信使的结构和功能

20世纪40年代，科学家已经发现细胞质内蛋白质的合成速度与RNA水平相关。1960年Francois Jacob和Jacques Monod等人用放射性核素示踪实验证实，一类大小不一的RNA才是蛋白质在细胞内合成的模板。后来被确认这些RNA是在核内以DNA为模板合成的，然后转移至细胞质内。这类RNA被命名为信使RNA（messenger RNA，mRNA）。

在细胞核内合成的mRNA初级产物比成熟的mRNA分子大得多，而且这种初级的RNA分子大小不一，被称为不均一核RNA（heterogeneous nuclear RNA，hnRNA）。hnRNA在细胞核内存在时间极短，经过剪接成为成熟的mRNA（参见第24章），并依靠特殊的机制转移到细胞质中。成熟的mRNA由氨基酸编码区和非编码区构成。真核生物的mRNA是含有特殊5′末端的帽子结构和3′末端的多聚A尾结构（图5-10）。原核生物的mRNA未发现类似结构。

图5-10 　真核生物成熟mRNA的结构特点

1．大部分真核细胞mRNA的5′末端都以7-甲基鸟嘌呤-三磷酸鸟苷（m7GpppN）为起始的，这种结构被称为帽子结构（cap structure）。5′帽子结构是由鸟苷酸转移酶催化加到转录后的mRNA分子上的，并形成了5′-5′的特殊连接特征，使得mRNA不再具有自由的5′-磷酸基团。与帽子结构相邻的第1和第2个核苷酸中戊糖C-2′通常会被甲基化，由此产生数种不同的帽子结构（图5-11）。

图5-11 　真核生物成熟mRNA的帽子结构

mRNA的帽子结构可以与一类称为帽结合蛋白（cap binding protein，CBP）的分子结合。这种由mRNA和CBP形成的复合物对于mRNA从细胞核向细胞质的转运、与核糖体的结合、与翻译起始因子的结合以及mRNA稳定性的维持等均有重要作用。

2．在真核生物mRNA的3′末端，有一段由80～250个腺苷酸连接而成的多聚腺苷酸结构，称为多聚A尾 [poly(A) tail]。poly（A）结构也是在mRNA转录完成以后加入的，催化这一反应的酶为poly（A）转移酶。poly（A）结构在细胞内与poly（A）结合蛋白[poly（A）-binding protein，PABP]相结合，每10～20个碱基结合一个PABP单体。所以，真核细胞的mRNA的3′末端实际上是一个poly(A)和蛋白质多聚体形成的复合物。目前认为，这种3′末端多聚A尾结构和5′帽子结构共同维系mRNA的稳定性、负责mRNA从核内向胞质的转位以及翻译起始的调控。去除多聚A尾和5′帽子结构会导致细胞内mRNA的降解。

3．mRNA依照自身的碱基序列指导蛋白质氨基酸顺序的合成，也就是为蛋白质合成提供模板。从mRNA的5′末端起的第1个AUG开始，每3个核苷酸为一组定义了一个密码子（codon）或三联体密码（triplet code）。每一个密码子决定了肽链上的一个氨基酸。AUG则被称为起始密码子。同理，决定肽链终止的密码子称为终止密码子。位于起始密码子和终止密码子之间的核苷酸序列称为开放阅读框（open reading frame，ORF），决定了多肽链的氨基酸序列。

生物体各种mRNA链的长短差别很大，主要是由其转录的模板DNA区段大小及转录后的剪接方式所决定的。mRNA的长短决定了它要翻译出的蛋白质的相对分子质量大小。在所有的RNA中，mRNA的半衰期最短，由几分钟到数小时不等。