真核生物蛋白质生物合成的起始.doc

1、真 核 生 物 蛋 白 质 生 物 合 成 的 起 始自 八 十 年 代 以 来 ， 人 们 对 真 核 细 胞 蛋 白 质 生 物 合 成 及 其 起 始 因 子 的研 究 有 了 进 一 步 深 入 。 elF 的 作 用 或 真 核 细 胞 蛋 白 质 合 成 的 起 始 过 程 与原 核 细 胞 的 起 始 过 程 大 体 类 似 ， 不 同 之 处 主 要 有 以 下 几 点 ：(1)特 异 的 起 始 型 tRNA 为 Met-tRNAMet， 不 需 要 N 末 端 的 甲 酰 化。(2)Met-tRNAMet 和 GTP 与 eIF2形 成 一 个 可 分 离 的 复 合 物

2、， 不 依 赖于 小 亚 基 。 而 在 原 核 细 胞 IF1与 tRNAMet 结 合 在 30S 小 亚 基 上 。(3)tRNA Met 与 40S 小 亚 基 的 结 合 先 于 与 mRNA 的 结 合 。 相 反 ， 在原 核 细 胞 tRNAMet 与 30S 小 亚 基 的 结 合 后 于 mRNA 与 30S 小 亚 基 的 结 合。(4)ATP 水 解 为 ADP 提 供 能 量 ， 对 于 mRNA 的 结 合 是 必 需 的 。(5)在 真 核 细 胞 ， 不 仅 elF 的 种 类 多 ， 而 且 许 多 elF 本 身 是 多 亚基 的 蛋 白 质 。 最 明 显

3、 的 是 elF3(涉 及 mRNA 结 合 ， 类 似 于 原 核 细 胞 IF3的 作 用 )， 含 有 大 约 10个 亚 基 ， 分 子 量 达 106KD， 其 重 量 相 当 于 40S亚 基 重 量 的 1/3。(6)mRNA5端 帽 的 存 在 对 于 起 始 是 需 要 的 (除 外 某 些 病 毒 mRNA，一 些 病 毒 mRNA 的 5末 端 有 共 价 结 合 的 蛋 白 质 )。(7)真 核 细 胞 在 起 始 过 程 中 存 在 的 一 种 蛋 白 质 合 成 调 节 方 式 是 最 后 一个 关 键 差 别 。 elF， 每 个 循 环 周 期 经 历 一 次

4、GTP-GDP 交 换 ， 参 与 该 交换 过 程 的 另 一 蛋 白 质 称 为 elF2B(也 称 为 GEF， 即 GTP-GDP exchange factor)。 从 酶 催 化 上 讲 ， 过 程 类 似 于 原 核 细 胞 肽 链 延 长 中 的 EF-Tu/Ts 循 环 (见 第 二 节 )。 当 elF2将 Met-tRNAMet 定 位 于 核 糖 体 后 它 即 转变 为 无 活 性 形 式 的 elF2-GDP。 只 有 当 elF2与 elF2B 形 成 复 合 物 (elF2-elF2B)后 ， elF2中 的 GDP 才 能 被 取 代 。 在 elF2-elF

5、2B 复 合 物 中 。elF2与 GTP 有 很 高 的 亲 和 力 ， 因 此 能 再 进 入 活 性 状 态 并 再 与 Met-tRNAMet 结 合 。 在 这 个 循 环 过 程 中 ， elF2的 三 个 亚 基 之 一 elF2 对 磷酸 化 敏 感 。 磷 酸 化 的 elF2与 elF2B 形 成 的 复 合 物 甚 稳 定 ， 不 易 解 离 ，从 而 降 低 了 elF2的 可 利 用 性 。真 核 细 胞 蛋 白 质 生 物 合 成 的 起 始 步 骤 可 概 括 为 ：(1)形 成 43S 核 糖 体 复 合 物 ;由 40S 小 亚 基 与 elF3和 elF4c

6、 组 成 。(2)形 成 43S 前 起 始 复 合 物 :即 在 43S 核 糖 体 复 合 物 上 ， 连 接 elF2-GTP-Met-tRNAMet 复 合 物 。(3)形 成 43S 前 起 始 复 合 物 :由 mRNA 及 帽 结 合 蛋 白 1(CBP1)、 elF4A、 elF4B 和 elF4F 共 同 构 成 一 个 mRNA 复 合 物 。 mRNA 复 合 物 与 43S前 起 始 复 合 物 作 用 ， 形 成 48S 前 起 始 复 合 物 。(4)形 成 80S 起 始 复 合 物 :在 elF5的 作 用 下 ， 48S 前 起 始 复 合 物 中的 所 有

7、elF 释 放 出 ， 并 与 60S 大 亚 基 结 合 ， 最 终 形 成 80S 起 始 复 合 物， 即 40S 亚 基 -mRNA-Met-tRNAMet-60S 亚 基 。在 真 核 生 物 蛋 白 质 生 物 合 成 的 起 始 阶 段 ， 值 得 一 提 的 是 40S 核 糖体 亚 基 几 乎 总 是 选 择 第 一 个 起 始 密 码 子 AUG， 开 始 对 mRNA 翻 译 ， 这种 选 择 比 原 核 细 胞 对 起 始 密 码 子 的 选 择 方 式 更 简 单 些 。 首 先 ， AUG是 唯 一 的 起 始 密 码 子 ， 而 在 原 核 细 胞 (E.coli

8、)可 作 为 起 始 密 码 子 的 三联 体 除 AUG 外 ， 还 有 GUG， UUG， 甚 至 AUU 也 可 被 利 用 。 其 次 ， 定 位 在mRNA5末 端 的 AUG(通 常 距 5末 端 10-100个 核 苷 酸 )总 被 选 择 。 其 最 简单 的 模 式 是 :40S 亚 基 与 带 帽 的 mRNA5末 端 接 触 ， 并 沿 着 mRNA“扫 描“一 直 到 抵 达 第 一 个 AUG 处 再 开 始 翻 译 。 该 过 程 需 消 耗 ATP。 这 主 要是 由 于 Met-tRNAMet 的 反 密 码 子 与 起 始 密 码 子 AUG 互 补 的 结

9、果 。 因 此正 如 前 述 ， 真 核 细 胞 蛋 白 质 生 物 合 成 的 特 点 之 一 是 :tRNAMet 先 与 40S 亚 基 结 合 ， 然 后 再 与 mRNA 结 合 。 由 此 看 来 ， “扫 描 “过 程 其 实 是 以43S 前 起 始 复 合 物 的 形 式 进 行 的 。 在 真 核 细 胞 tRNAMet 中 ， 毗 邻 它 的反 密 码 子 3端 的 核 苷 酸 是 被 一 个 大 集 团 修 饰 的 A(t6A:N-9- -D-呋喃 核 糖 )嘌 呤 -6-氨 基 甲 酰 苏 氨 酸 )， t6A 能 通 过 加 强 成 摞 反 应 (Stacking

10、interaction)， 稳 定 反 密 码 子 3端 核 苷 酸 ， 不 允 许 在 密 码 子 与 反密 码 子 的 反 应 中 密 码 子 第 一 位 碱 基 摆 动 。 原 核 细 胞 tRNAMet 缺 乏 该修 饰 碱 基 ， 因 此 在 反 应 过 程 中 允 许 密 码 子 有 更 多 可 摆 动 性 。 这 个 结 构 的存 在 也 有 助 于 解 释 43S 前 起 始 复 合 物 对 起 始 密 码 子 AUG 的 选 择 的 简 单的 方 式 。 所 以 ， 在 真 核 mRNA 中 ， 附 加 的 上 游 信 号 是 必 要 的 ， 例 如 象 原核 mRNA 的

11、SD 顺 序 那 样 的 信 号 。 但 是 ， 通 过 深 入 研 究 40S 亚 基 对 起 始部 位 的 选 择 机 制 。 发 现 亦 有 某 些 例 外 情 况 ， 即 一 些 mRNA 的 翻 译 不 是从 起 始 AUG 开 始 ， 而 是 从 下 游 AUG 处 开 始 开 放 读 框 。 研 究 表 明 ， 事 实 A+1NNAUGG 顺 序 对 于 40S 亚 基 进 行 起 始 是 理 想 的 序 列 。 如 果 该 顺 序 -3位 的 A 或 G 和 G+1位 的 G 被 取 代 的 话 ， 该 起 始 密 码 子 可 能 就 被 漏 读 ， 或者 40S 亚 基 经

12、过 AUG 继 续 “扫 描 “下 去 。 肽 链 的 延 长 和 终 止与 真 核 细 胞 蛋 白 质 生 物 合 成 的 起 始 因 子 相 比 较 ， 在 延 长 和 终 止 步 骤中 所 涉 及 的 因 子 就 十 分 简 单 。真 核 细 胞 肽 链 延 长 和 终 止 过 程 所 涉 及 的 因 子因 子 功 能 相 应 的 原 核 细 胞 因 子EF1 促 使 aa-tRNA 与 核 糖 体 结 合 EF-TuEF1 使 EF1 再 循 环 EF-TsEF2 转 位 EF-GRF 肽 链 释 放 RF1RF2延 长 因 子 (EF) ， 分 子 量 约 50KD。 EF1 可 与

13、 GTP 和 aa-tRNA 形成 复 合 物 ， 并 把 aa-tRNA 供 给 核 糖 体 。 对 EF1 的 研 究 不 象 对 原 核细 胞 EF-Ts 那 么 清 楚 ， 但 已 证 明 EF1 能 催 化 GDP-GTP 交 换 ， 有 助于 EF1 再 循 环 利 用 ， EF2分 子 量 约 100KD， 相 当 于 原 核 细 胞 的 EF-G， 催 化 GTP 水 解 和 使 aa-tRNA 从 A 位 转 移 至 P 位 。 肽 链 合 成 的 终 止 仅涉 及 到 一 种 释 放 因 子 (RF)， 分 子 量 约 115KD。 它 可 以 识 别 所 有 的 三 种

14、终止 密 码 子 UAA， UAG 和 UGA。 RF 在 活 化 了 肽 链 酰 转 移 酶 释 放 新 生 的 肽 链后 ， 即 从 核 糖 体 解 离 ， 解 离 过 程 涉 及 GTP 水 解 ， 故 终 止 肽 链 合 成 是 耗能 的 。 真 核 生 物 蛋 白 质 生 物 合 成 的 特 异 抑 制 剂真 核 细 胞 蛋 白 质 生 物 合 成 的 特 异 抑 制 剂 的 作 用 环 节 。毫 不 惊 奇 ， 一 些 能 够 抑 制 原 核 细 胞 蛋 白 质 生 物 合 成 的 抑 制 剂 同 样 也 能 抑制 真 核 细 胞 的 蛋 白 质 生 物 合 成 。 如 aa-tR

15、NA 的 类 似 物 嘌 呤 霉 素 可 提 前终 止 肽 链 翻 译 。 又 如 梭 孢 酸 (fusidicacid)不 仅 可 阻 止 完 成 功 能 后 的 原核 细 胞 EF-G 从 核 糖 体 释 放 ， 也 能 阻 止 真 核 细 胞 EF2的 释 放 。 有 一 些抑 制 剂 对 真 核 细 胞 的 翻 译 过 程 是 特 异 的 ， 这 主 要 是 由 于 真 核 细 胞 翻 译 系统 装 置 的 特 殊 性 。 如 7-甲 基 鸟 苷 酸 (m7Gp)在 体 外 抑 制 真 核 细 胞 的 翻 译起 始 ， 就 是 因 为 m7Gp 与 帽 结 合 蛋 白 质 竞 争 性

16、地 与 mRNA5端 帽 结 合 。同 样 ， 其 它 多 数 真 核 细 胞 蛋 白 质 生 物 合 成 的 特 异 性 抑 制 剂 亦 可 与 不 同 的翻 译 装 置 (成 份 )结 合 。上 述 这 些 特 异 性 抑 制 剂 大 多 数 是 小 分 子 ， 有 的 是 多 肽 ， 如 蓖 麻 蛋 白 (ricin)。 蓖 麻 蛋 白 是 一 种 特 异 的 核 酸 酶 ， 能 够 通 过 使 60S 亚 基 水 解 失活 而 中 止 延 长 步 骤 。 由 白 喉 杆 菌 (Coryne bacterium diptheriae)所产 生 的 致 死 性 毒 素 是 研 究 得 较

17、为 清 楚 的 真 核 细 胞 蛋 白 质 合 成 抑 制 剂 。 白喉 毒 素 是 一 种 65KD 的 蛋 白 质 ， 它 不 是 由 细 菌 基 因 组 编 码 的 ， 而 是 由 一 种寄 生 于 白 喉 杆 菌 体 内 的 溶 源 性 噬 菌 体 (phage )编 码 的 。 该 毒 素 只是 经 白 喉 杆 菌 转 运 分 泌 出 来 ， 然 后 进 入 组 织 细 胞 内 。 一 旦 进 入 真 核 内 ，白 喉 毒 素 就 催 化 ADP-核 糖 与 EF2连 接 。 ADP-核 糖 由 NAD+提 供 ， 它 与EF2分 子 中 修 饰 的 组 氨 酸 残 基 结 合 。

18、在 体 外 ， 这 种 结 合 很 容 易 被 加 入 尼 克酰 胺 而 逆 转 。 一 旦 EF2被 ADP-核 糖 化 ， EF2就 完 全 失 活 。 由 于 白 喉 毒 素是 起 催 化 作 用 ， 因 此 只 需 微 量 (也 许 少 至 一 个 分 子 )就 能 有 效 地 抑 制 细胞 的 整 个 蛋 白 质 合 成 ， 而 导 致 细 胞 死 亡 。 EF2中 修 饰 的 组 氨 酸 残 基 亦称 为 白 喉 酰 胺 (diphthamide)。 假 如 在 EF2中 不 存 在 白 喉 酰 胺 ， 白 喉 毒素 就 不 会 杀 死 哺 乳 动 物 细 胞 。 蛋 白 质 合

19、成 后 的 分 泌不 论 原 核 核 还 是 真 核 生 物 ， 在 细 胞 浆 内 合 成 的 蛋 白 质 需 定 位 于 细 胞的 特 异 区 域 ， 或 者 分 泌 出 细 胞 。 将 蛋 白 质 分 泌 出 细 胞 ， 在 真 核 细 胞 比 原核 细 胞 更 困 难 ， 因 为 真 核 细 胞 胞 体 大 ， 而 且 还 有 大 量 的 膜 性 间 隔 。一 些 蛋 白 质 被 合 成 后 分 泌 到 细 胞 外 ， 这 些 蛋 白 质 统 称 分 泌 蛋 白 。 人们 发 现 ， 将 某 些 分 泌 蛋 白 质 mRNA 在 体 外 进 行 翻 译 时 ， 其 翻 译 产 物 的

20、分子 量 比 预 计 的 要 大 的 多 。 例 如 胰 岛 素 由 个 氨 酸 残 基 组 成 ， 但 胰 岛 素 mRNA 的 翻 译 产 物 在 兔 网 织 红 细 胞 无 细 胞 翻 译 体 系 中 为 个 氨 基 酸 残 基 ，称 为 胰 岛 素 原 （ proinsulin)。 在 麦 胚 无 细 胞 翻 译 系 统 中 为 个 氨基 酸 残 基 组 成 的 前 胰 岛 素 原 。 后 来 证 明 ， 在 前 胰 岛 素 原 的 M 末 端 有一 段 富 含 疏 水 氨 基 酸 的 肽 段 作 为 信 号 肽 （ signalpeptide)， 使 前 胰 岛素 原 已 成 为 胰

21、 岛 素 原 。 然 后 胰 岛 素 原 被 运 到 高 尔 基 复 合 体 ， 切 去 C肽 成 熟 的 胰 岛 素 ， 最 终 排 出 胞 外 。 后 来 发 现 ， 几 乎 各 种 分 泌 蛋 白 质 （ 如真 核 细 胞 的 前 清 蛋 白 ， 免 疫 球 蛋 白 轻 链 ， 催 乳 素 等 ， 原 核 细 胞 的 脂 蛋 白、 青 霉 素 酶 等 ） 均 含 有 信 号 肽 ， 约 由 个 疏 水 氨 基 酸 残 基 构 成。 近 年 来 ， 人 们 才 提 出 了 信 号 肽 假 说 去 解 释 分 泌 蛋 白 质 的 分 泌 。 其 机 理是 :当 新 生 肽 链 正 在 跨 越

22、 膜 时 ， 信 号 序 列 和 其 后 段 折 成 两 个 短 的 螺 旋 段 ，并 曲 成 一 个 反 向 平 行 的 螺 旋 发 夹 ， 该 发 夹 结 构 可 插 入 到 疏 水 的 脂 质 双 层中 。 一 旦 分 泌 蛋 白 质 的 N 端 锚 在 膜 内 ， 后 续 合 成 的 其 它 肽 链 段 部 分 将 顺利 通 过 膜 。 疏 水 性 信 号 肽 对 于 新 生 肽 链 跨 越 膜 及 把 它 固 定 在 膜 上 起 了 一个 拐 棍 作 用 。 信 号 肽 在 完 成 功 能 后 ， 随 即 被 一 种 特 异 的 信 号 肽 酶 水 解 。哺 乳 类 动 物 的 信

23、号 识 别 颗 粒 （ SRP)可 见 蛋 白 质 与 折 叠 的 RNA 的 二 个结 构 域 缔 合 ， Alu 表 示 SLRNA 的 序 列 (7SLRNA 的 序 列 与 脊 椎 动 物 基 因的 Alu 重 复 序 列 家 族 的 的 序 列 同 源 )。 S 代 表 特 殊 的 中 心 区 。 真 核 细 胞蛋 白 质 生 物 合 成 的 特 异 抑 制 剂 的 作 用 环 节 。 杆 形 颗 粒 的 长 度 约 相 当 于 核糖 体 直 径 。在 80年 代 中 期 ， Walter 等 人 已 提 出 了 肯 定 的 证 据 表 明 :在 启 动 分泌 和 控 制 分 泌 方

24、 面 ， 有 一 小 分 子 RNA-蛋 白 质 反 复 合 物 起 关 键 作 用 。 由于 该 复 合 物 能 与 新 生 的 信 号 肽 特 异 性 反 应 ， 故 被 命 名 为 信 号 识 别 颗 粒 (Signal Recognition Particle， 简 写 为 SRP)。 SRP 由 7SLRNA(约 300个碱 基 )和 6种 不 同 的 蛋 白 质 紧 密 结 合 组 成 。 蛋 白 质 的 分 子 量 从 9-72KD不 等 。 SRP 的 作 用 是 能 与 核 糖 体 结 合 并 停 止 蛋 白 质 结 合 ， 阻 止 翻 译 发 生在 肽 链 延 长 至 约

25、70个 氨 基 酸 残 基 长 时 。 这 个 长 度 正 好 是 信 号 肽 完 全 从 核糖 体 出 来 时 的 长 度 (随 信 号 肽 后 的 30-40个 氨 基 酸 残 基 此 时 被 埋 在 核 糖体 内 )。 当 SRP)与 内 质 网 膜 上 的 船 坞 蛋 白 (docking protein)接 触 后， 翻 译 阻 滞 逆 转 ， SRP 扩 散 开 再 去 启 动 另 一 蛋 白 质 转 运 。上 述 SRP 对 翻 译 起 负 调 节 作 用 具 有 极 重 要 的 生 物 学 意 义 。 SRP 在胞 浆 内 含 量 很 高 ， 约 有 106个 拷 贝 (约 占

26、 哺 乳 动 物 细 胞 核 糖 体 数 量 的 1/10)。 哺 乳 动 物 分 泌 蛋 白 质 中 的 许 多 种 都 是 降 解 酶 类 (如 核 酸 酶 、 蛋白 酶 等 )， 即 使 它 们 偶 然 出 现 在 胞 浆 内 也 会 造 成 细 胞 内 的 大 灾 难 。 通 过 用SRP 暂 时 中 止 这 些 蛋 白 质 的 翻 译 ， 确 保 这 些 蛋 白 质 未 到 达 内 质 网 膜 之 前 不能 完 成 翻 译 。 这 样 ， 在 信 号 肽 和 SRP 的 共 同 作 用 下 ， 使 得 这 些 分 泌 蛋白 能 及 时 进 入 膜 性 腔 内 ， 完 成 转 运 和 分 泌 。