tmRNA

tmRNA 是存在於細菌的一類穩定的小RNA，tmRNA 發現於20世紀80年代，長期以來不被重視，因其同時具備信使RNA和轉錄RNA的功能而在最近5年中引起了研究者的濃厚興趣。

基本介紹

• 中文名：tmRNA
• 解釋：存在於細菌的一類
• 功能：具備信使RNA和轉錄RNA的功能
• tmRNA結構：5’和3’末端構成tRNA樣區域

簡介

目前對它的研究重點放在對其結構和功能上.並認為它是細菌體內蛋白質合成中起“質量控制”的物質基礎之一。

發展

在細菌的生活周期里,如何保持正確的蛋白質翻譯始終是一個大問題,翻譯錯誤可源於基因的轉錄階段或翻譯階段.導致的後果是結合mRNA的核糖體由於不能及時地同mRNA分離而“滯留”在mRNA上,不能加入下一次循環,這對核糖體資源有限的細菌來說,是十分不利的,而翻譯錯誤的幾率在細菌應激狀態下明顯升高。

tmRNA的功能有(1)：將“滯留”在mRNA上的核糖體解脫下來.(2):將一段信號肽加在有缺陷的蛋白質C末端,使其有效的水解。

tmRNA結構

目前關於結構的了解均來自生物學種系比較,化學修飾,因此均是推測性的.直接證據有賴於tmRNA的晶體結構研究。

tmRNA的5’和3’末端構成tRNA樣區域, 3’末端有CCA保守序列和G:U鹼基對.tmRNA 樣區域同樣有結合莖,T臂,D環。和典型t RNA不同的是它沒有反密碼莖環結構，而是同tmRNA 其餘部分前後相連。另一重要區域是mRNA區域,內含一段開放閱讀框，負責編碼長10/15aa的信號肽，後面是位於髮夾結構中的終止密碼子。兩個區域之間有4個假結狀結構，也有5個和僅有1個的報導。

tRNA樣區域的結構類似典型tRNA 的四葉草結構，其摺疊方式類似於t RNA。其結構的維持與D和T環之間的相互作用有關。雖然t RNA樣區域沒有密碼子—反密碼子複合體以供核糖體A位識別，有證據表明tmRNA自身或與其結合的蛋白質具有類似核糖體A位識別功能。t RNA樣區域周圍有高度保守的鹼基序列。據認為對tmRNA的空間構像和功能有重要作用，同時tRNA樣區域同其mRNA區域也存在著相互作用，兩者之間的功能應該有相互聯繫。

四個假結狀結構中，離tRNA樣區域最近的PK1區域被認為對維持tmRNA功能有關，其餘3個假結狀結構似乎作用不大。假結狀結構對維持空間構象的作用，值得進一步研究。PK2區域在某些細菌中有亞結構存在，該亞結構可能與t RNA樣區域和mRNA區域的相互作用有關。

tmRNA的作用模型

目前的模型是由Karzai et al 提出的，基本得到同行的公認，但其細節並未完全證明。

細菌中蛋白質翻譯過程的結束，有賴於轉錄子的完整性。如在轉錄過程中由於某種蛋白質因子結合在某基因的操縱子區域而影響了轉錄子的完整性，或是轉錄子在轉錄後加工過程中被不恰當地切斷，都有可能使在翻譯中的mRNA序列缺失終止密碼子。而終止密碼子的存在是多肽釋放因子被吸引到核糖體附近並發揮作用的必備條件，構想一下當核糖體移動到這條不完整的mRNA的3‘端時會出

現怎樣的情況：核糖體不能與mRNA脫離，P位的不完整蛋白質亦不能及時釋放，而核糖體的滯留同不完整蛋白質的最終釋放一樣，都可能對細菌產生不利影響。

該模型認為，3‘攜有丙氨酸的tmRNA通過尚未被證實的機制來識別滯留的核糖體，並進入核糖體的A位，通過轉肽反應，將丙氨酸同滯留在P位的蛋白質相連線，隨後tmRNA進入P位，此時，核糖體將從mRNA脫離下來，轉而結合在tmRNA的mRNA區域，並開始翻譯一段10aa的信號肽，信號肽連線在剛翻譯的多肽C末端，由ORF提供終止密碼子。該序列胺基酸在細菌中高度保守，其序列為AANDENYALAA.該信號肽被水解蛋白識別，隨後該融合蛋白被水解蛋白徹底破壞。

該模型在使用外源性或人工合成的不完整mRNA上得到證實。 在少數內源性mRNA上亦支持此模型[10]，將信號肽的最後兩個胺基酸改變為DD，蛋白質中同樣會出現攜帶有DD十肽，只是不被蛋白水解酶識別。同樣，改變CCA-端接合的丙氨酸為組氨酸，或將對氨醯化有重大影響的G: U 擺動對加以改造，均直接影響到tmRNA的兩大功能。

目前描述tmRNA的模型是基於缺失終止密碼子上的，但在正常生理情況下，相當多的正常mRNA翻譯出的蛋白質中有少部分C末端連線上了一段十肽，說明觸發tmRNA活化的機制並非那么簡單。現將近來研究中發現的幾種情況列出。

1.終止子與稀少的精氨酸密碼引發的tmRNA系統活化

對大腸桿菌核糖激酶的研究發現，正常核糖激酶完整mRNA的翻譯產物也有被加上十肽信號肽的現象。儘管只有翻譯產物的一小部分，而且連線部位位於核糖激酶C末端的3個氨基位置，Arg-307,Arg309,UGA。其中Arg-307,Arg309由AGG編碼, AGG編碼精氨酸不常見，相應的tmRNA十分稀少，同時UGA作為終止子在大腸桿菌中的效率不高。它們可能使翻譯效率在以上位置下降，致使核糖體在這些位置停留時間相對較長，導致tmRNA系統活化。

2.信號肽連線到具有完整功能的蛋白產物的C末端，其發生機理與終止子的效率不高及序列下游閱讀框的干擾有關。

3.基因斷裂

細菌的一些不太重要的基因經常發生被轉座子插入，該基因完整性消失，導致蛋白產物不完整，被tmRNA識別。

4.Lac操縱子被Lac抑制子（LacI）所結合，導致LacI的DNA形成特殊結構，使mRNA轉錄子不完整，導致tmRNA活化。

5.被有害的翻譯通續激活

正常終止密碼可以被抑制型tmRNA通續，即可以翻譯出一個胺基酸來。同時翻譯產物通常被延伸，這種產物有時是有害的，可被tmRNA識別。 生物學意義

一般來說有兩個：1.將無論什麼原因導致的滯留核糖體從mRNA上釋放出來，使其加入到下一輪蛋白質的合成。2.將不完整的/或完整的蛋白產物加上信號肽，使其徹底水解。目前認為後一種功能的生物學意義不大，只是對某些基因的表達起微調的作用。

目前證明tmRNA的存在對於淋球菌、肺炎鏈球菌是必須的，而對於大腸桿菌等不是必需的，已證明大腸桿菌存在一種代謝途徑，作用同tmRNA相仿。現在認為tmRNA對淋球菌來說是必須的，而對大腸桿菌來說不是必須的原因為：細菌內的核糖體最終是由rRNA轉錄水平調控的，因此，rRNA操縱子（rrn）的數目可能影響細菌對可利用的自由核糖體的減少的反應。淋球菌有4個rrn操縱子，而大腸桿菌有7個，枯草桿菌有10個，淋球菌因rrn操縱子較少，而更多的依賴核糖體的再循環以維持蛋白質的合成，同時，淋球菌的核糖體滯留現象可能較大腸桿菌嚴重。

大腸桿菌的tmRNA缺失株表現出在高溫下生長停滯，動力下降，對碳缺乏不能耐受，某種未知的蛋白水解酶的活性增強，雜交immP22噬菌體不能生存，不能誘導出溫度敏感Mu噬菌體溶素原。某些細菌的tmRNA缺失株表現出對蛋白合成抑制劑的敏感度提高， 對Mu噬菌體的抑制進行調節， 大腸桿菌K-12的不同基因的溫度敏感變異菌株的生物型可被tmRNA基因抑制。tmRNA對應激環境中枯草桿菌的生存是必需的。近年來此類研究中最經典的一個例子是關於Lac抑制子對Lac操縱子的作用被tmRNA所調控的情況。 以上作用可能與tmRNA介導的的核糖體釋放有關，而同其介導的蛋白質水解作用關係不大。

目前，唯一被證實為細菌體內tmRNA的自然底物的mRNA是lacⅠ（乳糖抑制子）。實驗發現tmRNA能識別不完整的LacⅠ mRNA,標記並最終水解不完整的LacⅠ蛋白，這一過程有助於細菌通過快速誘導乳糖操縱子，進而對周圍環境中乳糖的供應量作出適應性反應。這一實驗是目前與理論模型最相吻和的一個例子：LacⅠ與lac DNA的01和03兩部份同時結合，使lac DNA形成一個局部莖環狀結構，導致不恰當的轉錄，形成不完整的lacⅠ mRNA,並被tmRNA所識別。在這裡，標記和最終水解不完整的LacⅠ蛋白同釋放核糖體似乎是同樣重要的。

但更多的證據表明，釋放核糖體是tmRNA更為重要的功能。Jeffrey Withey 發現水解不完整蛋白質對維持噬菌體在大腸桿菌內生長並不重要。其他作者的觀點也支持這一看法。

tmRNA對於腸炎沙門氏菌的毒力表達是必須的，同時發現tmRNA變異株不能維持P22噬菌體的生長，並延遲P22溶素原的誘導，還有可能是沙門氏菌的某段序列的附著點。

缺失了tmRNA的Synechocystis 對氯黴素，林可黴素，大觀黴素，螺旋黴素，紅黴素等蛋白質抑制劑表現出了高度的敏感性，而對非蛋白質抑制劑如氨苄西林的敏感性並不改變。缺失株對亞致死劑量的氯黴素表現出對蛋白質合成的全面抑制。

以上研究均認為，tmRNA的主要作用在於釋放滯留的核糖體而不在於蛋白質的水解，大部分tmRNA變異株表現出的生物學變化可由核糖體的釋放得出解釋。

隨著研究的深入，人們傾向於認為tmRNA的作用是細菌的正常生理過程，而並不一定只是在應激狀態下出現。已發現大腸生理情況下大腸桿菌體內被tmRNA系統識別的蛋白質有LacⅠ抑制子，lambda cⅠ抑制子,YbeL,GalE,RbsK,SlyD-kan(R)融合蛋白。可以相信的是，對任意一種蛋白質的翻譯都有可能會出現核糖體在處理某個密碼子時出現翻譯效率下降的情況，導致在該密碼子上的停留時間相對延長。這時，延長信號通過未知途徑轉給tmRNA，tmRNA的作用可以理解為取消此次翻譯，並水解其產物，隨著對天然的tmRNA底物的認識進一步深入，更為精確的tmRNA作用機制將會出現。

同tmRNA相關的蛋白質因子

tmRNA的產生、加工、儲存、結合到mRNA及核糖體均需要有關的蛋白質因子：

丙醯氨tRNA合成酶、延長因子EF-TU、 GTP,核糖體蛋白質S1，PrsA,RnaseR,YfbG.

核糖體蛋白質S1:S1同假結狀結構PK2,PK3,PK3-PK4結合部相結合，但主要的結合部位在PK1， 體外試驗中，當S1被清除後，tmRNA不能同核糖體結合。S1存在與大多數細菌中，並與選擇翻譯啟始點有關。

RnaseR:是RnaseII家族的一員[30]，由3’-5’外切酶區域和一個S1樣區域，具體生化性質不詳，推測與被tmRNA代替的mRNA的降解有關。

PrsA:是一種與核苷酸從頭合成有關的酶 ，同SsrA結合位點，作用均不清楚。

SAF: 由yfbG基因編碼，功能不詳。

SmpB:由160個胺基酸殘基組成，與所有已知的tmRNA的功能有關，同tmRNA特異性緊密結合，有時稱為tmRNA-smpB複合體，smpB能增強tmRNA接受丙氨酸的能力，smpB同tmRNA一起,在翻譯組份存在的條件下足以完成轉錄-翻譯過程，在smpB缺失的條件下，tmRNA不能進入A位。

EF-TU-GTP複合體:同tmRNA結合起到保護丙氨醯化tmRNA酯鍵的功能。

總結

tmRNA的生物學意義主要是同蛋白質質量控制有關，表現形式多種多樣。對細菌體內tmRNA作用的天然mRNA及其蛋白質產物的詳細了解，有助於確定tmRNA在細菌蛋白質合成過程中的地位。