根據(jù)基因表達(dá)的“中心定律”描述原核生物翻譯模板，將遺傳信息從RNA傳遞到蛋白質(zhì)的過程被定義為mRNA翻譯。換句話說，雖然DNA可以通過轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生信使RNA（mRNA），但mRNA分子本身不具有參與細(xì)胞活動的功能，必須經(jīng)過翻譯才能產(chǎn)生相應(yīng)的功能蛋白。除了mRNA，轉(zhuǎn)運(yùn)RNA（tRNA）和核糖體也是翻譯過程中不可缺少的成員。

圖 1 翻譯的三個階段

翻譯過程的三個階段

初始階段：核糖體元件與mRNA結(jié)合組裝成完整的核糖體

延伸階段：核糖體從mRNA的5'端向3'端移動，吸收氨基酸形成多肽鏈

終止階段：核糖體遇到mRNA的終止密碼子，蛋白質(zhì)合成終止并與mRNA分離

語言轉(zhuǎn)換器：轉(zhuǎn)移 RNA (tRNA)

tRNA 在蛋白質(zhì)合成和翻譯過程中起著重要作用。他就像谷歌的翻譯軟件，將mRNA的核苷酸語言一個字一個字地轉(zhuǎn)換成氨基酸語言。將單一的氨基酸語言進(jìn)行修飾和拼接，形成有意義的文本，即蛋白質(zhì)。 tRNA 的形狀類似于具有 3 片葉子和 1 根莖的三葉草。莖含有氨基酸結(jié)合位點(diǎn)，稱為氨基酸接受莖。與接收莖相對的葉子稱為反密碼子環(huán)。位于葉片頂部的3核苷酸反密碼子可以識別mRNA開放閱讀框區(qū)的基本單位密碼子，從而與mRNA結(jié)合。

圖2 tRNA的結(jié)構(gòu)

格式轉(zhuǎn)換：信使RNA（mRNA）修飾

轉(zhuǎn)運(yùn)出細(xì)胞核的 mRNA 需要在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行修飾才能被翻譯。這個過程就像是把pdf格式的圖片轉(zhuǎn)換成繪圖軟件可以識別的png格式。首先，去除mRNA上的內(nèi)含子。內(nèi)含子是不能編碼氨基酸的核苷酸序列。隨后，在mRNA的3'端加入多個腺嘌呤，這種結(jié)構(gòu)也稱為polyA尾。同時，鳥苷三磷酸結(jié)合到 mRNA 的 5' 端作為帽結(jié)構(gòu) (m7G)。上述修飾去除了mRNA上無用的區(qū)域，增加了mRNA的穩(wěn)定性，使其難以被核酸外切酶水解。完成所有修飾后，即可將 mRNA 作為模板進(jìn)行翻譯。

圖3 mRNA修飾過程

蛋白質(zhì)合成：翻譯過程

修飾后的mRNA與核糖體上的特殊位點(diǎn)結(jié)合，在tRNA的幫助下完成翻譯和蛋白質(zhì)合成。核糖體由兩部分組成：大亞基和小亞基。真核生物的核糖體大小為80S（60S大亞基，40S小亞基），而原核生物的核糖體只有70S（50S大亞基，30S小亞基）。與mRNA的結(jié)合位點(diǎn)位于小亞基上，而大亞基含有兩個tRNA結(jié)合位點(diǎn)。

圖 4 翻譯組件

翻譯開始

在翻譯過程中，核糖體的小亞基首先與mRNA分子結(jié)合。同時，一種特殊的起始tRNA分子（Met-tRNAi）識別并結(jié)合mRNA的起始密碼子序列（AUG）。之后，加入大亞基進(jìn)行翻譯，與小亞基形成完整的核糖復(fù)合物。隨著核糖體在 mRNA 上移動，初始 tRNA 離開核糖體的 A 位點(diǎn)，進(jìn)入 P 位點(diǎn)，相鄰的密碼子被新的 tRNA 分子識別。當(dāng)這個新的tRNA進(jìn)入空缺的A位點(diǎn)時，tRNA P位點(diǎn)的氨基酸會通過肽鍵與A位點(diǎn)的氨基酸相連。

翻譯擴(kuò)展

隨著核糖體繼續(xù)沿著 mRNA 移動，P 位點(diǎn)的 tRNA 進(jìn)入 E 位點(diǎn)并與核糖體分離。 A 位點(diǎn)的 tRNA 被轉(zhuǎn)移到 P 位點(diǎn)。 A 位點(diǎn)將再次騰空原核生物翻譯模板，直到另一個符合條件的 tRNA 識別出相鄰的密碼子。這種模式在翻譯過程中反復(fù)循環(huán)，使肽鏈不斷延伸。

翻譯終止

當(dāng)核糖體在mRNA上延伸并遇到終止子時，肽鏈會在P位點(diǎn)與tRNA解離，然后核糖體又會被分解成大大小小的亞基。自然界中有三種常見的終止密碼子：UAG、UAA、UGA。新產(chǎn)生的多肽鏈經(jīng)過一系列的修飾后會成為功能性蛋白質(zhì)。這些新合成蛋白質(zhì)中的一些參與細(xì)胞膜功能，而一些保留在細(xì)胞質(zhì)中或被運(yùn)輸出細(xì)胞以發(fā)揮作用。為了滿足細(xì)胞對功能蛋白的需求，一個mRNA分子可以翻譯成多個相同的蛋白質(zhì)，因?yàn)槎鄠€核糖體可以同時翻譯同一個mRNA分子。這些同時翻譯相同 mRNA 的核糖體集合稱為多核糖體 [1]。

真核生物和原核生物翻譯水平的異同

圖 5 真核生物與原核生物翻譯過程的差異

翻譯的調(diào)控機(jī)制

① 缺少翻譯掃描

掃描遺漏是翻譯起始過程中發(fā)生的一種機(jī)制，用于調(diào)節(jié)基因表達(dá)。在真核基因的起始過程中，40S 小亞基從 5'UTR 向 5' 到 3' 方向掃描 mRNA，直到起始密碼子開始翻譯和延伸。有時，核糖體會忽略第一個起始密碼子 AUG，并在下游的相鄰起始密碼子 AUG 處啟動翻譯 [2]。真核細(xì)胞中核糖體的掃描發(fā)生在 5'UTR 之后。但是，如果起始密碼子被一個“核糖體不受歡迎”的核苷酸序列包圍，掃描狀態(tài)的核糖體會忽略這個AUG。繼續(xù)掃描 mRNA。由于掃描機(jī)制的存在，翻譯也可以從非AUG密碼子開始[3]。這種機(jī)制主要存在于真核基因的富含 GC 的前導(dǎo)序列中。原因被認(rèn)為是mRNA上的二級結(jié)構(gòu)減慢了核糖體的掃描速度，增加了Met-tRNA的錯配率，從而允許核糖。身體在非 AUG 密碼子處啟動翻譯 [4]。然而，對于大多數(shù)病毒而言，缺失掃描的機(jī)制并不是mRNA結(jié)構(gòu)缺陷的結(jié)果。相反，掃描省略使病毒可以從同一mRNA中產(chǎn)生多種蛋白質(zhì)，使其更好地適應(yīng)宿主環(huán)境[5]。

圖 6 翻譯起始省略機(jī)制

②uORF及其對主要ORF的調(diào)控

上游開放閱讀框 (uORF) 位于 mRNA 的 5'UTR 區(qū)域，具有調(diào)節(jié)真核基因表達(dá)的功能。典型的 uORF 翻譯會抑制下游相鄰閱讀框的表達(dá) [6,7]。 uORFs在細(xì)菌中也被稱為前導(dǎo)肽，在調(diào)節(jié)氨基酸的合成和轉(zhuǎn)運(yùn)中起重要作用。

大約 50% 的人類基因在 5'UTR 中含有 uORF，它們可以下調(diào)基因表達(dá) [8]。 uORFs的多肽可以通過質(zhì)譜檢測[9]。

圖7 uORF的三種類型

參考

[1] Champe PC, Harvey RA, FerrierDR (2004). Lippincott 的 Illustrated Reviews: Biochemistry (3rd ed.). Hagerstwon, MD: Lippincott Williams & Wilkins. ISBN978-0-7817-2265-< @0.

[2]科扎克，瑪麗蓮。 “在原核生物和真核生物中啟動翻譯。”基因 234 (1999): 187-208. Academic Search Complete. Web. 10 June 2014.

[3] Herzog, Etienne., et al. “通過體外滲漏掃描對花生叢病毒 RNA 2 的第二個基因進(jìn)行翻譯。”病毒學(xué) 208. (1995): 215 -225. Academic Search Complete. Web. 10 June 1014.

[4] 科扎克，瑪麗蓮。 “推動翻譯啟動掃描機(jī)制的極限?！被?299 (2002): 1-34. Academic Search Complete. Web. 11 June 2014.

[5] Ryaboba, Lyubov., et al. “植物病毒中的翻譯重新啟動和泄漏掃描?！辈《狙芯?119 (2006): 52-62 Academic Search Complete. Web. 23 June 2014.

[6] Vilela C, McCarthy JE（8 月 2003)?！巴ㄟ^ mRNA 5' 非翻譯區(qū)的短開放閱讀框調(diào)節(jié)真菌基因表達(dá)”。分子微生物學(xué)。49 (4) : 859–67. doi:1<@0.1046/j.1365-2958.2003.03622.

[7] Lovett PS，Rogers EJ（199 年 6 月6)?！靶律膶颂求w的調(diào)節(jié)”。微生物評論。60（2)：366–85.

[8] Calvo SE、Pagliarini DJ、Mootha VK（200 年 5 月9)?！吧嫌伍_放閱讀框架導(dǎo)致蛋白質(zhì)表達(dá)普遍減少，并且在人類中具有多態(tài)性”（PDF）。美國國家科學(xué)院院刊美國科學(xué)。美國國家科學(xué)院院刊。106 (18): 7507–12.

[9] Slavoff SA、Mitchell AJ、Schwaid AG、Cabili MN、Ma J、Levin JZ、Karger AD、Budnik BA、Rinn JL、Saghatelian A（201 年 1 月 3)。“短開路的肽組學(xué)發(fā)現(xiàn)人類細(xì)胞中的閱讀框編碼肽”。Nature Chemical Biology. 9 (1): 59–64.返回搜狐查看更多