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結構生物化學/核酸/RNA/信使 RNA (mRNA)

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信使核糖核酸 (mRNA) 是蛋白質複製的藍圖。從脫氧核糖核酸 (DNA) 轉錄而來，mRNA 將遺傳資訊從細胞核轉移到位於細胞質中的蛋白質合成核糖體。類似於 DNA，遺傳資訊編碼在四個核苷酸中，這些核苷酸以密碼子排列，即三個核苷酸鹼基的三聯體。每個密碼子對應一個特定的氨基酸，密碼子的序列以具有終止訊號的密碼子結尾。蛋白質合成過程需要轉移 RNA (tRNA) 和核糖體 RNA (rRNA)。mRNA 僅佔原核細胞和真核細胞中發現的不同型別的 RNA 的約 5%。

轉錄

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在轉錄過程中，RNA 鏈由酶 RNA 聚合酶複製。RNA 隨後在 5' 到 3' 方向上合成，這與 DNA 複製過程相同。兩條 DNA 鏈的模板是合成 RNA 的那條。RNA 聚合酶與 3' 端結合並透過磷酸二酯鍵進行復制。

此階段 DNA 和 mRNA 之間明顯的區別在於 RNA 中存在尿嘧啶 (U)，而在 DNA 中存在胸腺嘧啶 (T)。

從 DNA 轉錄的第一段 RNA 被稱為前信使 RNA (pre-mRNA)，因為 DNA 區域的精確副本包含內含子和外顯子。信使 RNA 只包含外顯子。內含子透過剪接體去除，剪接體根據 GU 開始、長的嘧啶鏈和 AG 結束識別內含子序列。mRNA 中主要只保留外顯子，因為它包含用於翻譯（產生蛋白質）的有用遺傳資訊。然而，內含子不提供有用的遺傳資訊。

在轉錄後和翻譯前，加帽和 PolyA 尾作為修飾被新增到 mRNA 的活性末端以保護它們。

前體 mRNA

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在真核生物中，編碼蛋白基因轉錄的產物是前體 mRNA，它需要加工才能產生功能性的 mRNA。會發生幾個加工反應。

5' 加工：加帽
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在 RNA 聚合酶 II 合成後不久，初級 RNA 轉錄本的前體 mRNA 的 5' 端透過新增 5' 帽（稱為加帽的過程）進行修飾。該過程包括在 5' 端新增 7-甲基鳥苷 (m7G)。為了實現這一點，首先透過磷酸酶去除末端 5' 磷酸。然後，鳥苷轉移酶催化一個反應，在該反應中，由此產生的二磷酸 5' 端攻擊 GTP 分子的 α 磷原子，以新增一個 G 殘基，形成不尋常的 5'5' 三磷酸鍵。然後，G 殘基被甲基轉移酶甲基化，使用 S-腺苷甲硫氨酸作為甲基供體，在鳥嘌呤環的 N-7 位置新增一個甲基。相鄰核苷酸（RNA 鏈中的核苷酸 2）或核苷酸 2 和 3 的核糖也可能被甲基化，分別給出帽 1 或帽 2 結構。在這些情況下。甲基被新增到核糖糖的 2'-OH 基團。

帽保護初級轉錄本的 5' 端免受對 3'5' 磷酸二酯鍵具有特異性的核糖核酸酶的攻擊，因此不能水解帽結構中的 5'5' 鍵。此外，帽在真核生物的蛋白質合成起始步驟中起作用。只有來自真核生物編碼蛋白基因的 RNA 轉錄本會被加帽；原核生物 mRNA 和真核生物 rRNA 和 tRNA 沒有加帽。

剪接
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RNA 剪接是 RNA 加工中的一個關鍵步驟，因為它精確地去除了內含子序列，並將相鄰外顯子的末端連線起來，從而產生一個功能性的 mRNA 分子。外顯子-內含子邊界由特定序列標記。在大多數情況下，在外顯子和內含子之間的 5' 邊界（5' 剪接位點），內含子以序列 GU 開頭，在 3' 外顯子-內含子邊界（3' 剪接位點），內含子以序列 AG 結束。這兩個序列中的每一個都位於更長的共有序列內。一個聚嘧啶區（一個約 11 個嘧啶的保守延伸段）位於 3' 剪接位點的 AG 上游。一個關鍵的訊號序列是分支點序列，它位於 3' 剪接位點上游約 20-50 個核苷酸處。在脊椎動物中，該序列是 5'-CURAY-3'，其中 R=嘌呤，Y=嘧啶（在酵母中，該序列是 5'-UACUAAC-3'）。RNA 剪接分兩步進行。第一步，分支位點處 A 殘基的 2'-OH 攻擊 5' 剪接位點處的 3'5' 磷酸二酯鍵，導致該鍵斷裂，內含子的 5' 端環繞形成一個不尋常的 2'5' 鍵與分支點序列中的 A 殘基連線。由於該 A 殘基已經在 RNA 鏈中與它的鄰居形成 3'5' 鍵，因此內含子在這一點處分支形成所謂的套索中間體（之所以這樣命名是因為它類似於牛仔的套索）。外顯子 1 的新 3'-OH 端現在攻擊 3' 剪接位點處的磷酸二酯鍵，導致兩個外顯子連線並釋放內含子，仍然以套索的形式存在。在兩個剪接反應中的每一箇中，一個磷酸酯鍵被另一個磷酸酯鍵交換（即這兩個是兩個轉酯化反應）。由於磷酸酯鍵的數量沒有改變，因此不會消耗 ATP。

3' 加工：切割和加尾
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大多數真核生物前體 mRNA 會經歷加尾，這涉及在 RNA 的 3' 端切割並新增約 200 個 A 殘基以形成 poly(A) 尾。切割和加尾反應需要存在一個位於前體 mRNA 的 3' 端附近的加尾訊號序列 (5'-AAUAAA-3')，後面緊跟著一個序列 5'-YA-3'（其中 Y=嘧啶），通常是 5'-CA-3'，在接下來的 11-20 個核苷酸中。一個富含 GU 的序列（或富含 U 的序列）通常也存在於更下游的位置。在這些序列元件被合成後，兩種多亞基蛋白 CPSF（切割和加尾特異性因子）和 CStF（切割刺激因子 F）從 RNA 聚合酶 II 的 CTD 轉移到 RNA 分子上，並與序列元件結合。形成一個蛋白質複合物，其中包括額外的切割因子和一種稱為 poly(A) 聚合酶 (PAP) 的酶。該複合物在 AAUAAA 序列和富含 GU 的序列之間切割 RNA。然後，poly(A) 聚合酶使用 ATP 作為前體在 RNA 分子的新 3' 端新增約 200 個 A 殘基。在 poly(A) 尾合成時，它保護最終 mRNA 的 3' 端免受核糖核酸酶的消化，從而穩定 mRNA。此外，它還能提高 mRNA 翻譯的效率。然而，一些 mRNA，尤其是組蛋白前體 mRNA，缺乏 poly(A) 尾。然而，組蛋白前體 mRNA 仍然會經歷 3' 端加工。它透過一個識別特定訊號的蛋白質複合物在 3' 端附近被切割，其中一個訊號是莖環結構，以產生成熟 mRNA 分子的 3' 端。

繼續合成的初級 RNA 轉錄本包含編碼（外顯子）和非編碼（內含子）區域。後者需要被去除，而外顯子

轉運

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在真核細胞中，合成後，mRNA 通常會經歷一系列修飾，然後才能被輸出到細胞質中進行翻譯。這些修飾包括在 5' 端加帽和在 3' 端加尾。這串腺嘌呤殘基（從 80 到 250 個不等）被稱為 Poly-A 尾，對於 mRNA 的輸出、保護、翻譯和穩定性是必需的。剪接（內含子被去除，外顯子被連線的過程）也會在輸出之前發生。

在完成所有必要的修飾後，成熟的 mRNA 就準備好透過核孔進入細胞質。核孔是細胞核和細胞質之間的通道，是一種選擇性屏障，允許大分子物質運輸。內含子的可變剪接模式允許同一個基因以略微不同的方式表達在 mRNA 中，從而產生不同的但相似的蛋白質。為了將成熟的 mRNA 轉運出去，首先必須形成與 RNA 結合蛋白和轉運因子（載體）的信使核糖核蛋白 (mRNPs) 匯出複合物，因為 Mex67-Mtr2 異二聚體，主要的 mRNA 載體，與大部分 mRNA 結合得比較鬆散。

核轉運

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File:1-s2.0-S0968000410001337-gr1.jpg
mRNA 核輸出的總結

核輸出是真核細胞特有的途徑，因為真核細胞中的核和細胞質區室使轉錄和翻譯這兩個過程在空間上分離。這兩個過程的分離允許在兩者之間進行多個步驟，以進行進一步的修飾和基因表達調控，這對於對細胞外和細胞內訊號的生理反應至關重要。

mRNA 核輸出可以簡化為三個階段

  • 1) pre-mRNA 在細胞核中轉錄，細胞核是 mRNA 合成、加工和包裝成 mRNP（信使核糖核蛋白）複合物的場所（如前所述）。
  • 2) mRNP 分子被靶向並透過核膜的核孔複合體 (NPC) 轉運。
  • 3) mRNPs 被釋放到細胞質中以進行翻譯。這些階段中的每一個都涉及許多需要募集來執行過程的蛋白質因子和其他分子。


酵母中 mRNP 的形成

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  • 1) 在細胞核中，轉錄是透過 RNA 聚合酶 II 介導的。接下來是修飾，如新增 5' 帽子、剪接和 3' 加工。TREX 複合物在這些過程中被招募，並協調許多後續步驟。
  • 2) 3' 末端加工是必要的，因為它產生 poly-A 尾巴，這對 mRNA 匯出至關重要。此過程需要因子 Rna14、Rna15 和 Pcf11。然後在 poly-A 尾巴 mRNA 上新增 Nab 2，然後在此時招募 Yra1 和 Sub 2。當 mRNA 與 Pcf11 接觸時，Yra1 被轉移到 TREX 亞基 Sub2。（Yra1-Pcf11 結合是一個重要的早期步驟）。Yra1 是必要的
  • 3) 招募 MEx67-Mtr2 異二聚體。
  • 4) 然後，mRNPs 可以透過 DEAD 盒解旋酶 Sub2 重塑。
  • 5) Yra1 在匯出之前以及 TREX 複合物一起從 mRNP 上解離。
  • 6) mRNP 被吸引到 NPC 轉運通道的核側，在那裡與 FG 核孔蛋白（穿透核孔的蛋白質）之間會產生弱相互作用。為了提高匯出效率，存在幾種機制來集中 NPC 核側的 mRNA。例如：幾個活躍轉錄的基因，如 GAL1，集中在 NPC 處。
  • 7) mRNP 透過 NPC 轉運通道，到細胞質側，在那裡再次經過重塑，以防止它返回細胞核。

參與的輔助因子

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NCP 及其促進蛋白

NPC 本身具有非常重要的蛋白質，可以促進 mRNA 核輸出。在 NPC 內部，有一個錐形、籃子狀的結構突出到細胞核中，稱為核籃。它包含 Nup 60 Nup2 和 Mlp2 等蛋白質。細胞質同樣含有作為匯出過程輔助因子的蛋白質（Nup1259、Dbp5、Gle1）。還有其他幾個關鍵的蛋白質和 mRNA 匯出的組成部分，這些將在本文中不再討論，但本頁面的參考資料將提供更多關於這些匯出因子的具體功能的見解。

以下是酵母和後生動物主要匯出因子的簡要總結

  • Mex67-Mtr2（酵母）和 Nxf1-nxt1（後生動物）：透過 NPC 促進大部分 mRNA 匯出
  • Yra1（酵母）和 ALY（後生動物）：將 Mex67-Mtr2 連線到 mRNA 分子的銜接子
  • Sub2（酵母）和 UAP56（後生動物）：參與組裝匯出 competent mRNPs 的 DEAD 盒解旋酶
  • Nab2（酵母）：與 mRNA 的 poly(A) 尾巴結合到 Mlp1 並調節 3' poly(A) 尾巴的長度
  • Mlp1（酵母）和（TPR）：與 Nab2 結合的核籃蛋白
  • TREX（酵母和後生動物）：參與協調和調節轉錄的複合體
  • TREX-2（兩者）：將活躍表達的基因定向到 NPC
  • Gle1 和 Gdf1（酵母）和 GLE（後生動物）：增強 Dbp5 的活性
  • Nup159（酵母）和 NUP214（後生動物）：與 Dbp5 結合的細胞質 NPC 蛋白


招募

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招募這些因子是匯出運輸和質量控制的一個必要步驟。大多數需要從細胞核運輸到細胞質的分子涉及 karyopherin 介導的受體，如小 mRNA 匯出。它的轉運方向基於小 GTPase Ran 的 GTP 結合狀態的梯度，這使得 mRNA 匯出過程不具有典型的蛋白質匯出特徵，例如 tRNA。大部分 mRNA 匯出使用 Mex67-Mtr2，一種非 karyopherin 介導的受體，透過 Nxfl 途徑。Mex67-Mtr2 分子使用 TREX 成分被招募到 mRNP。此外，脊椎動物的最新研究表明，Yra1 同源物 ALY 與 mRNA 的結合受到 Sub2 同源物 UAP56 的 ATP 結合形式存在的影響。這種結合增加了 UAP56 的 ATPase 活性。此外，Nxf1 結合與 ALY 相關的 mRNA，形成三元複合物，並且在 ALY 存在的情況下，Nxf1 的 RNA 結合親和力增加。總而言之，這些事件會導致 mRNP 與結合的匯出受體。但是，尚不清楚為了高效匯出，單個 mRNA 必須結合多少個受體。


大部分 mRNA 匯出途徑

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NPC 蛋白與 mRNP 複合物的匯出因子的相互作用

Nxfl 途徑涉及一小部分透過 karyopherin Crm1 匯出的轉錄本，Crm1 也是一種蛋白質，它也介導了 HIV 病毒不完全剪接的 mRNA 從細胞核的匯出。因此，如果一個 mRNA 分子沒有被適當地加工和剪接掉它的內含子，它可能會被保留在細胞核中進行降解，因為它被識別為病毒 mRNA 分子。當 mRNP 和 mRNA 被適當地加工並招募了所有必要的受體和輔助因子時，它被認為是匯出就緒的（匯出 competent）。然後，匯出 competent mRNP 僅使用其招募的匯出受體靶向 NPC。匯出受體將 mRNP 帶到 NPC，在那裡它停留並與 NPC 蛋白相互作用以允許識別。這些相互作用可以在下圖中很好地總結。

大部分釋放到細胞質

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大部分 mRNA 釋放的方向性是由另一種機制決定的，因為它不依賴於小 mRNA 匯出的 RanGTP 梯度。它是由兩個重要的匯出因子 Dbp5 和 Gle1 的功能決定的。Dbp5 蛋白透過與 NPC 蛋白 Nup214 相互作用結合到 NPC 細胞質面。當 mRNP 更靠近 NPC 的細胞質側時，它會與 Dbp5 和 Gle1 相互作用。mRNP 與這兩個蛋白質之間的結合和相互作用會導致構象改變，並激活從 mRNP 中去除一組蛋白質。它在物理和空間上改變了 mRNP，使其適合從 NPC 匯出到細胞質中。這些被去除的蛋白質被回收並帶回細胞核，在那裡它會經歷另一個 mRNA 匯出的迴圈。此外，當 mRNP 進入細胞質時，會整合特定的細胞質 mRNA 結合蛋白。這些與翻譯的特定聯絡進一步表明了基因表達中各個步驟之間的內在聯絡。


翻譯意義

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由於 mRNA 匯出對於正確的基因表達至關重要，因此此過程必須正確執行。匯出過程中的錯誤步驟會導致轉錄錯誤，從而導致翻譯錯誤。例如，招募匯出因子的錯誤會導致不正確的 mRNA 生成，並且如果轉錄物沒有被核監視識別，則 mRNA 可能會被保留在細胞核內並被外泌體和各種其他酶降解。mRNA 匯出錯誤也可能與許多人類疾病和發育問題相關。不正確的 mRNA 匯出與產生匯出蛋白或 mRNA 結合蛋白基因突變的擾動有關，以及導致其自身 mRNA 轉錄本正確匯出受抑制的基因突變。極端情況還包括病毒對內源性 mRNA 匯出複合物的調節減少或劫持，這使得特定病毒基因能夠與 mRNA 轉錄本雜交併在生物體中表達。但是，隨著對 mRNA 匯出過程的廣泛瞭解，這些故障可以得到更好的理解，更容易預防，並且可能有可能解決許多疾病問題，並完全瞭解細胞功能如何在最簡單的水平上產生：在分子水平上。

翻譯

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在原核生物中，由於 mRNA 不需要進行修飾或轉運，因此它可以在轉錄後立即被核糖體翻譯。

翻譯過程的圖片。

然而，在真核生物中，mRNA 只有在經過修飾並轉運到細胞質後才能被翻譯（成熟的 mRNA）。 mRNA 在位於內質網上的核糖體上被翻譯成蛋白質。翻譯從核糖體結合到 5' 端的位點開始。核糖體沿著 mRNA 移動，直到遇到起始密碼子 AUG。當這種結合發生時，核糖體就會與一個攜帶甲醯甲硫氨酸 (fMet) 基團的起始 tRNA 結合，該基團識別起始密碼子。接下來，一個可以與下一個密碼子配對的氨醯-tRNA 出現並加入核糖體複合體。隨著氨醯-tRNA 的出現，延伸因子 EF-Tu（在細菌中）和能量來源（通常是 GTP）也隨之出現。fMet（在細菌中）或 Met 基團共價結合到氨醯-tRNA 的進入氨基酸上。然後釋放起始 tRNA，核糖體向 3' 端移動一個密碼子。一個新的氨醯-tRNA 到達，該氨醯-tRNA 的氨基酸與之前的氨基酸結合。這個過程持續進行，直到核糖體到達終止密碼子（UAA、UAG 或 UGA）。新結合的氨基酸是翻譯的 mRNA 變成蛋白質。包含 tRNA 的核糖體複合體分裂成其獨立的部分，當需要將新的 mRNA 翻譯成蛋白質時，它們會重新組裝。

當終止密碼子到達核糖體的 A 位點時，延伸過程“終止”。攜帶後續氨基酸的進入 tRNA 不會被核糖體在 A 位點接受。然後，A 位點將特異性地針對一種叫做釋放因子的蛋白質。釋放因子會水解 tRNA 與 P 位點多肽之間的鍵，從而釋放多肽鏈。兩個核糖體亞基、釋放因子和 mRNA 然後分離，標誌著終止過程的結束。

  • 終止密碼子 - 終止密碼子表示 mRNA 中的三個氮化鹼基序列，它表示多肽延伸或翻譯的終止。然後，氨基酸序列從 mRNA 模板中釋放出來，形成其最終的 3D 構象。
終止密碼子 序列
RNA UAA
RNA UAG
RNA UGA
DNA TAA
DNA TGA
DNA TAG

編輯

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在某些情況下，mRNA 可以改變其核苷酸組成。這個過程被稱為編輯。在人類中，載脂蛋白 mRNA 是這種情況之一。這種編輯 mRNA 發生在某些組織中，但並非所有組織。在這個版本中，mRNA 的密碼子過早地停止，因此，在進行翻譯過程時，它將產生更短的蛋白質。

透過鹼基修飾 mRNA 編輯改變 mRNA 序列經常會產生蛋白質多樣性。根據它們的結構域和胞嘧啶脫氨酶的催化域的發生，已經確定了幾種蛋白質與 C 到 U mRNA 編輯酶相似。鑑於這些蛋白質可能代表新的 mRNA 編輯系統，這些系統可能會影響蛋白質組多樣性，我們考慮了它們的結構、表達以及與生物醫學上重要的過程或病理的關聯。


降解

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經過一定時間後，透過 mRNA 傳遞的資訊將被降解並刪除。這個過程被稱為降解。由於 mRNA 的壽命，細胞可以輕鬆快速地改變蛋白質的產生，以應對任何變化的需求。不同型別 mRNA 的壽命可能不同。mRNA 分子在細胞質中的壽命是決定細胞內蛋白質合成模式的重要關鍵。原核生物的 mRNA 分子通常在合成後幾分鐘內就被酶降解，這是原核生物能夠如此迅速地改變其蛋白質合成模式以響應其環境變化的原因之一。另一方面，真核生物的 mRNA 通常存活數小時、數天，在某些情況下甚至存活數週。多細胞 mRNA 的一個例子是血紅蛋白多肽，在發育中的紅血球中，血紅蛋白多肽異常穩定，這些長壽的 mRNA 在細胞中反覆翻譯。對酵母的研究表明，mRNA 降解的常見途徑始於多聚 A 尾的酶促縮短，這有助於觸發去除 5' 帽的酶的作用。去除 5' 帽末端至關重要，因為它受 mRNA 中特定核苷酸序列的調節。一旦帽被去除，核酸酶就可以進入並迅速吞噬 mRNA。這種 mRNA 降解過程依賴於脫腺苷酸化。多聚 A 尾的縮短由脫腺苷酸酶啟動，之後，mRNA 會被完全降解或在某些細胞中被儲存。

另一種阻止特定 mRNA 分子表達的機制，稱為 MicroRNA (miRNA) 或 miRNAs，也已成為人們關注的焦點。它們是由更長的 RNA 前體形成的，這些前體會摺疊回自身，形成一個由氫鍵連線在一起的長雙鏈髮夾結構。這些小的單鏈 RNA 分子可以與 mRNA 分子中的互補序列結合，然後一種叫做 Dicer 的酶可以將雙鏈 RNA 分子切割成短片段。兩條鏈中的一條被降解，然後另一條鏈（通常是 miRNA）與一個大的蛋白質複合體結合，該複合體允許複合體結合到任何具有互補序列的 mRNA 分子，以降解或阻止 mRNA 的翻譯。

科學家還觀察到，RNA 分子可以抑制基因表達。當他們注意到將雙鏈 RNA 分子注射到細胞中以某種方式關閉了具有相同序列的基因時，他們觀察到了這一點。科學家將這種現象稱為 RNA 干擾或干擾 RNA (RNAi)。後來發現，這種干擾是由於小的干擾 RNA (siRNAs) 造成的，siRNAs 是大小和功能與 miRNAs 相似的 RNA。研究表明，細胞內產生 siRNAs 的機制與細胞內產生 miRNAs 的機制相同。這些小 RNA 發揮作用的機制也是一樣的。由於細胞 RNAi 通路會導致破壞與其自身互補的 RNA 序列，因此人們認為它們最初是作為一種針對 RNA 病毒感染的自然防禦機制而起作用的。

參考文獻

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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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