mRNA与遗传密码

　　在1956年-1961年期间，由Jacob等人领导的四个不同的实验室，通过用T4噬菌体感染大肠杆菌，发现了真正的模板。T4噬菌体感染后，宿主细胞E.coli的RNA合成停止，转录出的RNA仅来源于T4DNA，T4RNA的碱基组成不仅与T4DNA非常相似，而且能与tRNA和E.coli核糖结合。但并不是核糖体本身的构成成份。因为T4RNA携带人T4DNA来的遗传信息，并在核糖体上指导合成蛋白质，所以称为信使RNA(messenger RNA)。 成熟mRNA的结构和功能

　　许多真核细胞mRNA已被纯化，某些mRNA的序列也被测定。到目前为止，所发现的mRNA都有合成一种多肽链的信息。它们具有一些共同的结构特征。例如，成熟的卵清蛋白mRNA含1859个碱基。在5'端有一个"帽子"(5'-Cap)，3'端含多聚腺苷酸(polyA)序列。在5'端非翻译顺序(64个碱基)和3'端非翻译顺序(637个碱基)之间是翻译区或编码区(长1158个碱基)。 　　mRNA的5'端含有7-甲基鸟苷三磷酸帽子其通式为m7GpppNm。其中N代表mRNA分子原有的第一个碱基，m7G是转录后加上去的，即鸟嘌呤第7位氮(N7)被甲基化。在不同真核生物的mRNA，5'端帽亦不同。帽子可分为三种不同的类型:O型为m7GpppN；I型为m7-GpppN1mp，即转录出的mRNA的第一位碱基也被甲基化(C2甲基化)；II型为m7GpppN1mpN2mp，即mRNA的第一个碱基和第二个碱基均被甲基化。帽结构中m7Gppp与下一个核苷酸连接是以5'与5'相联的方式，这和一般的多核苷酸中的5'与3'连接方式不同。这种特殊的连接方式称为相对核苷酸结构(confronted nucleotide structure)。 　　5'帽子至少有两种功能。一是对翻译起识别作用。实验表明，含有5'端帽子，翻译活性会下降。但无帽结构的脊髓灰质炎病毒(poliovirus)在无细胞系统中也能有效翻译。一般认为，当起始密码子AUG离5'端很远，或者核糖体与mRNA亲和力很强时，帽结构则不太重要。第一个功能是稳定mRNA的作用。mRNA的帽结构可保护mRNA5'端避免外切核酸酶的攻击。在体外无细胞翻译系统中证明，在帽的逆转录病毒mRNA较无帽的逆转录病毒mRNA更稳定。帽结构的G不甲基化时(G5'ppp5'N)，翻译效果减弱，但稳定性不变。 　　大多数真核生物mRNA的3'端都有50-200个腺苷酸残基，构成poly(A)尾结构。poly(A)也是转录后当mRNA还未离开胞核时(此时称hnRNA)就加上去的。但有些真核细胞mRNA，如组蛋白mRNA，呼肠弧病毒及一些植物病毒mRNA上没有poly(A)。一般认为mRNA的3'端非常保守的AAUAAA序列加尾的信号。原核细胞的mRNA没有加帽或加尾修饰。poly(A)尾结构的生物学功能还不太清楚，初步认为与hnRNA从核内移出有关和抵抗外切核酸酶从3'端降解mRNA。 　　早先测定的所有噬菌体和细胞基因中各种顺序的排列次序为:启动信号-5'端前导区(5'端非编码顺序)-编码区-3'端尾序列(3'端非编码区)-3'端终止子。但是当1977年发现一个基因可以完全埋藏在另一基因内时，着实令人吃惊。已经清楚地表明，某些DNA序列是多功能的。例如，φx174的基因组共含5375个核苷酸，构成11个基因，其中A基因与B、K基因重叠，或者B基因(涉及单股DNA合成)埋藏在A基因内。另一基因K基因(与溶菌有关)与A和C基因交界处重叠，重叠基因的编码区往往与16SrRNA有短序列互补而且互补区靠近起始密码子AUG处。至今，基因完全重叠的情况仅在病毒发现。细菌mRNA(多顺反子mRNA)能编码区起始，例如E.coli的trpE和D基因。 遗传密码 　　mRNA中蕴藏遗传信息的碱基顺序称为遗传密码（Genetic code）。mRNA中每个相邻的三个核苷酸，这个三联体称为一个密码子(codon)，因此，密码是密码子的总和。

遗传密码表

　 　　遗传密码子具有以下基本特点：1）每个密码子三联体(triplet)决定一种氨基酸；2)两种密码子之间无任何核苷酸或其它成分加以分离，即密码子无逗号;3)密码子具有方向性，例如AUC是Ile的密码子，A为5'端碱基，C为3'端碱基。因此密码也具有方向性，即mRNA从5'端到3'端的核苷酸排列顺序就决定了多肽链中从N端到C端的氨基酸排列顺序;4)密码子有简并性(degeneracy)一种氨基酸有几个密码子，或者几个密码子代表一种氨基酸的现象称为密码子的简并性。除了Met和Trp只有一个密码子外，其它氨基酸均有二个以上密码子，例如Arg有6个密码子。5)共有64个密码子，其中AUG不仅是Met或者fMet(在原核细胞)的密码子，也是肽链合成的起始信号，故称AUG为起始密码子。UAA、UAG和UGA为终止密码子，不代表任何氨基酸，也称为无意义密码子。6)密码子有通用性，即不论是病毒、原核生物还是真核生物密码子的含义都是相同的。但真核细胞线粒体mRNA中的密码子与胞浆中mRNA的密码子有以下三点不同:一是线粒体中UGA不代表终止密码子，而是编码Trp;二是肽链内的Mer由AUG和AUA二个密码子编码，起始部位的Met由AUG、AUA、AUU和AGG均为密码;三是AGA和AGG不是Arg的密码子，而是终止密码子，即UAA、UAG、AGA和AGG均为终止密码子。密码子结构与氨基酸侧链极性之间有一定关系.1)氨基酸侧链极性性质在多数情况下由密码子的第二个碱基决定。第二个碱基为嘧啶(Y)时，氨基酸侧链为非极性，第二个碱基为嘌呤(P)时，氨基酸侧链侧有极性.2)当第一个碱基为U或A，第二个碱基为C，第三个碱基无特异性时，所决定的氨基酸侧链为极性不带电;3)当第一个碱基不是U，第二个碱基是G时，氨基酸侧链则带电。在此前提下，若第一个是C或A时，表示带正电的氨基酸;第一、第二个碱基分别是G、A时，此种氨基酸带负电。但上述关系也有个别例外。 密码与反密码子的相互识别 　　一度认为在tRNA上的反密码子(anticodon)只能识别一种密码子。后来发现二个事实不能用这种理论解释。一是纯化的tRNAAla(随后也证明了其它tRNA)可识别几种不同的密码子。二是某些反密码子中含稀有核苷酸次黄嘌呤核苷酸(1)I并不按标准配对，但与密码子中的三种碱基形成氢键。对于一种tRNA能识别几种密码子的现象，Crick(1966)提出了所谓"摆动假说"(Wobble hypothesis)，他认为碱基间除标准配对外，还可以有非标准的配对，即密码的第一、第二碱基是必需严格按标准配对(A-U、G-C)而第三碱基则不然，它的配对不如此严格，可以有一定程度的摆动灵活性，但也不是可以任意组合，只限于表中所列举的配对。

密码子与反密码子的配对

 E.coli核糖体蛋白质的密码子使用频率

动物基因的密码密码子使用频率

　 　　对一种氨基酸特异的几种tRNA，在细胞内的合成在量上有多和少之差，分别称为主要tRNA(major tRNA)和次要tRNA(minor tRNA)。主要tRNA中反密码子所识别的密码子为高频使用密码子，相应地，次要tRNA中反密码子所识别的密码子为低频使用密码子。实验表明，DNA中富含A-T碱基对的微生物，它的绝大数密码子3'端为U或A，在这种情况下，3'端为U或A的密码子被优先利用。根据对E.coli mRNA的研究，证明一种氨基酸的某些密码子反复出现，而另一些几乎从不出现。表4-3总结了许多E.coli核糖体蛋白质密码子的使用频率。在高等哺乳动物，密码子的利用频率也不是随机的。 　　在真核细胞一个典型的例子是酵母醇脱氢酶异构酶Ⅰ和磷酸甘油醛脱氢酶中，25种密码子编码了96%的氨基酸序列，相应于这些密码子tRNA亦是极为丰富的。因此密码子的选择受tRNA利用性的限制，应用与次要tRNA反应的密码子事实上会减慢翻译。分析密码子与反密码子的反应，可以得到几个有意义的认识：1)如果反密码子5'端的U被修饰，会导致利用密码子上3'端的A较G优势，2）如果反密码子5'端是G，会导致与密码子3'端U或C配对较与A配对优势.3)当密码子的前二个碱基与反密码子形成A-U碱基对时，反密码子的第三碱基应是C优势(形成G-C对)，而不是U优势(形成U-A对)。 突变(mutations)

　　与DNA的突变相同，参与蛋白质生物合成的二种RNA的突变出有下列三种类型.1)无意义突变:指正常(或野生型)密码子改变为终止密码子，引起翻译过程提早终止。例如，Tyr密码子UAC和UAU突变为UAG.2)误义突变:野生型密码子改变为另一种氨基酸的密码子。如Gly密码子GGG突变为AGG，成为Arg的密码子.3)移码突变:在编码顺序中插入(或缺失)一个(或更多)碱基，引起翻译读框改变。 　　如果野生型密码子5'端碱基发生突变，通常会导致一个非常类似的(如果不是同一个的话)氨基酸的取代。此种情况属于点突变之一───转换(transition)。如果密码子的第二位碱基发生突变，往往也被一个非常类似的氨基酸取代。若密码子的第三位(3'端)碱基经历了转换突变，几乎不会改变对氨基酸的特异性。一般来说，当密码子的前二个密码是GG或CC时，第三位上的碱基种类不同可引起对氨基酸特异性没有影响，例如Pro、Ala、Arg和Gly的密码子。当第二位是A或U时，第三个碱基的种类不同可引起对氨基酸特异性的变化。由于G-C硷基对比A-U对键力强，因此在前二位是G-C对时，第三位上的错误配对时常仍能维持原构象，这也许是在进化过程中形成的一种校正机制，以减少翻译错误。 校正tRNA对基因或密码子突变的校正作用 　　对基因或密码子突变可产生校正tRNA，这是经过其反密码子上发生某种突变，以"代偿"或校正原有突变所产生的不良后果，这样的tRNA称为校正tRNA，这种tRNA上反密码子的突变称为校正突变。校正突变可为二类:一是发生在同一基因内，但不在该基因的同一部位，称为基因内突变校正(Intragenic suppression);二是发生在另一基因内，称为基因间突变校正(Intergenic suppression)。 　　无意义和误义突变校正均可通过突变tRNA(或校正rRNA)介导。例如tRNATyr和tRNALys就是很容易变为无意义校正tRNA的例子，这二种tRNA所阅读的正常密码子与终止子UAA仅一个碱基之差。在色氨酰tRNA合成酶(TrpRS)A基因突变(用Arg取代了正常的Gly，使TrpRS失活)时，可经过校正性突变使Gly插入突变的Arg部位，使酶复活。其校正子就是tRNA，提示突变已经改变了tRNAGly的反密码子。在E.coli中有三种同工(isoacceptor)tRNAGly，每个同工tRNA的反密码子不同。tRNAGly只识别GGG，但密码子GGG也可被tRNAGly识别(由于tRNAGly反密码子的摆动性，使之可与GGG或GGA配对)。所以tRNAGly对于蛋白质合成不是必需的，当它的反密码子由CCC改变为CCU后，便可识别Arg的密码子AGG。因此，类似于tRNAGly这样的次要tRNA，在体内可能起校正作用。 　　已知的移码校正(frame shift suppression)的例子是移码性tRNAGly(称为tRNAGly或者tRNAGly)。tRNAGly的特点是它的反密码子由四个碱基(CCCC)组成，这是由于tRNAGly的基因glyU产生插入突复(CCC→CCCC)。该突变不仅使得tRNAGly把四个碱基作为一个密码子阅读，也可使核糖体从A位到P位能跨越四个碱基长的sufdmRNA序列，如此使阅读框架正常。几种30S核糖体蛋白质的特殊突变亦能极大地影响阅读密码的精确性。其每种氨基酸的改变都能影响核糖体的构型，造成错误的氨基酰tRNA在肽链延长时被高频使用。有一种突变称为ram(ribosomalambiguity)，在缺乏任何校正tRNA的情况下可校正三种无意义密码子和误义突变。研究表明ram突变是校正肽链延长步骤，而不是对tRNA的正确选择。