蛋白質(zhì)翻譯機(jī)制的精準(zhǔn)性概述

李建永

(濰坊科技學(xué)院/山東省高校設(shè)施園藝實(shí)驗(yàn)室 壽光 262700)

蛋白質(zhì)種類繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，參與生物體內(nèi)眾多的生化反應(yīng)，是細(xì)胞和生物機(jī)體功能的重要執(zhí)行者。一旦翻譯過程出現(xiàn)問題就會(huì)生成錯(cuò)誤的蛋白質(zhì)，進(jìn)而會(huì)造成災(zāi)難性的后果。

那么，哪些機(jī)制保障了蛋白質(zhì)翻譯過程的精準(zhǔn)性呢？

1 模板序列的準(zhǔn)確性

1.1 mRNA序列的正確性 mRNA是蛋白質(zhì)翻譯的模板，其攜帶信息的精確性是蛋白質(zhì)準(zhǔn)確翻譯的基礎(chǔ)。DNA轉(zhuǎn)錄生成的前體mRNA要經(jīng)歷一系列復(fù)雜的剪接、加工和修飾過程。例如，真核生物的前體mRNA要經(jīng)歷5′端加帽、3′端加尾、內(nèi)含子切除等加工過程后才成為成熟的mRNA[1]。這也保證DNA存儲(chǔ)的遺傳信息準(zhǔn)確無誤地傳遞到翻譯的模板——RNA。

1.2 校正基因的作用 當(dāng)編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因發(fā)生變異時(shí)，通常會(huì)合成錯(cuò)誤的蛋白質(zhì)。大量的研究結(jié)果表明，一種蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因發(fā)生變異后，所產(chǎn)生的錯(cuò)誤結(jié)果往往可以被第二次變異所校正，由此所產(chǎn)生的基因叫校正基因[2]。校正變異如果發(fā)生在結(jié)構(gòu)基因內(nèi)，稱之為“基因內(nèi)校正”；而校正變異發(fā)生在另外一個(gè)基因上，則稱之為“基因間校正”?；騼?nèi)校正是通過第二次變異來修正基因本身產(chǎn)生的錯(cuò)誤；而基因間校正則是通過校正tRNA來實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)基因的校正的。

2 氨基酸與tRNA結(jié)合的專一性

氨酰tRNA合成酶(aaRS)保證了氨基酸與tRNA結(jié)合的專一性，體現(xiàn)在兩個(gè)方面，即aaRS的識(shí)別和矯正功能。

2.1 氨酰tRNA合成酶的識(shí)別功能 在翻譯過程中，tRNA負(fù)責(zé)與特定氨基酸結(jié)合，并將它們運(yùn)送到核糖體，此過程由氨酰tRNA合成酶介導(dǎo)。在原核生物中有30～45種tRNA，真核生物有50余種，而氨基酸則只有20種，這也意味著同一個(gè)氨基酸可以有多個(gè)不同的tRNA與之對(duì)應(yīng)，這些轉(zhuǎn)運(yùn)同一個(gè)氨基酸的tRNA稱之為同工tRNA。那么，aaRS是如何識(shí)別同工tRNA的呢？這主要依賴于tRNA分子中的特殊部位——位于氨基酸受體臂中的堿基對(duì)，它決定著tRNA攜帶特異氨基酸的種類。若從tRNA分子中除去它，則tRNA分子不能被任何aaRS所識(shí)別。例如，大腸桿菌丙氨酸t(yī)RNA氨基酸臂上的G3： U70單堿基對(duì)是決定接受丙氨酸的密碼子。因此，人們也將氨基酸與tRNA的配對(duì)稱為“第二套遺傳密碼”[2]。它遠(yuǎn)比“第一套遺傳密碼”復(fù)雜，如果沒有這套遺傳密碼，aaRS就不能將不同的tRNA分子區(qū)分開來。正是由于aaRS識(shí)別介導(dǎo)的tRNA和氨基酸正確配對(duì)的巧妙機(jī)制，才使得細(xì)胞能夠?qū)⑦z傳密碼精確翻譯成為細(xì)胞所需的功能性蛋白。

2.2 氨酰tRNA合成酶的校正功能 aaRS不僅可以活化氨基酸，而且還可以水解錯(cuò)誤鏈接的氨酰tRNA，從而防止“錯(cuò)誤”的氨基酸進(jìn)入多肽鏈，起到“校正”功能。與tRNA相比，氨基酸是一種小分子，可供aaRS識(shí)別的結(jié)構(gòu)特征非常有限。例如，異亮氨酸(IIe)和纈氨酸(Val)之間僅有一個(gè)甲基基團(tuán)的差異。在異亮氨酰tRNA合成酶(IIeRS)中有一個(gè)能識(shí)別IIe的小洞(催化中心)，其他的大分子氨基酸不能進(jìn)入，而Val則剛好能進(jìn)入這個(gè)口袋。由于Val和IIe對(duì)IIeRS的親和力不同，此時(shí)IIeRS校正功能發(fā)揮作用，即IIeRS的校正活性中心會(huì)水解切除掉Val，留下tRNA分子，等待正確的異亮氨酸進(jìn)入。

3 翻譯起始階段的嚴(yán)謹(jǐn)性

蛋白質(zhì)翻譯的起始主要涉及起始復(fù)合物的正確組裝，以確保翻譯開始前確定合適的起始密碼子和正確的開放閱讀框。起始復(fù)合物由核糖體、模板mRNA、起始tRNA以及多個(gè)起始因子組成。原核生物的核糖體小亞基16S rRNA 3′末端有一段富含嘧啶的序列，可以與位于mRNA起始密碼子上游3～10核苷酸處的SD序列(Shine-Dalgarno sequence)互補(bǔ)，從而將核糖體小亞基準(zhǔn)確定位在mRNA上，同時(shí)也使得起始密碼子定位在核糖體的P位。16S rRNA上的堿基還可以直接與P位上的起始密碼子相互聯(lián)系，通過堿基修飾調(diào)節(jié)P位的構(gòu)象，阻止非起始密碼子引發(fā)的起始[3]。另外，定位好的小亞基還可以促進(jìn)起始密碼子與反密碼子的正確配對(duì)[4]。在此過程中，起始因子IF1、 IF2、 IF3各自發(fā)揮自己的功能，進(jìn)一步提高了起始復(fù)合物組裝的精確性和效率[5,6]。不同于原核生物，真核生物的mRNA序列沒有SD序列，通常情況下核糖體40S小亞基會(huì)通過“掃描模式”確定自己的位置，即小亞基首先與mRNA的5′端結(jié)合，然后沿著mRNA序列進(jìn)行掃描，直到找到起始密碼子為止[7]。而真核生物5′端甲基化的帽子能促進(jìn)起始反應(yīng)，因?yàn)楹颂求w上有專一位點(diǎn)能識(shí)別mRNA的帽子結(jié)構(gòu)；帽子還在mRNA與小亞基結(jié)合過程中起穩(wěn)定作用。此外，帽子的mRNA 5′端與18S rRNA的3′端序列之間還存在類似原核生物SD序列的堿基配對(duì)作用。真核生物的起始因子有12種之多[8]，這些起始因子與核糖體、mRNA和起始tRNA之間相互作用[9,10]，從而形成一個(gè)穩(wěn)定而又平衡的動(dòng)態(tài)起始復(fù)合物，使翻譯起始進(jìn)程在可調(diào)控的情況下進(jìn)行。

4 翻譯過程中的忠實(shí)性

4.1 密碼子與反密碼子的正確配對(duì) 攜帶氨基酸的tRNA依靠自身的反密碼子與模板mRNA分子上的三聯(lián)體密碼以反向平行的方式進(jìn)行準(zhǔn)確堿基配對(duì)，從而保證氨基酸按mRNA信息的指導(dǎo)“對(duì)號(hào)入座”，生成具有特定氨基酸順序的蛋白質(zhì)多肽鏈[2]。由此可見，反密碼子與密碼子的相互識(shí)別是遺傳信息“忠實(shí)傳遞”的又一重要保證。

4.2 核糖體對(duì)氨酰tRNA的選擇性 核糖體像一臺(tái)精密的天然氨基酸檢測(cè)器，允許正確的氨酰-tRNA進(jìn)入其A位。反之，錯(cuò)誤的氨酰-tRNA因反密碼子和密碼子配對(duì)不能及時(shí)發(fā)生而從A位解離[11,12]。這是維持蛋白質(zhì)生物合成的高度保真性的另一重要機(jī)制。

4.3 轉(zhuǎn)肽后的“質(zhì)量監(jiān)控”機(jī)制 雖然核糖體對(duì)氨酰-tRNA的選擇具有高度的忠實(shí)性，但也很難避免錯(cuò)誤氨基酸的摻入，此時(shí)轉(zhuǎn)肽后的“質(zhì)量監(jiān)控”機(jī)制便開始發(fā)揮作用[13]。研究發(fā)現(xiàn)，如果有錯(cuò)誤的氨基酸摻入A位，當(dāng)其移位到P位時(shí)，會(huì)影響核糖體對(duì)后續(xù)A位氨基酸的選擇，造成A位錯(cuò)誤摻入的幾率進(jìn)一步增加，這時(shí)釋放因子(RF)會(huì)進(jìn)入A位，從而使錯(cuò)誤的肽鏈及時(shí)釋放[13]。

5 翻譯終止的及時(shí)性

肽鏈的延伸過程中，當(dāng)終止密碼子UAA、 UAG或UGA出現(xiàn)在核糖體的A位時(shí)，沒有相應(yīng)的氨酰-tRNA能與之結(jié)合，而RF能及時(shí)識(shí)別這些密碼子并與之結(jié)合，誘導(dǎo)轉(zhuǎn)肽酶改變?yōu)轷ッ富钚?，使肽鏈從核糖體上釋放，保證了蛋白質(zhì)合成的完整性。