王曉鳳，辛秀娟

(華東理工大學(xué)生物反應(yīng)器工程國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，上海 200237)

基因表達(dá)與mRNA結(jié)構(gòu)的關(guān)系

王曉鳳，辛秀娟

(華東理工大學(xué)生物反應(yīng)器工程國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，上海 200237)

基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控和轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控在基因表達(dá)過(guò)程中起著重要作用。mRNA的結(jié)構(gòu)與基因表達(dá)調(diào)控的關(guān)系非常密切。目前對(duì)于mRNA結(jié)構(gòu)對(duì)表達(dá)的影響因素，主要集中于起始密碼子和S-D序列的結(jié)構(gòu)和間隔長(zhǎng)度、基因和基因間的間隔區(qū)序列和長(zhǎng)度，5’末端與3’末端非翻譯區(qū)、多聚(A)尾、內(nèi)含子序列對(duì)翻譯起始效率、發(fā)夾結(jié)構(gòu)對(duì)mRNA的穩(wěn)定性的影響和mRNA翻譯起始區(qū)等對(duì)基因表達(dá)影響。

mRNA;基因 ;轉(zhuǎn)錄后調(diào)控

隨著生物科學(xué)的發(fā)展，人們對(duì)基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的研究已經(jīng)比較深入，而轉(zhuǎn)錄后的調(diào)節(jié)，包括 mRNA的加工、成熟、降解、翻譯的起始等諸過(guò)程中也都存在復(fù)雜而精細(xì)的調(diào)節(jié)機(jī)制。近年來(lái)，mRNA結(jié)構(gòu)以及其穩(wěn)定性對(duì)翻譯效率的影響也日益成為研究的熱點(diǎn)，并發(fā)現(xiàn)mRNA穩(wěn)定性與基因的表達(dá)調(diào)控的確有著密切的聯(lián)系［1］。影響 mRNA穩(wěn)定性的因素有許多，主要包括起始密碼子和S－D序列的結(jié)構(gòu)和間隔長(zhǎng)度、基因和基因間的間隔區(qū)序列和長(zhǎng)度，5′端帽子結(jié)構(gòu)、3′端poly(A)尾、5′非翻譯區(qū)(5′untranslated region，5′UTR)、3′非翻譯區(qū)(3′untranslated region，3′UTR)、發(fā)夾結(jié)構(gòu)等。魏淑珍的研究也表明［2］，基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控是以mRNA為中心的，因此，mRNA的結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性對(duì)基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控的影響性最大。本文就mRNA的結(jié)構(gòu)對(duì)基因表達(dá)的影響做一初步的綜述。

1 起始密碼子和S-D序列

mRNA一級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)基因表達(dá)的影響已有較多研究，包括起始密碼子、SD序列、SD序列與起始密碼子的間隔長(zhǎng)度［3，4］。原核細(xì)胞蛋白質(zhì)合成起始時(shí)，起始因子首先(initial factor，IF)促進(jìn) 30S亞基與mRNA結(jié)合。其過(guò)程為，在 mRNA上起始密碼子AUG的上游約4～13個(gè)核苷酸前有一段富含嘌呤的序列，其順序一般為AGGAGG(shine-Dalarno)，通稱為S-D序列，它是核糖體與mRNA識(shí)別并與之結(jié)合的位點(diǎn)。在核糖體30S亞基上的16SrRNA，其3′端有一段富含嘧啶的區(qū)域。該區(qū)的UCCUCC序列與mRNA上的 SD序列正好互補(bǔ)［4］。mRNA與30S亞基依靠這種堿基互補(bǔ)配對(duì)關(guān)系相互識(shí)別并結(jié)合在一起，使核糖體30S亞基上的肽基轉(zhuǎn)移部位(P位)正好對(duì)準(zhǔn)起始密碼子 AUG，使甲酰甲硫氨酰－tRNA進(jìn)入P位，啟動(dòng)蛋白質(zhì)的翻譯。不同基因的SD序列不完全相同，并影響著單位時(shí)間內(nèi)起始復(fù)合物形成的數(shù)目，最終影響了翻譯產(chǎn)物的數(shù)量?，F(xiàn)在的研究認(rèn)為外源基因的起始密碼子與SD序列之間的合適距離為4～10個(gè)核苷酸。在所報(bào)道的研究中一般采用大腸桿菌的常用密碼子，利用密碼子簡(jiǎn)并性，通過(guò)調(diào)整 A、T含量，以及 G、C含量，改變 SD序列與起始密碼子間的距離，從而使外源基因的表達(dá)達(dá)到最佳水平［5，6］。

2 基因的間隔區(qū)

原核生物的mRNA大部分為多順?lè)醋?，即多基因，但是各基因之間常有一段不編碼的間隔區(qū)。不同基因的間隔區(qū)長(zhǎng)度變化很大，從1到100個(gè)堿基不等，甚至前一個(gè)基因的終止密碼子與后一個(gè)基因的起始密碼子區(qū)域有部分重疊。如果基因間的間隔序列較長(zhǎng)，核糖體翻譯完前一個(gè)基因的mRNA后在終止密碼處發(fā)生解離并脫離，由于后一個(gè)基因的翻譯起始是獨(dú)立的，因而需要同樣的起始過(guò)程。如果基因的間隔序列長(zhǎng)度只相當(dāng)于正常S-D序列的長(zhǎng)度并具有S-D序列的特征，則核糖體大小亞基分離后，小亞基并不離開(kāi)mRNA，大亞基暫時(shí)離開(kāi)后很快結(jié)合上來(lái)，起始翻譯后一個(gè)基因。如果前一個(gè)基因的終止密碼子與后一個(gè)基因的起始密碼子部分重疊，則核糖體的大小亞基都不離開(kāi)mRNA而是繼續(xù)翻譯下一個(gè)基因。由此可知，基因間間隔序列的長(zhǎng)度及是否有S-D序列都影響翻譯的起始效率，因而在原核生物的多基因mRNA中，即使是處于同一種操縱子的控制下，各基因產(chǎn)物的數(shù)量也并不一定都相等，特別是對(duì)于間隔序列較長(zhǎng)的基因更是如此。例如:乳糖操縱子中各基因產(chǎn)物的數(shù)量就不相等，半乳糖苷酶:半乳糖苷透性酶:半乳糖苷乙酰酶大約為1∶0.5∶0.2。雖然造成這種結(jié)果的原因可能還有其他，但已經(jīng)確定，各基因間的間隔序列在控制翻譯起始上起到了關(guān)鍵作用［4］。

3 3′末端非翻譯區(qū)

對(duì)于真核生物而言，mRNA3′末端的非翻譯區(qū)(3′UTR)與mRNA的翻譯效率和降解有很大的關(guān)系。Misquitta CM.等的研究結(jié)果表明［7］，mRNA 3′UTR存在著降解信號(hào)，此區(qū)對(duì)mRNA的半衰期也有很大的影響。轉(zhuǎn)染實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明［8］，3′UTR作為一個(gè)影響mRNA不穩(wěn)定性的決定因素發(fā)揮著重要作用，3′UTR中含有促進(jìn) mRNA降解的順序。在外源基因的3′末端上連上某些植物基因的3′末端序列，就可以增強(qiáng)外源基因在轉(zhuǎn)化植物中的表達(dá)［2］。研究發(fā)現(xiàn)，若 mRNA上富含 AU的元件(AU.rich elements，ARE)則會(huì)加速mRNA的降解。ARE是嚴(yán)謹(jǐn)調(diào)控型基因(如半壽期短于30 min的原癌基因cfos和 c-mys)所含的典型結(jié)構(gòu)。Caput等［9］的研究發(fā)現(xiàn)，mRNA 3′UTR含有 ARE和/或寡(U)區(qū)時(shí)，mRNA的不穩(wěn)定性趨勢(shì)增強(qiáng)。若將一個(gè)單核-巨噬細(xì)胞集落刺激因子(granulocyte-macrophage colonystimulating factor，CSF)基因 mRNA 3′UTR 所含有的ARE插入到 β珠蛋白基因mRNA的3′UTR，則β珠蛋白mRNA會(huì)迅速降解，其 mRNA穩(wěn)定性大大降低，而缺少 ARE的 β珠蛋白基因的 mRNA則較穩(wěn)定。

ARE含有兩個(gè)結(jié)構(gòu)域:Ⅰ和Ⅱ［10］。結(jié)構(gòu)域 I富含AU，并且包括幾個(gè) AUUUA寡聚五核苷酸，而結(jié)構(gòu)域Ⅱ則為富含 U的區(qū)域。如果將結(jié)構(gòu)域 I中的AUUUA變成了 AUUAA或 AUAUA，則 mRNA結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性會(huì)大大增加。如將結(jié)構(gòu)域Ⅱ中富含U的區(qū)域去除，也能增加 mRNA穩(wěn)定性。因此認(rèn)為，ARE中的AUUUA寡聚五核苷酸序列和富含U區(qū)域可促進(jìn)mRNA降解，使 mRNA穩(wěn)定性降低［11］，由于ARE可能會(huì)抑制多聚(A)序列和多聚(A)結(jié)合蛋白的結(jié)合，這樣mRNA3＇末端便易被核酸酶識(shí)別并降解;而且ARE本身可能也會(huì)激活mRNA上的另一段序列，使之成為特異核酸酶攻擊的位點(diǎn)而被降解。與此相反，有些基因中的3′UTR中則可能含有使mRNA穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。例如轉(zhuǎn)鐵蛋白受體(TfR，transferrin rece-ptor)mRNA3′UTR內(nèi)的離子反應(yīng)元件(IRE，iron-responsive element)。研究表明，IRE與轉(zhuǎn)鐵蛋白受體(transferrin receptor，TfR)基因和鐵蛋白(ferritin)基因mRNA的穩(wěn)定性有密切的聯(lián)系?TfR主要的職責(zé)是使鐵離子從細(xì)胞外轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)，由于鐵蛋白是一個(gè)主要的細(xì)胞內(nèi)鐵存儲(chǔ)蛋白，因此細(xì)胞內(nèi)鐵的平衡受TfR與鐵蛋白之間的平衡影響。IRE是一個(gè)由23～27個(gè)堿基對(duì)組成的莖和6個(gè)核苷酸組成的環(huán)所組成的，它通過(guò)結(jié)合鐵調(diào)節(jié)蛋白(iron-regulatory protein，IRP)調(diào)控 mRNA的穩(wěn)定性［11］，且 mRNA結(jié)構(gòu)中不同位置上的 IRE對(duì)其穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響也不盡相同的?TfR基因mRNA的3′UTR含有5個(gè) IRE，其中有3個(gè)負(fù)責(zé)調(diào)控 mRNA的半衰期。IRE可與 IRE結(jié)合蛋白結(jié)合，阻止mRNA降解，從而合成更多的轉(zhuǎn)鐵蛋白受體。

4 5′末端帽子及其非翻譯區(qū)

真核生物的mRNA還具有一個(gè)特殊的結(jié)構(gòu)，即5′帽子結(jié)構(gòu)，它是由甲基化鳥(niǎo)苷酸經(jīng)焦磷酸化與mRNA 的 5′末端核苷酸相連，形成 5′，5′-三磷酸連接，也就是在其5′端通過(guò)5′-5′三磷酸二酯鍵連上N-7甲基鳥(niǎo)苷酸。不同真核生物的mRNA具有不同的帽子結(jié)構(gòu)，同一種生物的 mRNA常具有不同的帽子。

研究表明，5′帽子是真核核糖體識(shí)別 mRNA的結(jié)構(gòu)信號(hào)。真核mRNA缺乏S-D序列，故40S亞基不是直接與起始密碼子AUG結(jié)合，而是通過(guò)識(shí)別5′帽子結(jié)構(gòu)并結(jié)合在帽子下游50～100個(gè)核苷酸處。根據(jù) Kozak等［12］的研究，大多數(shù)起始密碼子 AUG合適的‘上下文’為 CCACCAUGG。在帽子結(jié)構(gòu)上形成的起始復(fù)合物可以從5’→ 3’方向移動(dòng)(起始復(fù)合物是指由大約20～40個(gè)Dna A蛋白各帶一個(gè)ATP，與DNA結(jié)合所形成的復(fù)合物)，在移動(dòng)過(guò)程中如發(fā)現(xiàn)處于這樣的“上下文”后，就不再移動(dòng)，而是與60S亞基結(jié)合，形成80S核糖體后開(kāi)始翻譯。如果這個(gè)AUG的“上下文”不太合適，40S亞基就繼續(xù)向前移動(dòng)，一直到發(fā)現(xiàn)處于合適的“上下文”結(jié)構(gòu)的起始密碼子AUG為止，并結(jié)合形成可以起始翻譯的80S復(fù)合物［12］。魏淑珍［4］在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，沒(méi)有甲基化的帽子，或用化學(xué)法或酶學(xué)的方法除去帽子的mRNA，其翻譯活性顯著下降。帽子結(jié)構(gòu)的類似物(如 m7GMP和 m7GDP等)則會(huì)強(qiáng)烈抑制帶帽mRNA的翻譯。帽子結(jié)構(gòu)不但影響蛋白質(zhì)合成的起始效率，而且也保護(hù)mRNA免受5′核糖外切酶的攻擊，使其不易降解，從而提高 mRNA的穩(wěn)定性。另外，mRNA的更新效率也是基因轉(zhuǎn)錄后調(diào)控的一種方式，因?yàn)榛虮磉_(dá)形式的快速變換，要求不同的mRNA具有不同的更新速率，以保證生命活動(dòng)之需，并減少浪費(fèi)。

從真核生物mRNA5′末端的帽子到起始密碼子AUG之間的序列稱為 5′非翻譯區(qū)，即 5′UTR。mRNA 5′UTR是否會(huì)直接影響 mRNA穩(wěn)定性至今仍不太清楚，但是5′UTR可以影響 mRNA半衰期，由此間接調(diào)控mRNA穩(wěn)定性。因此，理論上可以通過(guò)改變mRNA的5′UTR序列，進(jìn)而影響mRNA半衰期，并改變 mRNA翻譯效率;另外，Anthonisen IL等［13］研究發(fā)現(xiàn)，在5′UTR中引入一個(gè)抑制翻譯的莖－環(huán)結(jié)構(gòu)，這樣可以改變 mRNA半衰期。而且mRNA 5′UTR的長(zhǎng)度可以通過(guò)一種翻譯非依賴性的方式來(lái)影響mRNA的半衰期。此外，mRNA 5′UTR也可能通過(guò)與某個(gè)結(jié)合蛋白相互作用來(lái)影響mRNA半衰期，進(jìn)而調(diào)控mRNA穩(wěn)定性［13］。在不同的生物和不同的基因中，5′UTR的長(zhǎng)度和堿基順序變化很大，甚至同一基因通過(guò)不同的轉(zhuǎn)錄起始也有不同長(zhǎng)度的5′UTR，它和5′帽子均參與翻譯起始并影響起始效率。

5 多聚(A)尾及內(nèi)含子

大多數(shù)真核生物的 mRNA轉(zhuǎn)錄后，先在3′末端切斷并加上多聚(A)尾巴，然后再剪接為成熟的mRNA囗 由于mRNA的降解是從3′端開(kāi)始的，主要由外切酶完成，按3′→5′方向進(jìn)行mRNA的降解，并首先降解脫氧腺苷酸［14］。因此 poly(A)尾可以保護(hù)mRNA不被迅速降解，即較長(zhǎng)的多聚(A)尾巴具有穩(wěn)定 mRNA的作用。體外實(shí)驗(yàn)研究表明，當(dāng)mRNA 3′末端poly(A)尾與 poly(A)結(jié)合蛋白(poly(A)binding protein，PABP)結(jié)合形成 poly(A)-PABP保護(hù)復(fù)合體后，則可以提高mRNA的穩(wěn)定性。而當(dāng)共培養(yǎng)聚腺苷酸化的mRNA與去除了PABP的mRNA3′末端poly(A)尾的提取物時(shí)，mRNA則會(huì)迅速降解，如向提取物中重新加入 PABP后，mRNA穩(wěn)定性又顯著提高囗若將mRNA 3′末端的poly(A)尾去掉，不管有無(wú) PABP，mRNA的穩(wěn)定性都非常的低［15］。

真核生物mRNA3′末端可能有多個(gè)加多聚(A)的位點(diǎn)，通過(guò)不同的加尾位點(diǎn)使一個(gè)基因的產(chǎn)物可以形成具有不同 3′末端的 mRNA前體。不同的mRNA前體在加工過(guò)程中，通過(guò)不同的拼接方式，形成多條肽鏈的模板，從而提高了基因表達(dá)的選擇性與多樣性。如大鼠降鈣素基因，它有一個(gè)轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)和5個(gè)外顯子及兩個(gè)加尾位點(diǎn)，利用第一個(gè)加尾位點(diǎn)形成降鈣素mRNA;利用第二個(gè)加尾位點(diǎn)則加工成與降鈣素基因有關(guān)的肽— CGRP的mRNA［16］。

另外，在真核生物的基因中，由于內(nèi)含子的存在，使遺傳信息出現(xiàn)了斷裂現(xiàn)象，因而含有內(nèi)含子的基因叫做斷裂基因。由斷裂基因轉(zhuǎn)錄的mRNA前體通過(guò)拼接除去內(nèi)含子。在切除內(nèi)含子時(shí)，如果一個(gè)基因只有一種拼接方式，則一個(gè)基因只能形成一種成熟的mRNA并翻譯成一種肽鏈。這種說(shuō)法就是傳統(tǒng)的一個(gè)基因一條多肽鏈的概念。但事實(shí)并非完全如此，由同一個(gè)基因轉(zhuǎn)錄得到的初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物可能進(jìn)行交替剪接，即在初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物上切除的內(nèi)含子部分不同，得到編碼不同蛋白質(zhì)的多種成熟mRNA。在病毒及人類等數(shù)以百計(jì)的基因中，交替剪接已得到證實(shí)。這種剪接方式具有組織特異性和發(fā)育階段特異性，從而構(gòu)成了有效的轉(zhuǎn)錄后基因功能的調(diào)節(jié)機(jī)制［2］。

6 發(fā)夾結(jié)構(gòu)對(duì)mRNA穩(wěn)定性的影響

除mRNA的序列組成對(duì)翻譯起始的影響外，mRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)翻譯起始也有影響［17］。對(duì)于細(xì)菌基因的表達(dá)，雖然轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白對(duì)其基因表達(dá)起著至關(guān)重要的作用，大量的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控機(jī)制發(fā)現(xiàn)，mRNA二級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)基因表達(dá)的影響越來(lái)越顯著。在細(xì)菌中，mRNA能折疊成各種不同的結(jié)構(gòu)以響應(yīng)各種不同的信號(hào)，比如其細(xì)胞內(nèi)部環(huán)境變化的各種信號(hào)，以及各種配基的結(jié)合等。mRNA二級(jí)結(jié)構(gòu)的改變可能對(duì)其基因轉(zhuǎn)錄、翻譯有作用，且對(duì) mRNA的穩(wěn)定性也有不同的影響［18］。在mRNA表達(dá)水平上，基于其結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)能夠有效地轉(zhuǎn)換各種順?lè)凑{(diào)控信號(hào)。隨著定量和高通量技術(shù)的進(jìn)步，因此在不同條件下的基因表達(dá)狀況的數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)量化，這些數(shù)據(jù)可以用來(lái)構(gòu)建和調(diào)試各種轉(zhuǎn)錄調(diào)控模式的基因表達(dá)［19］。RNA是單鏈線形分子，只有局部區(qū)域?yàn)殡p鏈結(jié)構(gòu)。RNA單鏈分子通過(guò)自身回折使得互補(bǔ)的堿基對(duì)相遇，形成氫鍵結(jié)合的雙鏈結(jié)構(gòu)，稱為發(fā)夾結(jié)構(gòu)。發(fā)夾作為所有RNA分子的共同組分，是組成 RNA的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。在 rRNA、催化RNA和非編碼區(qū)mRNA中廣泛存在著某些能夠形成穩(wěn)定發(fā)夾的序列囗發(fā)夾結(jié)構(gòu)在編碼區(qū)mRNA中的分布至今仍不太清楚。潘珉等［20］對(duì)編碼區(qū)的mRNA二級(jí)結(jié)構(gòu)做了一些初步的工作，他們發(fā)現(xiàn)在88個(gè)人類mRNA樣本中不存在C(UUCG)G發(fā)夾。C(UUCG)G發(fā)夾結(jié)構(gòu)極其穩(wěn)定，體外RNA分子的實(shí)驗(yàn)測(cè)定中，它是穩(wěn)定核酸結(jié)構(gòu)的理想工具。位點(diǎn)專一性突變實(shí)驗(yàn)表明［21］，以起始密碼子 ATG為中心的發(fā)夾狀結(jié)構(gòu)在低表達(dá)量上起主要作用。當(dāng)導(dǎo)入錯(cuò)配而使發(fā)夾結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降時(shí)，能較大提高其表達(dá)量。Gross等［22］認(rèn)為，在 mRNA起始區(qū)域沒(méi)有發(fā)夾結(jié)構(gòu)或即使有類似的結(jié)構(gòu)，只要SD序列和起始密碼子不被包裹在這一結(jié)構(gòu)內(nèi)部時(shí)，對(duì)翻譯的起始則不會(huì)有不利的影響。殷爾康［23］通過(guò)反向 PCR對(duì)翻譯起始區(qū)域(TIR)進(jìn)行了定點(diǎn)突變，他將SD序列與起始密碼子的距離從15個(gè)堿基優(yōu)化為8個(gè)堿基，同時(shí)將TIR區(qū)域的自由能從－6.56 cal/mol變?yōu)椋?.96 cal/mol，在這些變化中SD序列和AUG均被包括在一個(gè)很大的環(huán)狀結(jié)構(gòu)中。研究結(jié)果表明，利用該方法對(duì)mRNA結(jié)構(gòu)的優(yōu)化明顯地增加了基因的表達(dá)量。而 mRNA二級(jí)結(jié)構(gòu)較多的5′UTR則有礙于核糖體的結(jié)合且不利于翻譯起始。

研究還發(fā)現(xiàn)，在 mRNA3′末端的發(fā)夾結(jié)構(gòu)能夠保護(hù) mRNA 免遭核酸外切酶的降解［24－26］，而在其5′末端的發(fā)夾結(jié)構(gòu)則能保護(hù) mRNA 不被滅活［27，28］。目前已有商業(yè)化的mRNA3′末端的發(fā)夾結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品用來(lái)保護(hù) mRNA，使其免遭核酸外切酶的降解［29］，但卻很少有人嘗試去設(shè)計(jì)針對(duì)mRNA5′末端的發(fā)夾結(jié)構(gòu)以及核酸外切酶的識(shí)別位點(diǎn)的相關(guān)產(chǎn)品［30－33］。

7 mRNA翻譯起始區(qū)(translation intiation region，TIR)

mRNA翻譯起始區(qū)(translation intiation region，TIR)一般指起始密碼子ATG上游－35到下游+35的序列，它包括了起始密碼子和核糖體結(jié)合位點(diǎn)，含有多個(gè)與翻譯起始有關(guān)的順式元件［34］。大量研究資料表明，在TIR范圍內(nèi)通過(guò)部分堿基配對(duì)而形成特定的二級(jí)結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)翻譯造成不利的影響。此區(qū)域內(nèi)過(guò)高的GC含量，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物mRNA穩(wěn)定二級(jí)結(jié)構(gòu)的形成，阻礙核糖體的滑動(dòng)，影響翻譯的效率［23］。當(dāng)AUG和S-D序列位于二級(jí)結(jié)構(gòu)的非堿基配對(duì)的區(qū)域，如莖環(huán)(stem-loop)結(jié)構(gòu)的單鏈環(huán)中時(shí)，則有利于核糖體和起始tRNA的識(shí)別和結(jié)合，從而促進(jìn)翻譯。研究發(fā)現(xiàn)［35］，噬菌體左臂染色體編碼多個(gè)基因，這些蛋白的基因都屬于同一轉(zhuǎn)錄單位，是一個(gè)多順?lè)醋?。在PL啟動(dòng)子的作用下，能完整地轉(zhuǎn)錄出左臂上的各個(gè)基因，因而編碼每種蛋白質(zhì)的mRNA量是相等的。但是對(duì)其中已知蛋白合成量的11個(gè)基因進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)它們的蛋白合成量的差異可高達(dá)近1000倍。通過(guò)對(duì)每個(gè)基因mRNA的TIR二級(jí)結(jié)構(gòu)的分析，凡是蛋白合成產(chǎn)率高的，其二級(jí)結(jié)構(gòu)都能確保它們的AUG處于單鏈環(huán)區(qū);相反，蛋白合成產(chǎn)率低的，它們的AUG都處于堿基配對(duì)的區(qū)域。

8 總結(jié)與展望

諸多研究表明，mRNA結(jié)構(gòu)與其穩(wěn)定性的關(guān)系非常密切，而mRNA穩(wěn)定性又直接或間接調(diào)控著基因的表達(dá)。在mRNA穩(wěn)定性和基因表達(dá)調(diào)控方面，無(wú)義介導(dǎo)的mRNA降解(nonsense-mediated mRNA decay，NMD)也發(fā)揮著至關(guān)重要的功能［36］。

對(duì)細(xì)胞內(nèi)mRNA的結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性對(duì)基因表達(dá)的研究，將能促進(jìn)人們更深入地掌握基因表達(dá)調(diào)控的機(jī)理。同時(shí)將對(duì)mRNA結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性的研究成果應(yīng)用于轉(zhuǎn)基因工作中，提高轉(zhuǎn)基因的穩(wěn)定性，從而能促進(jìn)轉(zhuǎn)基因產(chǎn)物的表達(dá)和生產(chǎn)。此外，mRNA結(jié)構(gòu)及mRNA穩(wěn)定性與腫瘤的發(fā)生和發(fā)展也有很大的聯(lián)系，人們可以通過(guò)去除癌基因mRNA結(jié)構(gòu)中的穩(wěn)定信號(hào)，增加不穩(wěn)定信號(hào)，使其穩(wěn)定性降低，使癌基因mRNA迅速降解，從而達(dá)到抑制腫瘤生長(zhǎng)或阻斷腫瘤生成的目的。相信通過(guò)對(duì)影響細(xì)胞翻譯及調(diào)控因素的深入研究，必將加深對(duì)基因工程和蛋白質(zhì)工程的了解，從而為細(xì)胞的轉(zhuǎn)基因技術(shù)和相關(guān)的蛋白質(zhì)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供有力的試驗(yàn)依據(jù)。

［1］Maret D，Houot L，Teillet L，et al.Post-transcriptional control of gene expression［J］.J thromb Haemost，2004，2:13－19.

［2］魏淑珍.mRNA結(jié)構(gòu)與基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控［J］.衡水師專學(xué)報(bào)，2000，12，2(4):71－73.

［3］Ringquist S，Shineding S，Rarrick D.Translation initiation in Escherichia coli sequences within the ribosome-binding site［J］.Mol Microbiol，1992，6:1219－1229.

［4］Vellanoweth RL，Rabinowitz JC.The influence of the ribosomebinding site elements on translationefficiency in Bacillus subtilis and Escherichia coli in vivo［J］.Mol Microbiol，1992，6:1105－1114.

［5］Schander B，Mccarthy JE.The role of bases upstream of the shine-Dalgarno region and in the coding sequence in the control of gene expression in Escherichia coli:translation and stability of mRNA in vivo［J］.Gene，1989，78(1):59－72.

［6］Chen H，Bjerknes M，Kvmar，et al.Determination of the optimal aligned spacing between the Shine-Dalgarno sequence and the translation initiation condon of Escherichia coli mRNAS［J］.Nucleic Acids Res，1994，22:4953－4957.

［7］Misquitta CM，Ghosh P，Mwanjewe J，et al.Control of SERCA2a Ca2+pump mRNA stability by nuclear proteins:role of domains in the 3＇－untranslated region［J］.Cell Calcium，2005，37:17－24.

［8］Naveh MT，Nechama M.Regulation of parathyroid hormone mRNA stability by calcium and phosphate［J］.Curr Opin Nephrol Hypertens，2007，16(4):305－310.

［9］Caput D，Beutler B，Hartog K，et al.Identification of a common nucleotide sequence in the 3′-untranslated region of mRNA molecules specifying inflammatory mediators［J］.Proc Natl Acad Sci USA，1986，83:1670－1674.

［10］熊高飛，熊向陽(yáng)，張吉祥.mRNA結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性的關(guān)系［J］.細(xì)胞生物學(xué)雜志，2006，28:513－517.

［11］Alberta JA，Rundell K，Stiles CD.Identification of an activity that interacts with the 3′-untranslated region of c-myc mRNA and the role of itstarget sequence in mediating rapid m RNA degradation［J］.J Biol Chem，1994，269:4532－4538.

［12］于長(zhǎng)春，王慶華，王海仁.真核生物蛋白質(zhì)合成起始的研究進(jìn)展［J］.生命的化學(xué)，1995，15(3):7－10.

［13］Anthonisen IL，SalvadorML，Klein U. Specificsequence elements in the 5′untranslated regions of rbcL and atpB gene mRNAs stabilize transcripts in the chloroplast of Chlamydomonas reinhardtⅡ［J］.RNA，2001，7(7):1024－1033.

［14］Schwartz DC，Parker R.mRNA decapping in yeast requires dissociation of the cap binding protein，eukaryotic translation initiation factor 4E［J］.Mol Cell Biol，2000，20(21):7933－7942.

［15］SealR， TemperleyR，Wilusz J， et al.Serum-deprivation stimulates cap-binding by PARN at the expense of eIF4E，consistent with the observed decrease in mRNA stability［J］.Nucleic Acids Res，2005，33:376－387.

［16］黃青陽(yáng).基因概念的現(xiàn)代發(fā)展［J］.生物學(xué)雜志，1995，(1):17－19.

［17］宋照雷，潘秋輝，汪炬，等.使用一種新策略在大腸桿菌中高效表達(dá) hbFGF［J］.遺傳學(xué)報(bào)，2002，29(1):84－59.

［18］Geissmann T，Marzi S，Romby P.The role of mRNA structure in translational control in bacteria［J］.RNA Biol，2009，6，6(2):153－160.

［19］Harold DK，Tal Shay，Erin K，et al.Transcriptional regulatory circuits:predicting numbers from alphabets［J］.Science，2009，325(5939):429－432.

［20］潘珉，王傳銘.穩(wěn)定的RNA發(fā)夾結(jié)構(gòu)及其生物學(xué)功能［J］.生物信息學(xué)，2003，12，1(2):35－40.

［21］Janssen GR， Ward JM， Bibb MJ. Construction and characterisation of a series of multi-copy promoter-probe plasmid vectors for Streptomyces using the aminoglycoside phosphotransferase gene from Tn5 as indicator［J］.Mol Gen Genet，1986，203(3):468－478.

［22］Gross G，Mielke C，Hollatz l，et al.RNA primary sequence or secondary structure in the translational initiation region controlsexpression of two variant interferon-beta genes in Escherichia coli［J］.J Biol Chem，1990，265(29):17627－17636.

［23］殷爾康.疏棉狀嗜熱絲孢菌木聚糖酶A在大腸桿菌中的高效表達(dá)［D］.南京師范大學(xué)，2007:1－54.

［24］AlifanoP.BruniCB，CarlomagnoMS.ControlofmRNA processing and decay in prokaryotes［J］.Genetica，1994，(94):157－172.

［25］Duetscher M，Zhang J.Ribonucleases，diversity and regulation［M］.In:McCarthy J，Tuite M.Post-transcriptional control of gene expression，Berlin:Springer-Verlag，1990:1－11.

［26］Mejia J，Burnett M，An H，et al.Coordination of expression of Zymomona mobilis glycolytic and fermentation enzymes:a simple hypothesis based on mRNA Stability［J］.J Bacteriol，1992，(174):6438－6443.

［27］Ehrettsmann C，Carpousis A，Krisch H.mRNA degradation in prokaryotes［J］.FASEB J，1992，(6):3186－3192.

［28］Emory S，Bouvet P，Belasco J.A5′terminal stem-loop structure can stabilize mRNA in E.coli［J］.Genes，1992，12，(6):135－148.

［29］Smolke CD，Carrier TA，Keasling JD.Coordinated，differential expression of two genes through directed mRNA cleavage and stabilization by secondary structures［J］.AEM，2000，12，(66):5399－5405.

［30］Arnold TE，Yu J，Belasco J.mRNA stabilization by the OmpA 5′untranslated region two protective elements hinder distinct pathways for mRNA degradation［J］.RNA，1998，(4):319－330.

［31］Carrier TA，Keasling JD.Engineering mRNA stability in E.coli by the addition of synthetic haippins using a 5′cassette system［J］.BB，1997，(55):577－580.

［32］Carrier TA，Keasling JD.Controlling messenger RNA Stability in bacteria:Strategies for engineering gene expression［J］.Biotechnol Prog，1997，(13):699－708.

［33］Emory S，Bouvet P，Belasco J.The ompA 5′untranslated RNA segment functions in E.coli as a growth-rate-regulated mRNA stabilizer whose activity is unrelated to translational efficiency［J］.J Bacteriol，1990，(172):4472－4481.

［34］Ganoza MC，Kofoid EC，Marliere P，et al.Potential secondary structure at translation initiation sites［J］.Nucleic Acids Res，1987，15(1):345－346.

［35］杜興蘭.海棲熱袍菌基因aguA在常溫下形成的mRNA二級(jí)結(jié)構(gòu)與基因表達(dá)水平關(guān)系的初步研究［D］.江南大學(xué)，2004:1－43.

［36］Couttet P，Grange T.Remature termination codons enhance mRNA decapping in human cells［J］.Nucleic Acids Res，2004，32:488－494.

The Relationship of Gene Expression and mRNA Structure

WANG Xiao-feng，XIN Xiu-juan
(State Key Laboratory of Bioreactor Engineering，Institute of Biochemistry，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China)

The regulation of transcription is a principal regulating means of gene expression，however，the post transcriptional regulation plays an important role in the gene expression.The relation between the structure mRNA and post transcriptional regulation on gene expression includes S-D sequence，the spacer of gene，5′terminal cap structure，5′untranslated region，polly A tail，3＇nontranslated region and intron sequence that affects the initial efficiency of translation.The mRNA，hairpin structure and mRNA translation initiation region affects the stability of mRNA.

mRNA;Gene;Post transcriptional regulation

R593

A

1671-7856(2010)06-0069-06

2010-01-22

上海市自然科學(xué)基金 (Grant No.07ZR14031)。

王曉鳳，碩士生，研究方向:生物化學(xué)與分子生物學(xué)。

辛秀娟，副教授。E-mail:xjxin@ecust.edu.cn