[科普中國(guó)]-轉(zhuǎn)運(yùn)RNA

轉(zhuǎn)運(yùn)RNA（Transfer RNA），又稱傳送核糖核酸、轉(zhuǎn)移核糖核酸，通常簡(jiǎn)稱為tRNA，是一種由76-90個(gè)核苷酸所組成的RNA，其3'端可以在氨酰-tRNA合成酶催化之下，接附特定種類的氨基酸。轉(zhuǎn)譯的過(guò)程中，tRNA可借由自身的反密碼子識(shí)別mRNA上的密碼子，將該密碼子對(duì)應(yīng)的氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)至核糖體合成中的多肽鏈上。每個(gè)tRNA分子理論上只能與一種氨基酸接附，但是遺傳密碼有簡(jiǎn)并性（degeneracy），使得有多于一個(gè)以上的tRNA可以跟一種氨基酸接附。

研究歷史在tRNA被發(fā)現(xiàn)以前，佛朗西斯·克里克就假設(shè)有種可以將RNA訊息轉(zhuǎn)換成蛋白質(zhì)訊息的適配分子存在。1960年代早期，亞歷山大·里奇、唐納德·卡斯帕爾等生物學(xué)家開(kāi)始研究tRNA的結(jié)構(gòu)，1965年，羅伯特·W·霍利首次分離了tRNA，并闡明了其序列與大致的結(jié)構(gòu)，他因此貢獻(xiàn)而獲得1968年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。tRNA最早由羅伯特·M·博克（Robert M. Bock）成功結(jié)晶，之后陸續(xù)有人提出tRNA苜蓿葉狀的二級(jí)結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)于1973年由金成鎬與亞歷山大·里奇的X射線衍射分析證實(shí)。另一個(gè)由阿龍·克盧格領(lǐng)導(dǎo)英國(guó)團(tuán)隊(duì)，在同一年發(fā)布同樣的射線晶體學(xué)的發(fā)現(xiàn)。1

定義大多數(shù)tRNA由七十幾至九十幾個(gè)核苷酸折疊形成的三葉草形短鏈組成，相對(duì)分子質(zhì)量為25000?30000，沉降常數(shù)約為4S。舊稱聯(lián)接RNA、可溶性RNA等。主要作用是攜帶氨基酸進(jìn)入核糖體，在mRNA指導(dǎo)下合成蛋白質(zhì)，即以mRNA為模板，將其中具有密碼意義的核苷酸順序翻譯成蛋白質(zhì)中的氨基酸順序。tRNA與mRNA是通過(guò)反密碼子與密碼子相互作用而發(fā)生關(guān)系的。在肽鏈生成過(guò)程中，第一個(gè)進(jìn)入核糖體與mRNA起始密碼子結(jié)合的tRNA稱為起始tRNA，其余tRNA參與肽鏈延伸，稱為延伸tRNA，按照mRNA上密碼的排列，攜帶特定氨基酸的tRNA依次進(jìn)入核糖體。形成肽鏈后，tRNA即從核糖體釋放出來(lái)。整個(gè)過(guò)程稱為tRNA循環(huán)。一種tRNA只能攜帶一種氨基酸，如丙氨酸t(yī)RNA只攜帶丙氨酸，但一種氨基酸可被不止一種tRNA攜帶。同一生物中，攜帶同一種氨基酸的不同tRNA稱作“同功受體tRNA”。組成蛋白質(zhì)的氨基酸有20種，根據(jù)密碼子擺動(dòng)學(xué)說(shuō)至少需要31種tRNA,但在脊椎動(dòng)物中只存在22種tRNA。這主要是通過(guò)密碼子-反密碼子配對(duì)的簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)的，使得一種tRNA可以識(shí)別一個(gè)密碼子家族的全部4個(gè)密碼子。攜帶同一種氨基酸的細(xì)胞器tRNA與細(xì)胞質(zhì)tRNA也不一樣。生物體發(fā)生突變后，校正機(jī)制之一是通過(guò)校正基因合成一類校正tRNA，以維持翻譯作用譯碼的相對(duì)正確性。可以有多種校正tRNA攜帶同一種氨基酸。

結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)運(yùn)RNA分子由一條長(zhǎng)70~90個(gè)核苷酸并折疊成三葉草形的短鏈組成的。上圖中有兩種不同的分子，苯丙氨酸t(yī)RNA(4tna)和天冬氨酸t(yī)RNA(2tra)。tRNA鏈的兩個(gè)末端在圖上方指出的L形結(jié)構(gòu)的末端互相接近。氨基酸在箭頭示意的位置被連接。在這條鏈的中央形成了L形臂，如圖下方所示，露出了形成反密碼子的三個(gè)核苷酸。三葉草結(jié)構(gòu)的其余兩環(huán)被包裹成肘狀，在那里它們提供整個(gè)分子的結(jié)構(gòu)。四個(gè)常見(jiàn)RNA堿基---腺嘌呤，尿嘧啶，鳥(niǎo)嘌呤和胞嘧啶顯然不能提供足夠的空間以形成一個(gè)堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@些堿基大部分被修飾過(guò)以延長(zhǎng)它們的結(jié)構(gòu)。有兩個(gè)奇特的例子，看37號(hào)反密碼子相鄰的堿基，位于甲硫氨酸t(yī)RNA（1yfg）或苯丙氨酸t(yī)RNA(4tna和6tna)的起始部位。

一級(jí)結(jié)構(gòu)

自1965年R．W．霍利等首次測(cè)出酵母丙氨酸tRNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)即核苷酸排列順序到1983年已有200多個(gè)tRNA（包括不同生物來(lái)源、不同器官、細(xì)胞器的同功受體tRNA以及校正tRNA）的一級(jí)結(jié)構(gòu)被闡明。按照A－U、G－C以及G－U堿基配對(duì)原則，除個(gè)別例外，

二級(jí)結(jié)構(gòu)

tRNA分子均可排布成三葉草模型的二級(jí)結(jié)構(gòu)（圖1）。它由3個(gè)環(huán)，即D環(huán)〔因該處二氫尿苷酸（D）含量高〕、反密碼環(huán)（該環(huán)中部為反密碼子）和TΨC環(huán)〔因絕大多數(shù)tRNA在該處含胸苷酸（T）、假尿苷酸（Ψ）、胞苷酸（C）順序〕，四個(gè)莖，即D莖（與D環(huán)聯(lián)接的莖）、反密碼莖（與反密碼環(huán)聯(lián)接）、TΨC莖（與 TΨC環(huán)聯(lián)接）和氨基酸接受莖〔也叫CCA莖，因所有tRNA的分子末端均含胞苷酸（C）、胞苷酸（C）、腺苷酸（A）順序， CCA是連接氨基酸所不可缺少的〕，以及位于反密碼莖與TΨC莖之間的可變臂構(gòu)成。不同tRNA的可變臂長(zhǎng)短不一，核苷酸數(shù)從二至十幾不等。除可變臂和D環(huán)外，其他各個(gè)部位的核苷酸數(shù)目和堿基對(duì)基本上是恒定的。圖1也示出tRNA分子中出現(xiàn)的保守或半保守成分。這些成分對(duì)維系tRNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)是很重要的。

tRNA的結(jié)構(gòu)特征

tRNA的結(jié)構(gòu)特征之一是含有較多的修飾成分，如上面提到的 D、T、 Ψ等；核酸中大部分修飾成分是在tRNA中發(fā)現(xiàn)的。修飾成分在tRNA分子中的分布是有規(guī)律的，但其功能不清楚。

1974年用X射線晶體衍射法測(cè)出第一個(gè)tRNA——酵母苯丙氨酸t(yī)RNA晶體的三維結(jié)構(gòu)，分子全貌象倒寫的英文字母L，呈扁平狀，長(zhǎng)60埃，厚20埃（圖2），它是在tRNA二級(jí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，通過(guò)氨基酸接受莖與TΨC莖以及D莖與反密碼莖間折疊成右手反平行雙螺旋。tRNA三級(jí)結(jié)構(gòu)由保守或半保守成分與構(gòu)成二級(jí)結(jié)構(gòu)的核苷酸之間形成氫鍵（稱三級(jí)結(jié)構(gòu)氫鍵）維系。其他tRNA晶體的三維結(jié)構(gòu)類似酵母苯丙氨酸t(yī)RNA，只是某些參數(shù)有所不同。tRNA在溶液中的構(gòu)型與其晶體結(jié)構(gòu)一致。

功能主要是攜帶氨基酸進(jìn)入核糖體，在mRNA指導(dǎo)下合成蛋白質(zhì)。即以mRNA為模板，將其中具有密碼意義的核苷酸順序翻譯成蛋白質(zhì)中的氨基酸順序（見(jiàn)蛋白質(zhì)的生物合成、核糖體）。tRNA與mRNA是通過(guò)反密碼子與密碼子相互作用而發(fā)生關(guān)系的。在肽鏈生成過(guò)程中，第一個(gè)進(jìn)入核糖體與mRNA起始密碼子結(jié)合的tRNA叫起始tRNA，其余tRNA參與肽鏈延伸，稱為延伸tRNA，按照mRNA上密碼的排列，攜帶特定氨基酸的tRNA依次進(jìn)入核糖體。形成肽鏈后，tRNA即從核糖體釋放出來(lái)。整個(gè)過(guò)程叫做tRNA循環(huán)（圖3）。tRNA靠反密碼子與mRNA識(shí)別，但并非一種反密碼子只能識(shí)別一種密碼子。例如反密碼子CIG（I是次黃嘌呤核苷酸）能識(shí)別三種密碼子。一般反密碼子中的稀有核苷酸因配對(duì)不嚴(yán)格而能識(shí)別多種密碼子，這種現(xiàn)象在生物學(xué)中稱為“擺動(dòng)性”

tRNA是通過(guò)分子中3′端的CCA攜帶氨基酸的。氨基酸連接在腺苷酸的2′或3′OH基上，攜帶了氨基酸的tRNA叫氨酰tRNA，例如，攜帶甘氨酸的tRNA叫甘氨酰tRNA。氨基酸與tRNA的結(jié)合由氨酰tRNA合成酶催化，分二步進(jìn)行：①氨基酸+ATP→氨酰-AMP+焦磷酸；②氨酰-AMP+tRNA→氨酰-tRNA+AMP。與一種氨基酸對(duì)應(yīng)的至少有一種tRNA和一種氨酰-tRNA合成酶（見(jiàn)蛋白質(zhì)生物合成）。

tRNA還具有其他一些特異功能，例如，在沒(méi)有核糖體或其他核酸分子參與下，攜帶氨基酸轉(zhuǎn)移至專一的受體分子，以合成細(xì)胞膜或細(xì)胞壁組分；作為反轉(zhuǎn)錄酶引物參與DNA合成；作為某些酶的抑制劑等。有的氨酰-tRNA還能調(diào)節(jié)氨基酸的生物合成。在許多植物病毒RNA分子中發(fā)現(xiàn)有類似于tRNA的三葉草結(jié)構(gòu)，有的也能接受氨基酸，其功能不詳2。

合成方法生物合成：在生物體內(nèi)，DNA分子上的tRNA基因經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)錄生成tRNA前體，然后被加工成成熟的tRNA：

tRNA前體的加工包括：切除前體分子中兩端或內(nèi)部的多余核苷酸；形成tRNA成熟分子所具有的修飾核苷酸；如果前體分子3′端缺乏CCA順序，則需補(bǔ)加上CCA末端。加工過(guò)程都是在酶催化下進(jìn)行的。

人工合成：1981年，中國(guó)科學(xué)家王德寶等用化學(xué)和酶促合成相結(jié)合的方法首次全合成了酵母丙氨酸t(yī)RNA。它由76個(gè)核苷酸組成，其中包括天然分子中的全部修飾成分，產(chǎn)物具與天然分子相似的生物活性（見(jiàn)核糖核酸和核酸人工合成）。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

成玉林 - 副教授 - 重慶大學(xué)