转移核糖核酸tRNA

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第843页（3876字）

tRNA是一类小分子RNA。

分子量为25000～30000，沉降系数为4S。它在蛋白质生物合成过程中起着关键性的作用，是将核酸的遗传信息翻译成蛋白质一级结构的生物大分子化合物。

它还参与很多重要的生命活动。

tRNA发现于1957年。

tRNA与核糖体结合的试验导致遗传密码的发现。霍利(Holley)解决了第1个tRNA(酵母丙氨酸tRNA)的分离纯化问题，于1965年测出它的全序列并提出tRNA的三叶草型二级结构。

到1990年底已测出一级结构的tRNA及tRNA基因达1710种。一级结构测定、X－衍射分析、自由能计算等各种物理化学分析结果表明，tRNA三叶草型二级结构是正确的。整个分子由四茎(氨基酸接受茎、D茎、反密码茎和TψC茎)、四环(D环、反密码环、可变环和TψC环)组成。80年代初发现哺乳动物线粒体丝氨酸tRNA只有63个核苷酸(沉降系数为3S)，呈二叶草型结构，缺D茎和D环。1990年，Okimoto等提出在nematode worms线粒体中存在缺T茎和可变环的tRNA。

1973～1975年间，金(Kim)、里奇(Rich)和罗伯茨(Roberts)等分别用斜方晶和六方晶测定了酵母苯丙氨酸tRNA晶体的三维结构，得到几乎完全一致的倒L型三级结构模型。

分子全貌像字母L，呈扁平状，长60×10^－10m，厚20×10^－10m。其它tRNA晶体的三维结构与酵母苯丙氨酸tRNA的相似，但某些参数不同。据此tRNA可以分为两类。一类以酵母苯丙氨酸tRNA为代表。

倒L型两臂夹角较小，反密码子与接受茎末端间距离较短。另一类以酵母天门冬氨酸tRNA为代表。

它的两臂夹角比前者的要大10°，两臂端点的距离比前者的长约5×10^－10m。它们分别类似于tRNA在核糖体P位和A位时的构象。

tRNA的溶液构象与其晶体结构一致。

1989年，鲁特(Rould)等获得了谷氨酰胺tRNA与其合成酶、ATP的共结晶，并取得2．8×10^－10m分辨率电子云图。

tRNA是各种核酸中含修饰核苷酸最多的一种。1989年又发现一种新的修饰核苷酸L。

这一核苷酸被普通核苷酸置换，即可引起接受氨基酸种类的改变。这是修饰核苷酸与氨酰化活力有关的最明显的一个实验。但是，桑普森(Sampson)和乌伦贝克(Uhlenbeck)报道体外转录所得的不含任何修饰核苷酸的苯丙氨酸tRNA具有与天然对照基本相同的接受活力。对修饰核苷酸生物功能了解得还不很清楚。

以前认为校正tRNA是对mRNA突变的校正。80年代发现很多种天然的校正tRNA。

如硒代半胱氨酸tRNA，它参与硒代半胱氨酸及硒蛋白的合成。它识别的密码子是mRNA编码区内的UGA(通常为终止密码子)。

所以正常tRNA与校正tRNA的概念正逐渐模糊。

校正tRNA的研究加深了人们对蛋白质生物合成过程中各种大分子间的相互作用以及如肽链合成终止机制的理解。

因为所有的tRNA均具有相似的倒L型结构，所以各种氨酰tRNA合成酶(简称合成酶)必须在相似的tRNA中识别各自相对应的tRNA。这种识别对于蛋白质合成的精确性极其重要而一直受到广泛的重视。

1988年，何(Hou)和希梅尔(Schimmel)证明大肠杆菌tRNA中的G3∶U70碱基对决定了该tRNA与其相应合成酶的识别。为此他们提出tRNA的个性理论，即tRNA分子内由一个或几个核苷酸组成的元件，决定着该tRNA与相应合成酶的识别。

这一理论的提出促进了tRNA与合成酶识别机制的研究。到1991年底已知的tRNA个性有9种。

但是希梅尔等、王德宝等近几年中都证明，对于丙氮酸tRNA来说，除了G3∶U70碱基对外，tRNA中其它一些核苷酸也决定着氨酰化程度的高低。此外，酵母和大肠杆菌苯丙氨酸tRNA的个性不同。

大肠杆菌酪氨酸tRNA在酵母中接受亮氨酸。所有这些事实说明，tRNA与合成酶的识别机制十分复杂。

肽链延伸过程中，延伸tRNA至少参与五个反应：(1)氨酰tRNA与延伸因子(原核生物的EF－Tu，真核生物的EF－2)、GTP形成三元复合物。(2)三元复合物结合到核糖体的A位(氨酰位)。

(3)肽基转移反应。(4)移位。

(5)肽酰tRNA结合到核糖体的P位(即肽酰基位)。所有这些过程都决定着蛋白质生物合成的精确性。

蛋白质生物合成过程中，tRNA与许多生物大分子起作用，如mRNA、rRNA、起始因子、延伸因子、释放因子、核糖体蛋白等。

体外试验资料表明，核糖体和某些氨酰tRNA就可以合成蛋白质而无需mRNA模板。这表明推动蛋白质合成的是tRNA而不是mRNA。mRNA是通过与tRNA相互作用推动合成一定顺序的蛋白质。蛋白质合成的精确性在于相配的和不相配的密码子－反密码子对间的差异，这种差异影响着核糖体对氨酰tRNA的选择。这种选择又受到一系列基因的和环境变量的调节，其中有核糖体蛋白和延伸因子的变种、密码子的上下文、PPGPP的水平、温度以及阳离子的浓度。

tRNA还具有很多其它重要功能：(1)与硒代谢有关。如一些生物来源的赖氨酸tRNA和谷氨酸tRNA含硒，可提高反密码子对密码子的识别能力。硒代半胱氨酸tRNA在丝氨酰tRNA合成酶催化下接受丝氨酸，丝氨酸在tRNA上被转化成硒代半胱氨酸并由该tRNA参入蛋白。(2)谷氨酰tRNA参与叶绿素的生物合成。

结合在谷氨酰tRNA上的谷氨酸被还原成谷氨酸半醛，再经专一性转氨酶的作用转变成－氨基乙酰丙酸。后者是叶绿素合成的原料。(3)一些氨酰tRNA在氨酰tRNA转移酶催化下进行不需核糖体和模板的氨基酸转移反应。受体分子可以是蛋白质的N末端(调节蛋白质的功能)、磷酸甘油(细胞膜的合成)和N－乙酰2－氨－3－0－(1－乙基)－2－脱氧－D－葡糖(细胞壁的合成)。(4)参与DNA的合成。反转录病毒以一些特定的tRNA为DNA合成引物。大肠杆菌中一种精氨酸tRNA参与DNA的复制。(5)对代谢的调控作用。空载tRNA进入核糖体引发ppGpp的合成造成严格控制反应。在大肠杆菌组氨酸操纵子，赖氨酸操纵子和色氨酸操纵子中的衰减子分别受这几种氨基酸的调控。(6)tRNA作为一些酶的抑制剂，如大肠杆菌内切核酸酶I因tRNA而改变作用模式，果蝇中酪氨。酸tRNA抑制色氨酸毗哆酶活力，一些植物病毒RNA未端有类似tRNA的结构可接受氨基酸等。

一些与tRNA结合的蛋白质(如合成酶、EF－Tu等)在生物体内还有很多其它的生物功能，tRNA可通过对它们浓度的调节而间接调节生物的其他活动。

tRNA基因有的来自细胞核，有的来自线粒体、叶绿体等细胞器，它们之间的异同及与进化的关系引起人们的注意。DNA分子上的tRNA基因经转录生成tRNA前体，然后加工为成熟的tRNA。加工过程包括切除前体分子中两端或内部的多余核苷酸、修饰酶，加上CCA末端等。

硒代半胱氨酸tRNA可能还经过RNA的编辑。这些过程在生物体内部都是由酶催化进行的。如切除tRNA前体5’端一段核苷酸的RNaseP含有蛋白质和RNA两部分。RNA组分单独即有催化活力，这是酶活性RNA的最有说服力的证据。

阿尔特曼(S．Altman)因此而获1989年诺贝尔化学奖。

1981年，王德宝等用化学和酶促合成相结合的方法首次合成酵母丙氨酸tRNA。

它由76个核苷酸组成，包括天然分子中的全部修饰成分，并具有完全的生物活性。

近期内tRNA研究的热点有：修饰核苷酸的生物合成，修饰核苷酸的生物功能，tRNA与其它生物大分子(mRNA、rRNA、起始因子、延伸因子、释放因子)的相互作用，tRNA与合成酶识别的分子基础，tRNA的转录及加工，tRNA生物功能多样性等。

进一步的工作将是研究这些过程的分子基础，并从较高的层次，亦即复杂的高分子化合物的复合物水平，如核糖体水平研究tRNA的各种生物功能。

。【参考文献】：

1 王德宝，等．酵母丙氨酸转移核糖核酸的人工全合成，中国科学B辑，1983，(5)∶385

2 Muramatsu T,e( al. Nature, 1988.336:179～ 181

3 Rould M A,et al. Science, 1989.246:1135～1142

4 Okimoto R, Wolstenholme D R. EMBO J. 1990, 9:3405～ 3411

5 Diamond A M.et al. Nucleic Accids Res , 1911,18:6727

(中国科学院上海生物化学研究所博士生导师金由辛撰)