，即密碼子與胺基酸之間的對應關係已在60年代研究解決了。1964年Nirenberg用一種RNA聚合酶體外合成了多聚尿苷酸、多聚腺苷酸等多聚核苷酸，將這些多聚核苷酸分別用於蛋白質的體外合成。發現，當所用的多聚核苷酸為多聚尿苷酸時，只有多聚苯丙氨酸合成，這意味著UUU為苯丙氨酸編碼；用其它多聚核苷酸進行相應的實驗後發現，CCC為脯氨酸編碼，而AAA為賴氨酸編碼；其後，有人又用核苷酸比例為已知，但是核苷酸序列隨機的多聚核苷酸，以及用已知序列的含兩種或兩種以上核苷酸的多聚核苷酸進行相應的實驗，將結果加以數理統計處理，又解讀了一批密碼子，其中包括三個終止碼，最後，還有一些密碼子是通過合成已知序列的三聚核苷酸與核蛋白體和載有放射性同位素標記的胺基酸的tRNA共沉澱原理予以解讀的。在所有密碼子中，AUG不僅為蛋氨酸編碼，而且又是翻譯(translation,以mRNA上的遺傳信息指導核蛋白體上多肽鏈合成的過程)的起始信號，UAA、UAG和UGA不為任何胺基酸編碼，而是作為翻譯的終止信號，統稱為終止碼(stop codon)，又常被叫作無意義碼(nonsense codon)。

大多數胺基酸是由一個以上的密碼子所編碼。這個事實提出了一個問題：編碼同一種胺基酸的一組密碼子的使用頻率是否都相同?細緻的分析表明，無論是原核生物，還是高等真核生物，密碼子的使用頻率並不是平均的，有些密碼子的使用率很高，有些則幾乎不使用，其使用頻率主要與細胞內tRNA含量呈正相關。