Ribo-seq分析必看文献知识（四）：核糖体与蛋白质合成相关生物知识

文献俱乐部2019年笔记分享第一弹，我在春节7天连续分享，目录如下：

• 2019年2月份第2周（总第54周）测173个成年人的大脑的102个基因

最近发现了并不在我知识范围内的分享，所以马不停蹄的编辑好了发现给广大粉丝，希望对大家的研究有所帮助。

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• 意外收获1、Boundless Biology

• 意外收获2、Book: General Biology (Boundless)

• 意外收获3、一本书籍Essential genetics and genomics，下面真核生物中的翻译起始图就来源于此书。

核糖体与蛋白质合成

蛋白质的合成机制

• 蛋白质合成是指在核糖体、tRNA和氨酰-tRNA合成酶的帮助下，蛋白质合成或mRNA转化为蛋白质的过程。

学习目标

解释核糖体tRNA和氨酰tRNA合成酶在蛋白质合成中的作用。

KEY TAKEAWAYS【要点】

• 核糖体是由rRNA和多肽链组成的大分子结构，由两个亚基组成(在细菌和古生菌中，30S和50S；在真核生物中，40S和60S)，它将mRNA和tRNA结合在一起，催化蛋白质的合成。

• 完全组装的核糖体有三个tRNA结合位点：一个进入氨酰tRNAs的A位点，一个肽-tRNAs的P位点，以及一个空tRNA存在的 E位点。

• 转运RNA(Transfer Ribonucleic acid，tRNAs)是将适当的氨基酸传递给延伸中的肽链，由一条修饰的RNA链与适当的氨基酸共价连接而成。

• tRNAs在分子的一端有一个由未碱基组成的环，其中包含三个核苷酸，作为mRNA密码子的碱基。

• 氨酰tRNA合成酶是将单个氨基酸负载到tRNA上的酶。

蛋白质合成机制

• 除了mRNA模板外，还有许多分子和大分子参与翻译过程。每个成分的组成可能因物种的不同而有所不同。例如，核糖体可能由不同数量的rRNA和多肽组成，这取决于生物体的不同。然而，蛋白质合成机制的一般结构和功能可以与细菌、古生菌和人类细胞相媲美。翻译需要mRNA模板、核糖体、tRNA和各种酶因子的输入。

核糖体

• 核糖体是由结构和催化rRNAs以及许多不同的多肽组成的复杂大分子。在真核生物中，rRNA的合成和组装发生在核仁中。

• 在原核生物中，核糖体存在于细胞质中，在真核生物中，核糖体存在于细胞质和粗面内质网膜上。线粒体和叶绿体也有自己的核糖体，与细胞质的核糖体相比，线粒体和叶绿体看起来更类似于原核糖体(并且具有相似的药物敏感性)。核糖体在不合成蛋白质时分解成大小亚基，并在翻译的起始阶段重新结合。大肠杆菌有一个30S的小亚基和一个50S的大亚基，组装时总共有70个(回忆一下Svedberg单元不是可加性的)。哺乳动物核糖体有一个小的40亚基和一个大的60亚基，总共有80个。小亚基负责结合mRNA模板，而大亚基则依次与tRNAs结合。

• 在细菌、古生菌和真核生物中，完整的核糖体有三个结合位点，可以容纳tRNAs：A位点、P位点和E位点。传入的氨基-tRNA(一种共价连接氨基酸的tRNA称为氨酰-tRNA)进入A位点的核糖体。携带延伸多肽链的肽链tRNA被保留在P位点。E位点在它们离开核糖体之前持有空的tRNA。

• 每个mRNA分子同时被许多核糖体翻译，所有的核糖体读码方向是从mRNA的5‘端到3’端，而合成出来的多肽则是从氨基酸的N端到C端。完整的mRNA/聚核糖体结构称为多聚核糖体。

真核生物中的tRNA

• tRNA分子由RNA聚合酶III转录。根据物种的不同，细胞质中存在40到60种tRNA。特定的tRNA与mRNA模板上的密码子结合，并在多肽链上添加相应的氨基酸。(更准确地说，不断延伸的多肽链被添加到每个由tRNA结合的新氨基酸中。)

• 转运RNA(TransferenceRNAs，tRNAs)是一种三叶草结构型的RNA分子。在真核生物中，tRNA是由tRNA基因通过RNA聚合酶III转录而来的。根据物种的不同，细胞质中存在40到60种tRNA。作为适配器，特定的tRNAs与mRNA模板上的序列结合，并将相应的氨基酸添加到多肽链上。(更准确地说，不断延伸的多肽链被添加到tRNA带来的每个新氨基酸中)。因此，tRNAs实际上是将RNA的语言“翻译”为蛋白质的分子。

• 在64个可能的mRNA密码子(A、U、G和C的三重组合)中，三个指定蛋白质合成的终止，61个指定多肽链中氨基酸的添加。在三个终止密码子中，一个(UGA)也可以用来编码21个氨基酸，硒代半胱氨酸，但只有当mRNA包含一个特定的核苷酸序列，即SECIS序列时。在61个非终止密码子中，有一个密码子(AUG)也编码翻译的起始。

• 每个tRNA多核苷酸链折叠，使一些内部部分与其他内部部分基本相同。如果仅仅在二维上绘制图，发生碱基配对的区域称为茎，没有碱基形成的区域称为环，而为tRNA形成的整个茎和环的模式称为“三叶草”结构。所有的tRNA折叠成非常相似的四个主茎和三个主环的三叶草结构。

• 如果将tRNA看作三维结构，则tRNA的所有碱基区域都是螺旋的，tRNA折叠成L型结构。

• 每个tRNA都有一个三个核苷酸的序列，位于分子的一端的一个环中，可以与mRNA密码子进行碱基配对。这就是tRNA的反密码子。每种不同的tRNA都有不同的反密码子。根据遗传密码，当tRNA的反密码子与其中一个mRNA密码子结合时，tRNA会在不断延伸的多肽链上添加一个氨基酸，或终止翻译。例如，如果CUA序列发生在mRNA模板上，在正确的阅读框中，它将结合一个tRNA和一个表达互补序列GAU的反密码子。带有这种反密码子的tRNA将与氨基酸亮氨酸相连。

氨酰-tRNA合成酶

• RNA聚合酶III合成前tRNA的过程只产生适配器分子的RNA部分。一旦tRNA被加工并输出到细胞质中，随后必须添加相应的氨基酸。通过tRNA“充电”的过程，每个tRNA分子通过一组称为氨酰-tRNA合成酶的酶将其正确的氨基酸连接起来。当氨基酸与tRNA共价连接时，产生的复合物称为氨酰-tRNA。21种氨基酸中的每一种都至少存在一种氨酰tRNA合成酶；氨酰tRNA合成酶的确切数目因物种而异。这些酶首先结合和水解ATP，催化氨基酸和一磷酸腺苷(AMP)之间形成共价键；在这个反应中，焦磷酸盐分子被排出。这就是所谓的“激活”氨基酸。然后，同一酶催化活化的氨基酸附着到tRNA上，并同时释放AMP。当正确的氨基酸以共价形式附着到tRNA上后，它就被酶释放了。tRNA被认为是带着它的同源氨基酸。(由其反密码子指定的氨基酸是tRNA的同源氨基酸。)

蛋白质的合成机制

• 蛋白质合成包括构建肽链，利用tRNAs添加氨基酸和mRNA作为特定序列的蓝图。

学习目标

描述翻译过程

KEY TAKEAWAYS【要点】

• 当小核糖体亚基，mRNA模板，起始因子，和一个特殊的启动tRNA结合在一起。蛋白质开始合成，或翻译，这一过程为预启动。

• 在移位和延伸过程中，核糖体将一个密码子3‘向mRNA下游移动，将带电荷的tRNA引入A位点，将延伸的多肽链从P位点tRNA转移到A位点氨基酸的羧基上，并将未带电的tRNA排出E位点。

• 当mRNA上有终止或无义密码子(UAA、UAG或UGA)时，核糖体终止翻译。

关键术语

翻译：发生在核糖体中的一种过程，在这个过程中，信使核糖核酸(mRNA)链引导一系列氨基酸的组装，从而形成蛋白质。

蛋白质的合成机制

• 与mRNA合成一样，蛋白质合成可分为起始、延伸和终止三个阶段

翻译的起始

• 蛋白质的合成始于预启动复合物的形成。在大肠杆菌中，这种复合物包括30S小核糖体、mRNA模板、三个起始因子(IFS: IF-1、IF-2和IF-3)和一个特殊的启动器tRNA，称为fMet-tRNA。引发起始tRNA碱基与起始密码子AUG(或很少，GUG)结合，并与一种称为fMet的甲硫氨酸共价连接。甲硫氨酸是蛋白质合成中使用的21种氨基酸之一，甲硫氨酸是一种甲酰基(一碳醛)以共价形式附着在氨基氮上的甲硫氨酸。甲硫氨酸通过fMet-tRNA插入到大肠杆菌合成的每个多肽链的起始位置，通常在翻译完成后被剪去。当在翻译延伸过程中遇到框架内AUG时，一个非甲酰化蛋氨酸被一个规则的Met-tRNA插入。在大肠杆菌mRNA中，第一个AUG密码子上游的序列称为Shine-Dalgarno序列(AGGAGG)，它与组成核糖体的rRNA分子相互作用。这种相互作用将30S核糖体亚基锚定在mRNA模板上的正确位置。

• 在真核生物中，当一种启动因子eIF2(真核启动因子2)与GTP结合时，GTP-eIF2将真核启动因子tRNA募集到40S小核糖体亚基上，从而形成一种预启动复合物。起始tRNA称为Met-tRNAi，在真核生物中携带未修饰的蛋氨酸，而不是fMet，但它与其他细胞Met-tRNAs的不同之处在于它能与EIFS结合，并能在核糖体P位点结合。真核生物的预起始复合物随后识别mRNA 5' 端的7-甲基鸟苷帽。其他几个EIFS，特别是EIF1、eIF3和eIF4，作为帽结合蛋白，协助5' 端的起始前复合物的募集。多聚(A)结合蛋白(PAB)既与mRNA的PolyA尾部结合，又与帽上的蛋白质复合物结合，并参与这一过程。一旦到达帽，预启动复合体沿着mRNA在5‘到3’方向上进行跟踪，搜索AUG起始密码子。许多(但不是全部)真核细胞的mRNAs是从第一个AUG序列翻译而来的。AUG周围的核苷酸表明它是否是正确的起始密码子。

• 一旦确定了适当的AUG，eIF2将GTP水解为GDP，并授权tRNAi-Met传递到起始密码子，其中tRNA~i~反密码子基序向AUG密码子传递。在此之后，eIF2-GDP从复合体中释放出来，并与eIF5-GTP结合。60S核糖体亚基被eIF5-GTP招募到预启动复合物中，该复合物将其GTP水解成GDP，在翻译起始位点组装完整的核糖体，而Met-tRNA~i~位于核糖体P位点。剩余的EIFS与核糖体分离，翻译已准备好开始。

• 在古生菌中，翻译起始与真核生物相似，只是所涉及的起始因子被称为AIFS(考古学起始因子)，而不是EIFS。注：这里原文链接图感觉没有这个好 ，来自《Essential Genetics and Genomics》第236页。原文图挂了，后面找到此文图存放的链接

翻译延伸

• 延伸的机制在原核生物和真核生物中是一样的。完整的核糖体有三个部分：A位点与进入的氨酰tRNA结合；P位点与携带延长多肽链的tRNA结合；E位点释放游离的tRNA，以便它们可以与氨基酸充电。起始tRNA在大肠杆菌中为rMet-tRNA，在真核生物和古生菌中为Met-tRNA~i~，直接与P位点结合。这创造了一个起始复合物与一个游离的A位点，准备接受氨基酰-tRNA对应的第一个密码子AUG。

• 带有与A位点密码子互补的反密码子的氨酰-tRNA降落在A位点。在A位氨基酸的氨基和最近连接到P位tRNA的多肽链的羧基之间形成肽键，肽键的形成是由肽基转移酶催化的，肽基转移酶是一种基于RNA的酶，整合到大的核糖体亚基中。肽键形成的能量来自于GTP水解，而GTP水解是由一个单独的延伸因子催化的。

• 在催化形成肽键的过程中，将不断延长的多肽链与P-位点tRNA连接起来的肽键被移除。正在延长的多肽链被转移到进入的氨基酸的氨基端，而A位点的tRNA暂时保持着延长的多肽链，而P-位点的tRNA现在是空的或不带电荷。

• 核糖体使mRNA下移三个核苷酸。tRNA被转录到mRNA上的一个密码子，所以当核糖体移动到mRNA上时，tRNA保持不变，而核糖体移动，每个tRNA被移动到下一个tRNA结合位点。E位点移动到以前的P位点tRNA上，现在是空的或不带电的，P位点移动到原来的A位点tRNA上，现在它承载着延长的多肽链，而A位点移动到一个新的密码子上。在E位点，未带电荷的tRNA与其反密码子分离并被驱逐。一个新的氨酰tRNA与一个与新的A位点密码子互补的反密码子进入A位点的核糖体，并重复其延伸过程。核糖体每一步的能量都是由水解GTP的延伸因子贡献的。

翻译终止

• 当核糖体到达终止密码子(UAA、UAG或UGA)时，翻译终止。没有与密码子互补的tRNA，因此没有tRNA进入A位点。相反，在原核生物和真核生物中，一种被称为释放因子的蛋白质进入了A位点。释放因子导致核糖体肽基转移酶将一个水分子添加到最近增加的多肽链中连接到P-位点tRNA的多肽链的羧基端。这使得多肽链从其tRNA中分离出来，新制造的多肽被释放出来。小的和大的核糖体亚基从mRNA和彼此分离；它们几乎立即被招募到另一个翻译起始复合体中。在许多核糖体完成翻译后，mRNA被降解，因此核苷酸可以在另一个转录反应中重复使用。

在线json演示翻译过程链接

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蛋白质的折叠、修饰和靶向

略

意外收获

• 1、Boundless Biology

• 2、Book: General Biology (Boundless)

• 3、一本书籍Essential genetics and genomics，上面真核生物中的翻译起始图就来源于此书。

放在最后的话：年少不知分子好，老来用时两行泪。

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