真核细胞蛋白质翻译起始研究进展

浙江工程学院学报,第21卷,第4期,2004年12月

Journal of Zhejiang Institute of Science and T echnology V ol .21,N o .4,Dec 12004

文章编号:100924741(2004)04-0312-04

收稿日期:2004-06-14

作者简介:周　培(1979-　

),男,浙江宁波人,硕士,讲师,主要从事ACAT 转录以及翻译的研究。真核细胞蛋白质翻译起始研究进展

周　培1,杨　力2,陈　佳2,李伯良2,赵学明1,张耀洲3

(1.天津大学化工学院,天津　300072; 2.中国科学院上海生化及细胞研究所,上海;200031;

3.浙江理工大学生物化学研究所,浙江杭州　310033)

摘要:在大量有关机制的研究基础上,针对真核蛋白质翻译起始,提出了核糖体沿mRNA 滑动识别翻

译起始位点的机制和核糖体从mRNA 内部识别翻译起始位点的机制。

关键词:真核细胞;蛋白质;翻译起始

中图分类号:Q243 文献标识码:A

细胞的新陈代谢、生长和分化等许多基本的生命现象都受到细胞内基因的调控,而基因的这种调控作用则是通过其相应的蛋白质产物来实现的。作为细胞内最基本和最关键的反应之一,越来越多的实验证据表明,蛋白质的翻译对细胞内基因的正常功能发挥起到关键的调控作用。细胞内蛋白质的翻译一般被分为主要的三步:起始、延伸和终止,而已有的报道基本上都集中在对蛋白质翻译起始阶段的研究上。1　核糖体与mRNA 的识别结合

真核细胞蛋白质翻译起始远比原核细胞的复杂。真核细胞的核糖体主要由40S 小亚基和60S 大亚基构成。40S 核糖体亚基通过对mRNA 序列结构的识别首先与mRNA 结合,在到达正确的翻译起始密码子后与60S 核糖体亚基一起形成有活性的80S 核糖体复合物,起始蛋白质的翻译。核糖体对mRNA 的识别结合是蛋白质翻译起始的关键步骤,已有的文献报道主要分为两类,分别是核糖体对mRNA 5′-末端序列结构的识别结合和核糖体对mRNA 内部序列结构的识别结合。

40S 核糖体亚基与mRNA 5′-末端的识别结合需要真核翻译起始因子-4F (elF -4F )复合物的参与。由elF4E 、elF4G 和elF4A 组成的起始因子elF -4F 复合物可以帮助40S 核糖体识别mRNA 的5′-端帽子结构(7mG cap ),这同时还需要负责与tRNA -Met i 结合的真核翻译起始因子-2(elF -2)和与40S 核糖体亚单位相互作用的真核翻译起始因子-3(elF -3)的参予。这些因子的参与保证了40S 核糖体亚基与mRNA 的5π-末端帽子结构相结合,这种结合方式也可被称为依赖于帽子结构的翻译起始(cap 2dependent initiation )。

在另一种情况下,40S 核糖体亚基通过对mRNA 内部的核糖体进入位点(internal ribos ome enter site ,IRES )序列结构的识别,直接与mRNA 的内部序列结合[1]。这种翻译起始与IRES 上存在的二级结构直接相关,而不依赖于mRNA 的5π-末端帽子结构,也可被称为是不依赖于帽子结构的翻译起始(cap 2independent initiation )。有报道表明,这种核糖体与mRNA 的结合可能需要另外一些特殊的真核翻译起始因子的参与。

针对上述两种不同的核糖体进入mRNA 的形式,分别提出了核糖体沿mRNA 滑动识别翻译起始位点的机制和核糖体从mRNA 内部识别翻译起始位点的机制并给予了相应的阐述,这些将在后面(真核细胞蛋白质翻译起始机制)详细介绍。

2　核糖体对翻译起始位点的选择

结合到mRNA 上的核糖体对翻译起始位点的选择,目前为止的研究报道主要可分为两类。一类主要是由起始tRNA (Met -tRNA i Met )通过反密码子与mRNA 密码子的碱基配对实现的,这时翻译由AUG 密码子或AUG 类似的密码子起始。也有报道表明存在一类不依赖于Met -tRNA i Met 的翻译起始,理论上这种起始可以发生在任一密码子上。

真核细胞的起始tRNA 通常为Met -tRNA i Met ,因此蛋白质的翻译起始位点的密码子通常为AUG 密码子,编码的第一个氨基酸为甲硫氨酸。在研究中也发现一些类似AUG 的密码子(如ACG,C UG 和G UG 可以作为翻译起始的密码子,但这些类似AUG 的密码子编码得到的第一个氨基酸并不是相应的苏氨酸,亮氨酸或缬氨酸,而是甲硫氨酸[2,3]。这些可能是类似AUG 密码子与Met -tRNA i Met 的反密码子通过碱基的模糊配对来实现。

近些年来,也有报道认为,存在于mRNA 上的二级结构可以占据核糖体的翻译起始P 位点,起到翻译起始tRNA 的作用,使携带着氨基酸的tRNA 可进入核糖体的A 位点,起始蛋白的翻译[4～7]。这是一种不依赖于Met -tRNA i Met 的翻译起始,并且翻译的第一个氨基酸理论上可以是任一个氨基酸。这方面的研究,目前还仅有核糖体从mRNA 的IRES 进入并识别翻译起始位点的报道。

3　真核细胞蛋白质翻译起始机制

在真核细胞蛋白质翻译起始的研究中,相应于不同的现象,也提出了一些不同的机制并进行阐述,主要有核糖体沿mRNA 滑动识别翻译起始位点的机制和核糖体从mRNA 内部识别翻译起始位点的机制。311　核糖体沿mRNA 滑动识别翻译起始位点的机制

经典的理论认为,真核细胞的核糖体不直接与mRNA 的翻译起始密码子结合,而是先与mRNA 的5′-末端帽子结构相结合,然后通过一种相对复杂的核糖体滑动机制到达翻译起始密码子,通过60S 核糖体亚基的整合形成80S 核糖体,起始蛋白质的翻译。这是一个mRNA 、tRNA 和核糖体相互识别和结合的反应,其中有大量的真核翻译起始因子的参与(图1)。这一过程可分为主要的三步:a )起始tRNA (Met -tRNA i )和一些真核翻译起始因子与40S 核糖体亚基一起结合到mRNA 上形成43S 起始复合物;b )形成的43S 复合物通过在mRNA 上的滑动到达并停留在正确的翻译起始密码子上,形成48S 复合物,其中对翻译起始密码子的正确识别是通过AUG 密码子与Met -tRNA i 的反密码子的准确配对完成的;c )60S 核糖体亚基结合到翻译起始的AUG 密码子上形成具有翻译起始活性的80S 核糖体复合物,引导真核蛋白的正确翻译起始[8]

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图1　大量真核翻译起始因子参与的反应过程

312　核糖体从mRNA 内部识别翻译起始位点的机制

在对真核翻译起始的深入研究中,发现真核细胞的核糖体可以通过mRNA 上特殊的序列结构(IRES )与mRNA 识别,并从IRES 位点直接进入mRNA 的内部,并引导蛋白的翻译起始。通过一些特殊的反式因子的作用,IRES 将40S 核糖体亚基直接引导至mRNA 的内部起始密码子上,这一过程不受mRNA 的5’-末端的帽子结构的调控,如图2所示。在最近的实验分析中还发现,从CrPV 的IRES 进入mRNA 时也可不需要任何的起始tRNA 或起始因子,这说明可能存在另外的由iRES 介导的起始机制[9,10]。

IRES 的发现源于对病毒基因表达的研究。与真核细胞内的mRNA 不同,自然界中的小核糖核酸病毒不含有5′-端帽子结构,它们的5′-非翻译区具有一些复杂的特征:a )一个长的先导序列;b )稳定的二级结构;c )潜在的上游起始密码子。所有的这些特征都可能削弱核糖体与mRNA 的结合及其沿mRNA 的线性滑动。1988年,最先报道了对脊髓灰质炎病毒(poliovirus )和脑心肌炎病毒(E MC V )的5′-非翻译区

313第4期周　培等:真核细胞蛋白质翻译起始研究进展