蛋白质翻译机制的精准性概述

李建永

(潍坊科技学院/山东省高校设施园艺实验室 寿光 262700)

蛋白质种类繁多、结构复杂，参与生物体内众多的生化反应，是细胞和生物机体功能的重要执行者。一旦翻译过程出现问题就会生成错误的蛋白质，进而会造成灾难性的后果。

那么，哪些机制保障了蛋白质翻译过程的精准性呢？

1 模板序列的准确性

1.1 mRNA序列的正确性 mRNA是蛋白质翻译的模板，其携带信息的精确性是蛋白质准确翻译的基础。DNA转录生成的前体mRNA要经历一系列复杂的剪接、加工和修饰过程。例如，真核生物的前体mRNA要经历5′端加帽、3′端加尾、内含子切除等加工过程后才成为成熟的mRNA[1]。这也保证DNA存储的遗传信息准确无误地传递到翻译的模板——RNA。

1.2 校正基因的作用 当编码蛋白质的结构基因发生变异时，通常会合成错误的蛋白质。大量的研究结果表明，一种蛋白质的结构基因发生变异后，所产生的错误结果往往可以被第二次变异所校正，由此所产生的基因叫校正基因[2]。校正变异如果发生在结构基因内，称之为“基因内校正”；而校正变异发生在另外一个基因上，则称之为“基因间校正”。基因内校正是通过第二次变异来修正基因本身产生的错误；而基因间校正则是通过校正tRNA来实现对目标基因的校正的。

2 氨基酸与tRNA结合的专一性

氨酰tRNA合成酶(aaRS)保证了氨基酸与tRNA结合的专一性，体现在两个方面，即aaRS的识别和矫正功能。

2.1 氨酰tRNA合成酶的识别功能 在翻译过程中，tRNA负责与特定氨基酸结合，并将它们运送到核糖体，此过程由氨酰tRNA合成酶介导。在原核生物中有30～45种tRNA，真核生物有50余种，而氨基酸则只有20种，这也意味着同一个氨基酸可以有多个不同的tRNA与之对应，这些转运同一个氨基酸的tRNA称之为同工tRNA。那么，aaRS是如何识别同工tRNA的呢？这主要依赖于tRNA分子中的特殊部位——位于氨基酸受体臂中的碱基对，它决定着tRNA携带特异氨基酸的种类。若从tRNA分子中除去它，则tRNA分子不能被任何aaRS所识别。例如，大肠杆菌丙氨酸tRNA氨基酸臂上的G3： U70单碱基对是决定接受丙氨酸的密码子。因此，人们也将氨基酸与tRNA的配对称为“第二套遗传密码”[2]。它远比“第一套遗传密码”复杂，如果没有这套遗传密码，aaRS就不能将不同的tRNA分子区分开来。正是由于aaRS识别介导的tRNA和氨基酸正确配对的巧妙机制，才使得细胞能够将遗传密码精确翻译成为细胞所需的功能性蛋白。

2.2 氨酰tRNA合成酶的校正功能 aaRS不仅可以活化氨基酸，而且还可以水解错误链接的氨酰tRNA，从而防止“错误”的氨基酸进入多肽链，起到“校正”功能。与tRNA相比，氨基酸是一种小分子，可供aaRS识别的结构特征非常有限。例如，异亮氨酸(IIe)和缬氨酸(Val)之间仅有一个甲基基团的差异。在异亮氨酰tRNA合成酶(IIeRS)中有一个能识别IIe的小洞(催化中心)，其他的大分子氨基酸不能进入，而Val则刚好能进入这个口袋。由于Val和IIe对IIeRS的亲和力不同，此时IIeRS校正功能发挥作用，即IIeRS的校正活性中心会水解切除掉Val，留下tRNA分子，等待正确的异亮氨酸进入。

3 翻译起始阶段的严谨性

蛋白质翻译的起始主要涉及起始复合物的正确组装，以确保翻译开始前确定合适的起始密码子和正确的开放阅读框。起始复合物由核糖体、模板mRNA、起始tRNA以及多个起始因子组成。原核生物的核糖体小亚基16S rRNA 3′末端有一段富含嘧啶的序列，可以与位于mRNA起始密码子上游3～10核苷酸处的SD序列(Shine-Dalgarno sequence)互补，从而将核糖体小亚基准确定位在mRNA上，同时也使得起始密码子定位在核糖体的P位。16S rRNA上的碱基还可以直接与P位上的起始密码子相互联系，通过碱基修饰调节P位的构象，阻止非起始密码子引发的起始[3]。另外，定位好的小亚基还可以促进起始密码子与反密码子的正确配对[4]。在此过程中，起始因子IF1、 IF2、 IF3各自发挥自己的功能，进一步提高了起始复合物组装的精确性和效率[5,6]。不同于原核生物，真核生物的mRNA序列没有SD序列，通常情况下核糖体40S小亚基会通过“扫描模式”确定自己的位置，即小亚基首先与mRNA的5′端结合，然后沿着mRNA序列进行扫描，直到找到起始密码子为止[7]。而真核生物5′端甲基化的帽子能促进起始反应，因为核糖体上有专一位点能识别mRNA的帽子结构；帽子还在mRNA与小亚基结合过程中起稳定作用。此外，帽子的mRNA 5′端与18S rRNA的3′端序列之间还存在类似原核生物SD序列的碱基配对作用。真核生物的起始因子有12种之多[8]，这些起始因子与核糖体、mRNA和起始tRNA之间相互作用[9,10]，从而形成一个稳定而又平衡的动态起始复合物，使翻译起始进程在可调控的情况下进行。

4 翻译过程中的忠实性

4.1 密码子与反密码子的正确配对 携带氨基酸的tRNA依靠自身的反密码子与模板mRNA分子上的三联体密码以反向平行的方式进行准确碱基配对，从而保证氨基酸按mRNA信息的指导“对号入座”，生成具有特定氨基酸顺序的蛋白质多肽链[2]。由此可见，反密码子与密码子的相互识别是遗传信息“忠实传递”的又一重要保证。

4.2 核糖体对氨酰tRNA的选择性 核糖体像一台精密的天然氨基酸检测器，允许正确的氨酰-tRNA进入其A位。反之，错误的氨酰-tRNA因反密码子和密码子配对不能及时发生而从A位解离[11,12]。这是维持蛋白质生物合成的高度保真性的另一重要机制。

4.3 转肽后的“质量监控”机制 虽然核糖体对氨酰-tRNA的选择具有高度的忠实性，但也很难避免错误氨基酸的掺入，此时转肽后的“质量监控”机制便开始发挥作用[13]。研究发现，如果有错误的氨基酸掺入A位，当其移位到P位时，会影响核糖体对后续A位氨基酸的选择，造成A位错误掺入的几率进一步增加，这时释放因子(RF)会进入A位，从而使错误的肽链及时释放[13]。

5 翻译终止的及时性

肽链的延伸过程中，当终止密码子UAA、 UAG或UGA出现在核糖体的A位时，没有相应的氨酰-tRNA能与之结合，而RF能及时识别这些密码子并与之结合，诱导转肽酶改变为酯酶活性，使肽链从核糖体上释放，保证了蛋白质合成的完整性。