mRNA在翻译过程中与核糖体作用的几个特殊位点以及解说
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发布时间：2022-04-22 08:27
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时间：2022-04-27 11:45
1. PABP在翻译起始中的作用
所有真核生物mRNA 5′端都有帽子结构，早在1976年Shtkin就根据体外翻译实验结果指出，5′端帽子有增强翻译效率的作用。此后众多研究证实，大多数mRNA的翻译依赖于帽子结构。
除了帽子外，真核生物mRNA的3′端大都有polyA尾巴，在许多体内实验和高活性的体外翻译体系中都观察到，mRNA polyA结构与翻译效率有直接的关系，带polyA的mRNA比无polyA尾巴的相应mRNA的翻译效率高得多。5′端帽子和3′端polyA能够协同地调节mRNA的翻译效率。进一步研究表明，真核生物翻译起始过程中，polyA被PABP所结合，通过PABP影响翻译。
PABP在真核生物中高度保守，含有4个RNA识别模体(RNA recognition motif， RRM)。Sachs等首先证明，PABP参与翻译起始。PABP能协助60S亚基与40S亚基结合从而促使80S核糖体的形成〔5〕。生化方面的证据也揭示了PABP在翻译起始中的作用。无论是polyA还是5′端帽子结构都不能单独作用于翻译，而只能协同作用，PABP在此过程中参与帽子和其起始因子的相互作用〔3、6〕。可能PABP可以直接与CBP作用或通过一个中介物间接作用(如图1)，通过这种相互作用，mRNA的两末端在空间上十分靠近而形成环状。这与40多年前电子显微照相观察到多核糖体是环状的实验结果一致。可能真核生物就是通过两末端作用而提高翻译效率的。
图1 翻译起始mRNA两末端的相互作用
如果在溶菌酶的体外翻译体系中加入外源polyA，蛋白质的合成就受抑制，这表明外源polyA结合(squester)了一种翻译必须成分。Gallie等还发现，没有帽子结构的mRNA的抑制效应比有帽子的mRNA大，表明含5′端帽子的mRNA能高效竞争易被外源polyA结合的某成分。而且，加入纯化的eIF4F和eIF4B能逆转polyA导致的抑制效应。可见，这种外源polyA所结合的成分就是eIF4F、eIF4B。虽然这些因子能直接作用于polyA，但是它们与polyA的亲合力只有它们与PABP的亲合力的二分之一左右〔7〕。对此最可能的解释是，polyA与eIF4F、eIF4B的结合是通过PABP/polyA复合物和各因子间的蛋白质-蛋白质相互作用完成的。
在酵母和植物中，PABP与eIF4F(eIFiso4F)的大亚基eIF4G(eIFiso4G)直接作用而促进40S亚基与mRNA结合〔7、8〕。但哺乳动物的PABP却不和eIF4G直接作用。最近在哺乳动物中发现了一个与eIF4G具一定同源性的PABP作用蛋白，PAIP-1。Craig等〔9〕就此提出了一个模型，认为哺乳动物PABP和eIF4A以PAIP-1为中介而在polyA和5′-UTR间形成一个桥，5′端帽子和polyA对翻译起始的协同作用或许是按以下步骤完成的：eIF4A通过与eIF4G作用而召集于5′端帽子，而帽子反过来又促进eIF4A的召集反应(图1)，然后eIF4A以PAIP-1为中介与PABP作用〔4、9〕。在植物中，不但eIF4F(eIFiso4F)和eIF4B能分别提高PABP对polyA的亲和力，而且两者还能协同影响PABP对polyA的结合力。提示PABP、eIF4F、eIF4B三因子间必有一个功能上的相互作用〔7〕。而在哺乳动物体内，eIF4F含量较低，为提高翻译效率，eIF4F与PABP结合以分别提高它们与帽子及polyA的结合〔4〕。
PABP与其相关起始因子的分子间相互作用受细胞间PABP和mRNA浓度的控制，在一定浓度下，polyA(很可能是与PABP共同作用)能选择性提高体外mRNA的翻译。而且，两末端的这种PABP参与的分子间相互作用对翻译前mRNA的完整性起着检测作用，从而可以阻止不完整的mRNA的翻译。PABP在起始中参与分子间作用的另一个原因，也许是通过两末端靠近促进再起始。已有证据表明，40S亚基在翻译结束后仍与mRNA结合在一起；与mRNA结合的核糖体能被优先召集。在GCN4 ORF的上游有 4个小的上游开放阅读框(suORF)。GCN4 mRNA为了翻译远端开放阅读框，40S亚基在近端suORF翻译后仍与mRNA结合着。随着第一suORF翻译的终止及60S亚基的脱离，仍有50%的40S亚基与mRNA结合继续进行扫描，从而提高翻译效率。
40S亚基在翻译终止后，仍结合于mRNA的3′-UTR有利于再起始，而3′-UTR长度决定其结合的时间。翻译效率低的mRNA往往利用这种机制，构建一系列3′-UTR长度不一的mRNA，随着3′-UTR长度加长，翻译效率也提高。3′-URT越长，翻译终止后，核糖体仍结合于3′-UTR的时间也长，从而提高了它们的召集反应。而且在此过程中，结合在mRNA上的40S亚基浓度比已从mRNA上脱离的40S亚基浓度高。PABP/polyA复合物和eIF4F/5′端帽子复合物可能便于再召集〔4〕。
2. 两末端的相互作用提高mRNA稳定性
PABP和CBP的相互作用不但能促进高效翻译起始，而且在维持mRNA的完整性方面也起着重要作用〔4、9〕。在酵母和哺乳动物中，mRNA在降解时，去polyA的反应发生于去帽子之前。polyA首先降解导致PABP从mRNA上释放，随着PABP的释放，5′端帽子被去帽子酶DcplP切掉，整个mRNA也迅速被5′→3′RNA核糖体外切酶XrnlP降解。PABP从mRNA上的释放使5′端帽子易受攻击，PABP在此过程中起了保护作用。PABP能增强植物eEF4F和帽子结构的结合，说明PABP是以eIF4G为中介通过稳定eIF4E与帽子的结合以发挥其功能〔2〕。而在哺乳动物中，mRNA的去polyA发生在5′ 端帽子降解之前，说明PABP很可能以PAIP-1为中介促进eIF4F与帽子结合而发挥其保护作用〔4〕。
3. mRNA两端功能性作用的调节
有多种内外因素调节mRNA 5′端帽子和polyA的相互作用，如蛋白质修饰等。哺乳动物细胞培养时，当血清饥饿时翻译受抑制，反之翻译又被激活。此外，胰岛素也能以浓度依赖的方式诱导血清饥饿细胞帽子/polyA协同作用促进翻译，说明对PABP和帽子相关起始因子相互作用的调节(可能以PAIP-1为中介)是胰岛素信号转导途径的一部分〔11〕。胰岛素的调节可能是通过蛋白因子磷酸化来完成的〔4〕。如诱导eIF4E发生磷酸化，从而提高了它与帽子结合的活性，或促使eIF4E结合蛋白发生磷酸化，促进eIF4E与eIF4G的相互作用，最终影响eIF4A的召集，从而影响其与PAIP-1作为两末端间“桥”的作用。
基因诱导是另一种调节两末端功能性作用的方式。研究发现，T细胞被激活后诱导产生PAIP-1，然后PAIP-1与polyA结合蛋白(iPABP)作用〔9〕。
环境胁迫如热激，一方面能使多核糖体快速解体，另一方面使mRNA的帽子和polyA的相互作用下降而抑制翻译。热激直接或间接地使与PABP结合的蛋白因子的磷酸化状态发生变化，如使哺乳动物eIF4E和eIF4B〔1〕、植物eIF4B〔11〕发生去磷酸化。去磷酸化直接降低了植物eIF4F/eIF4B和PABP的作用；而在哺乳动物中，去磷酸化间接降低eIF4A的召集及其与PAIP-1/PABP/polyA复合物作用的机会，从而抑制翻译。
4. 无polyA和帽子的mRNA末端相互作用的功能
研究表明，没有polyA或帽子结构的mRNA的两末端也能发生相互作用对翻译起作用。哺乳动物中的细胞周期*组蛋白的mRNA没有polyA，但其5′端有一个保守的茎环结构，该结构是核胞质转运和*不同细胞周期时mRNA稳定性所必需的。同时发现它对以茎环结构终止的哺乳动物mRNA的高效翻译也是必需的。这种茎环结构类似于polyA，它作为调节因子的活性依赖于5′端帽子，表明5′端帽子和茎环结构间也存在相互作用。
在病毒中发现了一些有polyA而没有5′端帽子的mRNA，如番茄蚀刻病毒的基因组mRNA，利用一个5′端前导序列代替5′端帽子授于mRNA进行不依赖帽子的翻译功能。5′端前导序列就象5′端帽子一样和polyA发生相互作用，促进高效翻译。但是，介导这种相互作用及细胞周期*组蛋白mRNA两末端作用的蛋白因子仍在研究之中。
其它一些缺帽子或polyA的病毒RNA两端也显示了功能性相互作用，这种作用是通过与帽子或polyA功能类似的RNA元件来完成的。如TMV mRNA没有polyA，但含有一个20bp的3′-UTR，具有与polyA相似的功能。此3′-UTR是一个包含5个RNA假结(pseudo-knots)和一个类似tRNA的末端区域的高级结构。
没有polyA或帽子结构的非保守mRNA的研究说明，开放阅读框旁侧的序列元件或许是高效翻译的基础。关于蛋白质翻译机制还有许多问题仍不清楚，环状mRNA翻译可能就是蛋白质翻译机制之一，这还有待进一步研究。
