tRNA(transfer RNA)简称转运RNA,顾名思义,它的功能之一就是发挥搬运功能(之所以说成“之一”是因为tRNA还有别的生物学功能,此处不做详细的介绍)。

在高中学生物时,老师课堂上讲到,细胞中有20种的tRNA也是可以说的通的,因为蛋白质翻译过程中需要有20种氨基酸,那么这20种氨基酸也就需要20种tRNA来搬运。

如果我们抛开中学教科书的限制,事实上,细胞中的tRNA种类不止20种。首先,我们先来认识一下tRNA是何方神圣,为什么称它为神圣呢,因为它有三“头”八“臂”啊,哈哈哈,允许楼主这么形容它吧。看官如若不信,请往下看,tRNA本身有一级、二级和三级结构。一级结构就是它本身的核苷酸序列,长度在76-93个核苷酸之间,二级结构为三叶草的形状, tRNA的三级结构,也就是它的空间立体结构,是由二级结构进一步折叠成的“L”型,如下图所示。

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tRNA的二级结构和三级结构

好了,接下来,我们对tRNA的二级结构图放大,进一步了解它的结构特点,如下图所示。前面我们提到tRNA具有三“头”八“臂”,三“头”其实是指它3’端的-CCA,这个位置是氨基酸的结合位点,八“臂”其实是指它结构中的四个茎、三个环和一个可变区(对应英文中的stem、loop和variable loop),三个环分别为D环(D loop)、反密码子环(Anticodon loop)、TΨC环(TΨC loop),四个茎分别为接受茎(Acceptor stem)、D茎(D stem)、反密码子茎(Anticodon stem)和TΨC茎(TΨC stem),一个可变区是指位于反密码子茎和TΨC茎之间的部分。

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tRNA二级结构

在Anticodon loop中间,也就是34、35和36这三个位点(如上图红色数字所示),为反密码子(Anticodon),三者的作用是通过反密码子-密码子相互作用,在核糖体上(Ribosome),识别信使RNA(message RNA, mRNA)上的密码子(Codon),从而将具有遗传意义的核苷酸序列翻译成蛋白质中的氨基酸序列。这个翻译的过程如下图所示(答主的作图能力也就这样了,各位看官将就着看吧,如果大家有更好的建议,答主定虚心请教学习)。图中所示的tRNA的反密码子为CUG(为便于描述,核苷酸序列为5’到3’,下同),它能够识别mRNA上的CAG,也就是谷氨酰胺(Glutamine,Gln,下同)的密码子,因而在它的3’端携带了Gln。

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蛋白质翻译

简单聊了tRNA的结构后,接下来我们再聊一聊密码子。现在,我们知道不同生物的密码子基本相同,也就是共用一套密码子,共计64种。在这64种密码子里,有三种密码子是用来参与终止蛋白质翻译的,也就是没有对应的氨基酸的,这三种密码子叫作终止密码子,分别为UAA、UAG和UGA。剩余的61种对应的20种氨基酸,我们暂且把这61个密码子称为有义密码子。那么,这时候我们发现,除了甲硫氨酸(Met)和色氨酸(Trp)外,一种氨基酸可以有多种密码子,也就是密码子的简并性,如下图所示(最上面一行黑色字母是指密码子,中间一行紫色字母如Ala是指丙氨基酸英文单词的前三个字母,最下面一行紫色字母如A是指丙种氨基酸的英文缩写)。

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密码子表

理论上,每种有义密码子都应该有对应的tRNA,这里还以Ala为例,Ala有4种密码子,分别为GCA、GCC、GCG和GCU,应该有4种tRNA与之对应,而实际上,我们从现有的GtRNAdb(http://gtrnadb.ucsc.edu/)里发现, 只有3种tRNA,分别识别GCA、GCG和GCU,而GCC没有对应的tRNA。那么,如果在mRNA上出现了GCC时,是不是就没有tRNA能够识别它呢?答案是否定的。早在1966年,英国生物学家Crick就提出了摇摆假说(Wobble hypothesis),按照该假说,反密码子中的次黄嘌呤(I)可以与密码子上的碱基A或C或U配对,具体如下图所示(为了保证原汁原味,答主就将文献里的图抠下来直接用了)。

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碱基摇摆理论

在这里,需要给大家引入两个概念,分别为tRNA isoacceptors和tRNA isodecoders。tRNA isoacceptors是指包括反密码子在内序列不同,但是能够转运相同氨基酸的tRNA;tRNA isodecoders是指具有相同的反密码子但其他序列不同的tRNA。干巴巴的文字看起来太过无趣且费解,还是给大家呈现图片以便于了解,这里还是以Ala-tRNA为例,具体如下图所示。

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tRNA isodecoders 和 isoacceptors

前面我们提到,Ala有3种tRNA,如上图Isoacceptor families一行所示,它们的反密码子分别为AGC、CGC、UGC;然后呢,在每一种tRNA下面,又有多条tRNA,比如反密码子为AGC的tRNA就有26条,那么这26条tRNA就称为isodecoder,另外两种反密码子为CGC和UGC的tRNA分别有5和8条tRNA。对于Ala来说,就有共计39条tRNA。其实,在人类基因组中,有将近450个tRNA基因,分布在49个Isoacceptor families中,编码超过270条的tRNA isodecoders。

其实高等生物细胞里面存在两套tRNA系统,一套是细胞质里面的,另一套是线粒体里面的。为便于区分,我们把细胞质里的tRNA简称为ctRNA(Cytoplasmic tRNA,ctRNA),线粒体tRNA简称为(Mitochondrial RNA,mtRNA)。在这里,我们以人为例。线粒体作为真核细胞特有的重要双层膜结构细胞器,它能够产生ATP,从而为细胞各项生理功能提供大量的能量。而线粒体作为半自主细胞器,它拥有自身的遗传物质。线粒体DNA(Mitochondrial DNA,mtDNA)是一条环状的双链DNA,含有37个基因,负责编码2个rRNA(ribosomal RNA,rRNA)、多肽及22个mtRNA。mtRNA是mtDNA的重要组成部分,从而能够使线粒体拥有独立合成蛋白质的功能。

其实mtRNA在结构上也有别于ctRNA。一般而言,mtRNA要比ctRNA短小,mtRNA长度为59-75个的核苷酸,而ctRNA长度为76-93个的核苷酸。这里我们举个例子,比如下图左、右分别为mtRNA-Ser和mtRNA-Lys,这些tRNA的stem和loop更小,有的甚至是缺失的。

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mtRNA结构示意图

文章开头已经提到,tRNA的功能之一就是发挥转运氨基酸的功能,这些tRNA isodecoders并不都是用来参与蛋白质翻译的,有些在生物体内发挥着重要的生理调节功能,后面有机会的话,再和大家探讨一下这方面的内容。

下面附上文中参考的文献

1、J Mol Biol. 1966 Aug;19(2):548-55.

2、J Mol Biol. 2010 Feb 26;396(3):821-31.

3、Nat Rev Mol Cell Biol. 2018 Jan;19(1):45-58.

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