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MRNA

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

基本信息

中文名； 信使核糖核酸

外文名； Messenger RNA (mRNA）

屬性； 攜帶遺傳信息

類型； 蛋白質

信息介紹

Messenger RNA (mRNA）——信使核糖核酸攜帶遺傳信息，在蛋白質合成時充當模板的RNA。信使RNA

從脫氧核糖核酸（DNA）轉錄合成的帶有遺傳信息的一類單鏈核糖核酸（RNA）。它在核糖體上作為蛋白質合成的模板，決定肽鏈的氨基酸排列順序。mRNA存在於原核生物和真核生物的細胞質及真核細胞的某些細胞器（如線粒體和葉綠體）中。

原核生物和真核生物mRNA有不同的特點：

①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。

②原核生物mRNA的轉錄與翻譯一般是偶聯的，真核生物轉錄的mRNA前體則需經轉錄後加工，加工為成熟的mRNA與蛋白質結合生成信息體後才開始工作。

③原核生物mRNA半壽期很短，一般為幾分鐘 ，最長只有數小時（RNA噬菌體中的RNA除外）。真核生物mRNA的半壽期較長， 如胚胎中的mRNA可達數日。

④原核與真核生物mRNA的結構特點也不同。

原核生物mRNA一般5′端有一段不翻譯區，稱前導順序，3′端有一段不翻譯區，中間是蛋白質的編碼區，一般編碼幾種蛋白質。真核生物mRNA（細胞質中的）一般由5′端帽子結構、5′端不翻譯區、翻譯區（編碼區）、3′端不翻譯區和3′端聚腺苷酸尾巴構成分子中除m7G構成帽子外，常含有其他修飾核苷酸，如m6A等。真核生物mRNA通常都有相應的前體。從DNA轉錄產生的原始轉錄產物可稱作 原始前體（或mRNA前體）。一般認為原始前體要經過hnRNA核不均-RNA的階段，最終才被加工為成熟的mRNA。

通常mRNA（單鏈）分子自身回折產生許多雙鏈結構。原核生物，經計算有66.4%的核苷酸以雙鏈結構的形式存在。真核生物mRNA也具有豐富的二級結構，摺疊起來的mRNA二級結構有利於蛋白質合成的啟動，以後mRNA處於伸展的狀態則有利於轉譯的繼續。

mRNA的複製，轉錄和翻譯：由一個DNA分子，邊解旋，邊轉錄。利用細胞核內部的游離核糖核苷酸和成其需要的鹼基，規則遵循鹼基互補配對原則。註：因為mRNA沒有T（胸腺嘧啶），所以模版中出現A（腺嘌呤）時，由U(尿嘧啶）代替。以上過程叫做轉錄，在細胞核中完成。接着，mRNA穿過核孔。和細胞質中的核糖體結合。選擇tRNA運輸氨基酸，和對應的三個鹼基排列好（如何排列請查詢：密碼子）。再與其它的氨基酸通過肽鍵連接在一起，形成肽鏈。以上過程叫做翻譯，在細胞質中完成。

雖然人們已經破譯了決定生命基礎的蛋白質的氨基酸合成密碼，也知道了是DNA攜帶着這種密碼，但是，根據細胞學所掌握的事實：所有DNA都呆在細胞核內，而蛋白質卻存在於細胞質中，像DNA這樣的大分子是無法隨意進入細胞質的。然而密碼總是會被帶入細胞質的，這一來，人們不禁要問，是誰把鎖在細胞核內的DNA手裡的密碼帶入了細胞質的呢？科學家們從DNA那裡拷貝了一份密碼文件，並帶入了細胞質中。經過試驗和觀察，發現這個信使就是RNA——核糖核酸。

信息發現

儲存在DNA分子中的這種遺傳信息能在複製中產生更多的拷貝，並翻譯成蛋白質。DNA的功能構成了信息的流動，遺傳信息如何轉變成蛋白質呢？轉錄就是其中的重要的一環。基因表達時以DNA的一條鏈為模板合成RNA，這一過程就是轉錄（transcription）。催化合成RNA的酶叫做RNA聚合酶（RNA polymerase）。RNA和DNA結構相似，所不同之處在於：⑴RNA一般以單鏈形式存在；⑵RNA中的核糖其C′-2不脫氧；⑶尿苷（U）取代了DNA中的胸苷。細胞中的RNA分成三種：mRNA（信使RNA），tRNA（轉運RNA）和rRNA（核糖體RNA）。它們的功能各不相同。mRNA是合成蛋白質的模板，tRNA是轉運特異氨基酸的運載工具，rRNA是合成蛋白質的裝置。mRNA的鹼基序列，決定着蛋白質裝配時氨基酸的序列。

1955年Brachet用洋蔥根尖和變形蟲進行了實驗；若加入RNA酶降解細胞中的RNA，則蛋白質合成就停止，若再加入從酵母中提取的RNA，則又可以重新合成一些蛋白質，這就表明，蛋白質的合成是依賴於RNA。

同年Goldstein和Plaut用同位素標記變形蟲（Amoeba proteus）RNA前體，發現標記的RNA都在核內，表明RNA是在核內合成的。在標記追蹤（pulse-chase）實驗中，用短脈衝標記RNA前體，然後將細胞核轉移到未標記的變形蟲中。經過一段時間發現被標記的RNA分子已在細胞質中，這就表明RNA在核中合成，然後轉移到細胞質內，而蛋白質就在細胞質中合成，因此RNA就成為在DNA和蛋白質之間傳遞信息的信使的最佳候選者。

1956年Elliot Volkin和 Lawrence Astrachan作了一項很有意思的觀察：當E.coli被T2感染，迅速停止了RNA的合成，但噬菌的RNA卻開始迅速合成。用同位素脈衝一追蹤標記表明噬菌的RNA在很短的時間內就進行合成，但很快又消失了，表明RNA的半衰期是很短的。由於這種新合成的RNA的鹼基比和T2的DNA鹼基比相似，而和細菌的鹼基比不同，所以可以確定新合成的RNA是T2的RNA。由於T2感染細菌時注入的是DNA，而在細胞里合成的是RNA，可見DNA是合成RNA的模板。最令人信服的證據來自DNA-RNA的雜交實驗。Hall.B.D和Spiegeman,S，將T2噬菌體感染E.coli後立即產生的RNA分離出來，分別與T2和E.coli的DNA進行分子雜交，結果發現這種RNA只能和T2的DNA雜交形成「雜種」鏈，而不能和E.coli的DNA進行雜交。表明T2產生的這種RNA（即mRNA）至少和T2的DNA中的一條鏈是互補的。

Brenner,s. Jacob,F.和Meselson(1961）進行了一系列的的實驗（圖12-2），他們將E.coli培養在15N/13C的培養基中，因此合成的RNA和蛋白都被「重」同位素所標記。也就是說凡是「重」的核糖體，RNA和蛋白都是細菌的，然後用T2感染E.coli，細菌的RNA停止合成，而開始合成T2的RNA此時用普通的「輕」培養基（14N/12C），但分別以32P來標記新合成的T2 RNA，以35S標記新合成的T2蛋白，因此任何重新合成的核糖體，RNA，及蛋白都是「輕」的但帶但有放射性同位素。經培養一段時間後破碎細胞，加入過量的輕的核糖體作對照，進行密度梯度離心，結果「輕」的核糖體上不具有放射性，「重」的核糖體上具有32P和35S，表明⑴T2未合成核糖體，「輕」核糖體卻是後加放的。⑵T2翻譯時是借用了細菌原來合成的核糖體，所以核糖體並無特異性，核糖體上結合的mRNA，其序列的特異性才是指導合成蛋白質的遺傳信息，從而提出了mRNA作為「信使」的證據。因此他們將這種能把遺傳信息從DNA傳遞到蛋白質上的物質稱為「信使」。他們預言⑴這種「信使」應是一個多核苷酸；⑵②其平均分子量不小於5acute;105（假定密碼比是3），足以攜帶一個基因的遺傳信息；⑶它們至少是暫時連在核糖體上；⑷其鹼基組成反映了DNA的序列；⑸它們能高速更新。Volkin和Astrachan發現高速更新的RNA似乎完全符合以上條件。Jacob和Monod將它定名為信使RNA（Messenger RNA）或mRNA。

合成與加工

第一節DNA轉錄生成RNA 一、定義

一轉錄單位

二啟動子（promoter）

三終止子（terminator）

二、RNA聚合酶

一酶的特性：以4種NTP為底物，需模板和鎂離子，合成方向也是5以DNA為模板形成信使RNA的過程

』－3』，但不需要引物。

二酶的分類：

1．噬菌體的RNA聚合酶結構簡單，是單鏈蛋白，功能也簡單。

2．細菌則具有複雜的多亞基結構（450Kd），可識別並轉錄超過1000個轉錄單位。

3．真核生物的酶有多種，根據a－鵝膏蕈鹼（環狀8肽，阻斷RNA延伸）的抑制作用可分為三類：聚合酶A對它不敏感，分布於核仁，轉錄核糖體RNA；聚合酶B對低濃度敏感，存在於核質，轉錄信使RNA；聚合酶C位於核質，對高濃度敏感，轉錄小分子量RNA，如轉運RNA、5SRNA等。各種RNA聚合酶都是由10-15種不同亞基組成的多亞基複合物。

4． 線粒體和葉綠體也有RNA聚合酶，結構簡單，能合成所有種類RNA。

三酶的構成：大腸桿菌的全酶有5個亞基（α2ββ』ωσ），含2個鋅。β催化形成磷酸二酯鍵，β』結合模板，σ亞基稱為起始因子，可使RNA聚合酶穩定地結合到啟動子上。ββ』ωσ稱為核心酶。σ亞基在不同菌種間變動較大，而核心酶比較恆定。酶與不同啟動子的結合能力不同，不同啟動因子可識別不同的啟動子。σ70識別啟動子共有序列，σ32識別熱休克基因，σ60在氮飢餓時起作用。σ通過隨機移動起作用，不需解鏈。

四模板：以完整雙鏈DNA為模板，其中僅一條鏈可轉錄。轉錄時局部解鏈，轉錄後DNA重新形成雙螺旋結構，所以DNA是全保留的。

三、轉錄過程

分為起始、延長和終止三個階段。起始包括對雙鏈DNA特定部位的識別、局部（17bp）解鏈以及在最初兩個核苷酸間形成磷酸二酯鍵。第一個核苷酸摻入的位置稱為轉錄起點。

起始後起始因子離開，核心酶構象改變，沿模板移動，轉錄生成雜交雙鏈（12bp）。隨後DNA互補鏈取代RNA鏈，恢復DNA雙螺旋結構。延伸速度為50nt/s，酶移動17nm。錯誤幾率為10-5。

聚合酶到達終點時，在終止輔助因子的幫助下停止反應，酶和RNA鏈脫落，轉錄結束。

四、啟動子和轉錄因子

一定義：酶識別、結合、開始轉錄的一段DNA序列。強啟動子2秒鐘啟動一次轉錄，弱啟動子10分鐘一次。

二原核生物：大腸桿菌在起點上游約－10鹼基對處有保守序列TATAAT，稱為pribnow box，有助於局部解鏈。在其上游還有TTGACA，稱為－35序列，提供RNA聚合酶識別的信號。

三真核生物：複雜，差異較大。

1．信使RNA的啟動子通常有三個保守區，－25到－30有TATA框，是解鏈位置，並決定轉錄起點；－75位置有CAAT框，與RNA聚合酶的結合有關；更上游還有GC框，某些轉錄因子可結合。後兩個稱為上游因子，對轉錄起始頻率有較大影響；

2． 小RNA的啟動子在轉錄區內部，有一些輔助因子幫助RNA聚合酶識別。

五、終止子和終止因子

一定義

二所有原核生物的終止子在終點之前都有一個迴文結構，可使酶減慢移動或暫停合成。大腸桿菌有兩類終止子：

1． 簡單終止子，回文區有一段富含GC對的序列，回文後有寡聚尿苷。

2．依賴ρ的終止子，必須在有ρ因子時才能發揮作用，不含GC對，也無寡聚尿苷。ρ因子是蛋白質，可與酶作用，釋放RNA，並使酶脫離。

三某些因子可使酶越過終止子繼續轉錄，稱為通讀。常見於某些噬菌體的時序控制，早期基因與晚期基因以終止子相隔，早期基因產生抗終止因子，使發生通讀以表達晚期基因。

六、轉錄的調控

一遺傳信息的表達有時序調控和適應調控，轉錄水平的調控是關鍵環節，因為這是表達的第一步。轉錄調控主要發生在起始和終止階段。

二操縱子是細菌基因表達和調控的單位，有正調節和負調節因子。阻遏蛋白的作用屬於負調控。環腺苷酸通過其受體蛋白（CRP）促進轉錄，可促進許多誘導酶的合成。操縱子可構成綜合性調控網絡，如SOS反應等。對終止子也有調控作用，如衰減子。

三真核生物不組成操縱子，而是通過激素、生長因子等進行調控。某些DNA序列對轉錄起增強作用，稱為增強子。

摺疊第二節轉錄後加工 一、原核生物

一核糖體RNA：大腸桿菌共有7個核糖體RNA的轉錄單位，每個轉錄單位由16S、23S、5SRNA和若干轉運RNA基因組成。16S和23S之間常由轉運RNA隔開。轉錄產物在RNA酶III的作用下裂解產生核糖體RNA的前體P16和P23，再由相應成熟酶加工切除附加序列。前體加工時還進行甲基化，產生修飾成分，特別是a-甲基核苷。N4,2』-O二甲基胞苷（m4Cm）是16S核糖體RNA特有成分。5S核糖體RNA一般無修飾成分。

二轉運RNA：有60個基因，其加工包括：

1．內切酶在兩端切斷，大腸桿菌RNA酶P是5』成熟酶；

2.外切酶從3』修剪，除去附加順序。RNA酶D是3』成熟酶；

3．3』端加上CCAOH，由轉運RNA核苷酰轉移酶催化，某些轉運RNA已有，切除附加序列後即露出；

4．核苷的修飾：修飾成分包括甲基化鹼基和假尿苷，修飾酶具有高度特異性。甲基化對鹼基和序列都有嚴格要求，一般以S-腺苷甲硫氨酸為甲基供體。

三信使RNA：細菌多數不用加工，轉錄與翻譯是偶聯的。也有少數多順反子信使RNA必須由內切酶切成較小的單位，然後翻譯。如核糖體大亞基蛋白與RNA聚合酶的b亞基基因組成混合操縱子，轉錄後需經RNA酶III切開，各自翻譯。因為RNA聚合酶的合成水平低得多，切開有利於各自的翻譯調控。較長的RNA會產生高級結構，不利於翻譯，切開可改變其結構，從而影響其功能。

二、真核生物

一核糖體RNA：基因拷貝數多，在幾十到幾千之間。基因成簇排列在一起，由RNA聚合酶I轉錄生成一個較長的前體，哺乳動物為45S。核仁是其轉錄、加工和裝配成核糖體的場所。RNA酶III等核酸內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轉錄，經加工參與構成大亞基。核糖體RNA可被甲基化，主要在核苷2』羥基，比原核生物甲基化程度高。多數核糖體RNA沒有內含子，有些有內含子但不轉錄。

二轉運RNA：由RNA聚合酶III轉錄，加工與原核相似，但3』端的CCA都是後加的，還有2』-O-甲基核糖。

三信使RNA：真核生物編碼蛋白質的基因以單個基因為轉錄單位，但有內含子，需切除。信使RNA的原初轉錄產物是分子量很大的前體，在核內加工時形成大小不等的中間物，稱為核內不均一RNA(hnRNA）。其加工過程包括：

1．5』端加帽子：在轉錄的早期或轉錄終止前已經形成。首先從5』端脫去一個磷酸，再與GTP生成5』，5』三磷酸相連的鍵，最後以S-腺苷甲硫氨酸進行甲基化，形成帽子結構。帽子結構有多種，起識別和穩定作用。

2． 3』端加尾：在核內完成。先由RNA酶III在3』端切斷，再由多聚腺苷酸聚合酶加尾。尾與通過核膜有關，還可防止核酸外切酶降解。

3． 內部甲基化：主要是6-甲基腺嘌呤，在hnRNA中已經存在。可能對前體的加工起識別作用。

三、RNA的拼接

一轉運RNA的拼接：由酶催化，酶識別共同的二級結構，而不是序列。通常內含子插入到靠近反密碼子處，與反密碼子配對，取代反密碼子環。第一步由內切酶切除插入序列，不需ATP；第二步由RNA連接酶連接，需要ATP。

二四膜蟲核糖體RNA的拼接：某些四膜蟲26S核糖體RNA基因中有一個內含子，其拼接只需一價和二價陽離子及鳥苷酸或鳥苷存在即可自發進行。其實質是磷酸酯的轉移反應，鳥苷酸起輔助因子的作用，提供游離3』羥基。

三信使RNA：真核生物編碼蛋白質的核基因的內含子屬於第二類內含子，左端為GT，右端為AG。先在左端切開，產生的5』末端與3』端上游形成5』，2』-磷酸二酯鍵，構成套索結構。然後內含子右端切開，兩個外顯子連接起來。通過不同的拼接方式，可形成不同的信使RNA。

摺疊第三節RNA的複製 一、噬菌體QbRNA的複製

其RNA是單鏈，正鏈，侵入大腸桿菌後立即翻譯，產生複製酶的b亞基，與宿主的三個亞基（α為核糖體蛋白，γ、δ均為肽鏈延長因子）構成複製酶，進行複製。先以正鏈為模板合成負鏈，再根據負鏈合成正鏈。合成負鏈時需要宿主的兩個蛋白因子，合成正鏈則不需要，所以可大量合成。病毒的蛋白質合成受RNA高級結構的調控。

二、病毒RNA複製的主要方式

一病毒含正鏈RNA，先合成複製酶，複製後合成其他蛋白質進行裝配。如噬菌體Qb及灰質炎病毒。

二病毒含負鏈和複製酶，先合成正鏈，再合成病毒蛋白和複製病毒RNA。如狂犬病毒。

三病毒含雙鏈RNA和複製酶，如呼腸孤病毒。先複製正鏈，再翻譯成病毒蛋白，最後合成負鏈，形成雙鏈RNA分子。

四致癌RNA病毒：如白血病病毒和肉瘤病毒，先逆轉錄生成DNA前病核糖體：多肽合成場所，能與信使RNA結合

毒，再轉錄、翻譯。

第四節 RNA生物合成的抑制劑

一、鹼基類似物

有些人工合成的鹼基類似物能干擾和抑制核酸的合成。作用方式有以下兩類：

一作為代謝拮抗物，直接抑制核苷酸生物合成有關酶類。如6-巰基嘌呤進入體內後可轉變為巰基嘌呤核苷酸，抑制嘌呤核苷酸的合成。可作為抗癌藥物，治療急性白血病等。此類物質一般需轉變為相應的核苷酸才能表現出抑制作用。

二進入核酸分子，形成異常RNA或DNA，影響核酸的功能並導致突變。5-氟尿嘧啶類似尿嘧啶，可進入RNA，與腺嘌呤配對或異構成烯醇式與鳥嘌呤配對，使A-T對轉變為G-C對。因為正常細胞可將其分解，而癌細胞不能，所以可選擇性抑制癌細胞生長。

二、DNA模板功能抑制物

一烷化劑：帶有活性烷基，能使DNA烷基化。鳥嘌呤烷化後易脫落，雙功能烷化劑可造成雙鏈交聯，磷酸基烷化可導致DNA鏈斷裂。通常有較大毒性，引起突變或致癌。

二放線菌素類：可與DNA形成非共價複合物，抑制其模板功能。包括一些抗癌抗生素。

三嵌入染料：含有扁平芳香族發色團，可插入雙鏈DNA相鄰鹼基對之間。常含丫啶或菲啶環，與鹼基大小類似，可在複製時增加一個核苷酸，導致移碼突變。如溴乙啶。

三、RNA聚合酶抑制劑

一利福黴素：抑制細菌RNA聚合酶活性。

二利鏈菌素：與細菌RNA聚合酶b亞基結合，抑制RNA鏈的延長。

a-鵝膏蕈鹼：抑制真核生物RNA聚合酶。

結構與功能

從 (DNA）轉錄合成的帶有遺傳信息的一類單鏈（RNA），它在上作為蛋白質合成的模板，決定肽鏈的排列順序。1961年F.雅各布和根據大腸桿菌誘導酶生成的實驗結果提出：信息從DNA到蛋白質之間的轉移，必需有一種RNA起傳遞作用，由此提出了信使核糖核酸的名稱。

生物體內的每種多肽鏈都由特定的mRNA編碼，所以細胞內mRNA的種類很多，但通常每種mRNA的拷貝數極少（1～10個）。根據信息密碼學說，3個連續的核苷酸可以編碼一個氨基酸，因此從已知mRNA（或DNA）核苷酸順序可以準確推導出蛋白質的一級結構。

存在範圍和性質

mRNA存在於原核和真核生物的細胞質及真核細胞的某些細胞器（如和）中。RNA病毒和RNA噬菌體中的 RNA既是遺傳信息的載體又具有mRNA的功能。生物體mRNA種類的多少與生物進化水平有關，高等生物所含的遺傳信息多，mRNA的種類也多。生物體內某種mRNA的含量根據需要而有不同，如5齡蠶後部絲腺體的主要任務是快速合成大量絲心蛋白，因而編碼絲心蛋白的mRNA含量特別多。有些細菌需要不斷適應外部環境，其體內編碼某些誘導酶的mRNA的含量也較多。

原核和真核生物mRNA不同的特點

①原核生物mRNA常以多順反子（見）的形式存在，即一條mRNA鏈編碼幾種功能相關聯的蛋白質。真核生物mRNA一般以單順反子的形式存在，即一種mRNA只編碼一種蛋白質。②原核生物mRNA的轉錄與翻譯一般是偶聯的，即轉錄尚未完畢，蛋白質的轉譯合成就已開始 真核生物轉錄的mRNA前體則需經後加工，加工為成熟的mRNA與蛋白質結合生成信息體後才開始工作 信息體中蛋白質與RNA之比約為3。③原核生物mRNA半壽期很短，一般為幾分鐘，最長只有數小時（RNA噬菌體中的RNA除外）。真核生物mRNA的半壽期較長，如胚胎中的mRNA可達數日。④原核與真核生物mRNA的結構特點也不同。

一級結構與功能的關係

原核生物mRNA一般5'端有一段不翻譯區，稱前導順序，3'端有一段不翻譯區，中間是蛋白質的編碼區，一般編碼幾種蛋白質。如大腸桿菌乳糖操縱子mRNA編碼3條多肽鏈；色氨酸操縱子mRNA編碼5條多肽鏈。也有單順反子形式的細菌mRNA，如大腸桿菌脂蛋白mRNA。原核生物mRNA分子中一般沒有修飾核苷酸，也沒有5'端帽子結構和3'端聚腺苷酸尾巴。在原核生物mRNA的起始密碼子（AUG）附近（5'方向上游）的一小段長短不等的順序，含有較多的嘌呤核苷酸，被稱為SD順序。它能和核糖體小亞基上的16SrRNA的3'端富含嘧啶核苷酸的區域配對結合，有助於帶有甲酰甲硫氨酸的起始tRNA識別mRNA上的起始密碼（AUG），使肽鏈合成從此開始。這段順序是1974年由J.夏因和L.達爾加諾發現的，所以稱為SD順序，也稱核糖體結合部位。原核生物mRNA的編碼區一般編碼幾種功能上相關聯的蛋白質，兩種蛋白質的編碼區之間常有一小段不翻譯的順序，叫做間隔區。有的噬菌體RNA中2個相鄰的順反子共用一段相同的編碼順序，例如，M 噬菌體RNA中的溶菌蛋白編碼區共225個核苷酸中有189個核苷酸是由相鄰兩個蛋白質共用的。原核mRNA與真核mRNA一樣使用同一套三聯體密碼子（真核生物線粒體mRNA有例外）。原核生物合成氨基酸的操縱子mRNA的5' 端前導順序上有一段順序稱作弱化子。弱化子具有兩種可以互變的構象，其中一種構象是轉錄終止的信號，能使轉錄中止（或衰減）。衰減調節是原核生物合成氨基酸的調控方式之一（見）。

真核生物 mRNA（細胞質中的）一般由5'端帽子結構、5'端不翻譯區、翻譯區（編碼區）、3'端不翻譯區和3'端聚腺苷酸尾巴構成（圖1a