全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第 22卷 第 2期
2010年 2月
Vol. 22, No. 2
Feb., 2010
文章编号 ：1004-0374(2010)02-0103-06
收稿日期：2009-07-28；修回日期：2009-08-21
基金项目：国家自然科学基金项目(30570380)
*通讯作者：Tel: 021-54921241; E-mail: edwang@sibs.
ac.cn
蛋白质合成中的核糖核酸蛋白质复合物
马晶晶，王恩多*
(中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所，分子生物学国家重点实验室，上海 200031)
摘 要：细胞中的 RNA和 RNA结合蛋白质(RNA-binding proteins, RBPs)相互作用形成核糖核酸蛋白质
(ribonucleoprotein, RNP)复合物。RNP复合物分布广泛，功能众多。蛋白质生物合成包括转录及其调
控、mRNA加工转运、tRNA传递、翻译及其调控等，是核酸编码的遗传信息流向活性蛋白质的过程。
多种 RNA分子参与这一过程，有的与对应的 RNA结合蛋白质形成 RNP复合物。RNP复合物的多样性
和重要功能在此得到了最好的体现。该文以其中起核心作用的RNA分子为主线，对蛋白质合成中的RNP
复合物进行了综述。
关键词：蛋白质合成；R N A；核糖核酸蛋白质复合物
中图分类号：Q 7 1；Q 5 2 2　　文献标识码：A
Ribonucleoprotein (RNP) complex in protein synthesis
MA Jing-jing, WANG En-duo*
(State Key Laboratory of Molecular Biology, Institute of Biochemistry and Cell Biology, Shanghai Institutes for
Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200031, China)
Abstract: In cells, RNA and the RNA-binding proteins (RBPs) interact with each other to form RNP complexes
which are wide-spread and multi-functional. Protein synthesis is a process in which the genetic code is trans-
ferred from nuclear acids to active proteins, consist of transcription and its regulation, mRNA processing and
transfer, tRNA transfer, and translation and its regulation. Various RNA molecules participate in this process,
some of which form the RNP complexes with cognate RNA-binding proteins. The diversity and functional
importance are fully demonstrated in the process of protein synthesis. Here, we summarize the RNP complexes
in protein synthesis according to the core RNA molecules.
Key words: protein synthesis; RNA; ribonucleoprotein (RNP) complex
细胞中的RNA和RNA结合蛋白质(RNA-bind-
ing proteins，RBPs)相互作用形成核糖核酸蛋白质
(ribonuc-leoprotein, RNP)复合物。RNP复合物存在于
蛋白质合成中的几乎任何地方， 行使着各种功能。
蛋白质合成包括转录、转录调控、mRNA的
加工转运、tRNA的传递、翻译及调控等，是非常
复杂的生理过程。原核生物的转录和翻译在生理上
是偶联的，在真核生物中，转录和翻译被隔离开
来，分别发生在细胞核与细胞质中，这就导致真核
生物对前体mRNA采取非常复杂的转录后加工，并
提供了更多的基因调控的手段。因此，在真核生物
中，mRNA与各种 RBP形成的mRNP所经历的事
件，是蛋白质合成中最为重要的部分之一。
构成 RNP的 RBP种类繁多，在哺乳动物中有
数千种。RBP影响RNA的结构和相互作用，在RNA
的生物合成、稳定性、功能、转运和细胞定位中
起到重要作用。RBP含有一个或多个结合结构域，
而后者更常见。某些被详细描述的RNA结合结构域
有：RNA结合结构域(RNA-binding domain，RBD)
·评述与综述 ·
104 生命科学 第22卷
[或者叫做RNP结构域和RNA识别模体(RNA recog-
nition motif，RRM)]、K同源(K-homology，KH)结
构域(一类和二类)、RGG(Arg-Gly-Gly)框、Sm
(small nuclear ribonucleoprotein)结构域、DEAD(Asp-
Glu-Ala-Asp)/ DEAH(Asp-Glu-Ala-His)框、锌指结
构、双链 RNA结合结构域(dsRBD)和冷休克结构域
等[1]。
蛋白质合成中参与形成 RNP的 RNA，既有小
分子的 RNA，如 tRNA、rRNA，也有大分子的
mRNA，且各mRNA的长度、序列和结构都非常具
有多样性，还有一种涉及蛋白质降解的特殊的
tmRNA。在与各种 RBP结合形成 RNP时，RNA大
都是主角，或是作为介导复合物结构形成的关键分
子，或是复合物中具有催化活性的部分，或是此
RNA分子的命运是 RNP复合物形成的原因。
1　mRNP的形成、加工和转运
mRNP复合物在染色体上形成，其中的RNA组
分先由 RNA聚合酶 II(RNA polymerase II，RNA pol
II)合成前体 -mRNA。前体 -mRNA一经合成，即和
蛋白质一起形成 RNP纤维，直径 5~10 nm[2-3]。如
果转录产物足够长，这种纤维也可能进一步组装成
小颗粒。
前体 -RNP复合物需经加工，包括加帽、剪接
和多聚腺苷酸化，而后成熟。这些过程招募大量的
蛋白质。与RNA相互作用的蛋白质主要是两类蛋白
质家族中的成员：核不均一 RNP(heterogeneous
nuclear RNP，hnRNP)[4]以及富含丝氨酸 -精氨酸
(serine-arginine-rich，SR)蛋白质[5]。加帽反应需要
3种蛋白质，而剪接需要超过 100种的蛋白质(形成
剪接体 spliceosome)，剪切或多聚腺苷酸化需要
5~10种蛋白质。近期的研究表明，这些蛋白质在
细胞内并不是单独行使功能，而是与转录机器有紧
密的相互作用，在一定程度上也彼此作用，如RNA
聚合酶 II也参与前体 -mRNA的加工。它的尾部区
域(the C-terminal domain，CTD) 将加帽、剪接以
及多聚腺苷酸化的各种蛋白质因子传输至mRNA上。
在前活化复合物中，当与启动子相关的蛋白质结合
时，CTD是去超磷酸化(hypophosphorylated)状态，在
活化的延伸状态下，CTD转为超磷酸化(hyperpho-
sphorylated)状态[6]。超磷酸化的 CTD的形状更为伸
展，这有助于和廷伸中的转录产物相互作用。此
外，转录机器能通过与转录起始和延伸因子的相互
作用将加工因子招募到前体 -mRNA上来。
剪接体是蛋白质合成过程中较先形成的 RNP。
它含有 U1、U2、U4、U5和 U6 snRNP及相当多
的蛋白质。RNA是剪接体催化核心的主要成分，这
一催化是以 RNA为基础的[7]。然而，建立起这样
一个有活性的 RNA网络需要有蛋白质的协助[8]。有
几种蛋白质可能是剪接体的核心：Prp8，它直接与
前体 -mRNA的 5 端剪接位点、分支点序列(branch-
point sequence，BPS)和 3 端剪接位点作用[9]；Prp19
和一组与其紧密结合的蛋白质(酵母中的 19复合物
(nineteen complex，NTC)或人中的 Prp19-CDC5复
合物)；SF3a和 SF3b复合物，它们接触前体mRNA的
BPS或BPS上游序列，稳定U2-BPS的相互作用[10-11]。
Bessonov等[12]在高盐的条件下纯化了哺乳动物
的剪接体。研究发现，当剪接体的活性位点形成
时，剪接体从B到 C复合物的转变中，其组成蛋白
质发生了很大的变化。SF3a和 SF3b在第一步催化
反应中是必需的，但后来却从剪接体上解离下来；
而 Prp19-CDC5及其相关蛋白质、U5蛋白质却保持
与U2、U5和U6 snRNA相结合。这很有可能就是
剪接体的 RNP核心构架。新近解析出了U1 snRNP
的晶体结构表明，组装在U2、U4和U5 snRNA上
的 Sm蛋白质环可能提供了蛋白质进一步组装的平
台，则可能揭示了 snRNP组装的通用规则[13]。
成熟的mRNA在蛋白质因子的介导下转运出细
胞核进入细胞质，也可以边转录边出核。关键的输
出因子是输出受体，如酵母中的Mex67∶Mtr2和
后生动物中的NXF(TAP)∶p15，它们帮助mRNP粒
子穿越核孔[14,15]。受体和转录的mRNP相偶联是通
过一种保守的转运复合物 TREX(transcription-couple
export，转录偶联出核)实现的。TREX由一个多亚
基的THO复合物(名字来源于THO2基因，Suppressors
of the Transcriptional defects of hpr1∆ by Overexpression)、
RNA解旋酶UAP56以及接头蛋白Aly/REF(在酵母中
后两者分别为 Sub2和Yra1)组成[16,17]。在细胞中还
有其他的mRNA输出途径，如后生动物中的 SR蛋
白质和酵母中的 SR类似蛋白质Npl3，可作为接头
蛋白质，已被人们深入研究。
有研究表明，新生的RNP复合物及其成熟是由
一种监控机器，即 RNA外切体(exosome)监控的[18]。
外切体是一种高度组织和调控的高分子机器，只含
有少数酶活性成分。它含有 3 到 5 的核酸外切酶，
阻滞并降解异常的mRNA，以保证只有正确加工的
转录产物被转运出核。近期的研究表明，外切体的
一种成分Rrp44(也叫做Dis3)也是一种活跃的核酸内
105第2期 马晶晶，等：蛋白质合成中的核糖核酸蛋白质复合物
切酶[19]。在细胞核外，外切体也参与翻译过程中发
现的异常的mRNA降解。
当mRNP复合物从基因上被释放后，在核质内
随机运动，最终与核孔复合物结合，穿过核孔，进
入细胞质。
越来越多的信息表明，基因表达中的众多步骤
紧密相联、相互调节。前文说到，RNA聚合酶 II
的转录是在与前体mRNP的加工及mRNP输出复合
物的形成等事件紧密联系在一起的，因此，正进行
的转录也可能和后续事件相联。那么转运系统则可
监测转录状态，并对mRNP的积累和需求变化产生
快速反应。2009年，Johnson等[20]发现，酿酒酵
母中的mRNP转运出接头蛋白质Yra1，与 Pcf11p
有着特异性的和直接的相互作用，Pcf11p是mRNA
3 末端剪接复合物的一个组分，也预备着转录的终
止。这为细胞内转录、mRNP形成和运输的广泛的
“沟通”提供了例证。
mRNP转运出核的过程是没有方向性的，它也
可能从细胞质重新回到核中，将它从其受体上解离
下来则可终止此步骤。原则上说，在mRNP到达
细胞质后使之发生改造(remodelling)，可以阻止它
逆向运动返回细胞核中。依赖ATP的RNA解旋酶，
如Dbp5，参与这一过程。Dbp5在核孔复合物的胞
质面有结合位点，属于含有DEAD-框蛋白质家族，
参与构成mRNP。最近的研究表明，Dbp5在转运
mRNA出核中是必需的，它比解旋酶似乎更起到
RNP“改造者(remodeller)”的作用[21]。受核孔蛋
白Gel-1调控，当mRNP转运至核孔的胞质一面后，
Dbp5取代靶蛋白和转运因子，同时防止mRNA滑
回核内。
2　小分子RNA的出核转运
在真核生物中，参与翻译的 tRNA 及核糖体
(ribosomal)(r)RNA，在出核转运时遵循相似的模
式，即出核因子 exportin参与的 Ran循环。
tR NA 的前体在核中合成，接下来被加工成
熟。成熟的 tRNA被运送至胞质内，但也有某些例
外，比如在胞质内发现 tRNA的加工酶，或者发现
成熟的 tRNA也可被运回细胞核内。
1998年人们发现一种蛋白质，是 tRNA出核的
受体，于是命名为 exportin-t[22]。它属于 importin-β
超家族。tRNA出核时，与 exportin-t、RanGTP结
合成 RNP复合物，转运出核，而后 RanGAP刺激
Ran上结合的GTP水解，使 tRNA从 exportin-t上释
放出来。Exprotin-5是该家族的另一种蛋白质，被
认为是一种辅助性的受体[23]。tRNA的出核很可能
还有其他通路。
主要在酿酒酵母中研究了核糖体的生物合成和
转运出核。rRNA前体在核中合成后，即与在胞质
中合成并转运进核的核糖体蛋白质组装。前体 60S
和前体 40S颗粒在核内组装完成。由不同的通路出
核，前体 60S颗粒的出核机制也在后生动物中得到
了阐明。此过程也是一个Ran参与的循环，以Crm1
为出核受体，Nmd3为其接头蛋白质。此 RNP转运
进细胞质后，RanGTP水解，Crm1从 Nmd3上解
离下来，然后Nmd3也在一个细胞质GTP酶的作用
下从60S亚基上解离下来，同时核糖体蛋白质Rpl10
装配到 60S亚基上[24]。60S亚基还可通过其他途径
出核，使它能更高效地出核。前体 40S亚基的出核
相对较简单，但也依赖于 Crm1p和 RanGTP酶系统
的作用，但不需要接头蛋白质。它很快穿过核质及
核孔复合物进入胞质中，然后进一步地成熟[25]。哺
乳动物细胞的核糖体亚基的出核也依赖 Crm1p和
R a nG TP 酶，但还需要其他分子[26 ]，如已发现，
Nucleophosmin (NPM)在核糖体大小亚基的出核中的
一个限速因子[27]。
3　翻译及调控
当mRNA从核内输出，帽结合蛋白质 20(cap-
binding protein 20，CBP20)起始了首先一轮的翻
译，然后CBP20-CBP80被细胞质内主要的帽结合蛋
白质，真核翻译起始因子 4E(eIF4E)取代，eIF4E招
募形成翻译起始复合物，这一复合物的招募促使蛋
白质的翻译和多聚核糖体的组装。新生的mRNA也
可能组装进运输颗粒，被运输到细胞质内的指定地
点后才开始翻译。
翻译调控提供了一种快速控制基因表达的机制，
它是由一系列的mRNA的RBP和小RNA(microRNA，
miRNA)形成的mRNP和miRNP复合物介导。这些
RNP调控手段通常有：影响转录产物的稳定性和定
位，影响翻译[28 ]。
mRNA的翻译结束后，在体细胞中，多聚核
糖体的解聚可能引发胁迫颗粒(s tr ess granules，
SGs)的形成，或者是P小体(processing bodies，PBs)
的形成。在有环境压力的情况下，mRNA结合一系
列的蛋白质形成 SG，翻译沉默。而 PB形成导致
mRNA被降解或翻译沉默，后生动物中，PB的形
成需要RNA诱导的沉默复合物(RNA-induced silenc-
106 生命科学 第22卷
ing complex，RISC)及mRNA降解机器[29]。
RISC引导位点特异的靶mRNA的降解。RISC
由人免疫性缺陷一类病毒( HIV- 1)反式活化应答
(trans–activating–response)RNA结合蛋白质Ago2和
miRNA组成，介导转录水平的基因沉默(transcriptional
gene silencing，TGS)。这种现象在植物、果蝇、
线虫和裂殖酵母(S.Pombe)中都存在。后来又发现，
在人细胞中注入合成的 siRNA也能导致 TGS的发
生[ 3 0 ]。
4　tRNA依赖的氨基酸修饰
某些物种以一条特殊的通路生成Asn-tRNAAsn或
Gln-tRNAGln：
tRNAAsn，可以防止在翻译过程中Asp-tRNAAsn错误
地掺入蛋白质。
除Asn外，Gln、Cys和硒代半胱氨酸(Selenocy-
steine，Sec) 也能由此依赖 tRNA的途径合成。在
真核细胞的胞质及小部分的细菌中，Gln-tRNAGln由
直接的通路合成，但在大部分的细菌、古菌及叶绿
体中，是由间接的转氨通路合成。细菌仅使用一种
异源三聚体的AdT，叫做GatCAB，而古菌使用的
是一种异源二聚体的AdT，叫做GatDE。最近发现
酵母的线粒体使用一种新的三聚体 A d T，称为
GatFAB，并且其胞质GluRS进入线粒体，在那里
行使非分辨的GluRS的功能，合成AdT的底物Glu-
tRNAGln[32]。在拟南芥(Arabidopsis thaliana)中，也
发现线粒体和叶绿体共同使用转运至其中的GatCAB
作为AdT[33]。
在某些古菌中，不存在半胱氨酸 -tRNA合成酶
(CysRS)，另外，它们中的一些也缺乏半胱氨酸生
物合成所需的酶类。所以也通过依赖 tRNA的非寻
常途径合成 Cys。合成 Cys-tRNACys的步骤如下：
O-磷酸丝氨酰 -tRNA合成酶(SepRS)将O-磷酸丝氨
酸(Sep)连接到 tRNACys上，然后由 Sep-tRNA:Cys-
tRNA合成酶将其修饰生成 Cys-tRNACys [34]。Sec比
较特殊，是发现的第二十一种掺入蛋白质的氨基
酸，它存在于三界生物中的很多物种中。到目前为
止，虽然存在 tRNASec，但还没有发现硒代半胱氨
酰 -tRNA合成酶(SecRS)。合成 Sec-tRNASec的第一
步是由丝氨酰 -tRNA合成酶(SerRS)将 Ser加载到
tRNASec上。在原核生物中，硒代半胱氨酸合成酶
(Selenocysteine synthase，SelA)将 Ser -tRNASec转化
成 Sec-tRNASec[35]。在古菌及真核生物中，O-磷酸
丝氨酰 -tRNA激酶磷酸化 Ser-tRNASec，然后此中间
体由 Sep-tRNA：Sec -tRNA合成酶修饰成为 Sec-
tRNASec[36]。
这些依赖 tRNA的氨基酰 -tRNA合成的过程中
都形成误氨基酰化中间体，为使反应高效进行，且
不发生蛋白质合成的误掺事件，有理由认为它们的
机制与Asn合成一致，即参与反应的酶由 tRNA介
导形成一个 RNP。
人们认为这种间接的合成Gln-tRNAGln和Asn-
tRNAAsn的通路比直接合成的通路更早进化出来，
而对应的直接通路中的GlnRS和AsnRS是在进化的
晚些时候才出现的。合成 Cys-tRNACys的直接和间
接通路在最后基本的共同祖先(last universal commu-
转氨基化在氨基-氨基酰tRNA(amide aminoacyl-
tRNAs)的合成中占统治地位，在绝大多数生物中，
包括大多数细菌、古菌和真核细胞器；但这种机制
引发了两个问题：如何防止误氨基酰化的氨基酰 -
tRNA中间体流入翻译体系；氨基酰 -tRNA的酯键
往往是很容易水解的，如何解决这种不稳定性。通
过氨基酰-tRNA的通道输送原理(tRNA channeling)将
误氨基酰化的中间体传递给转氨酶似乎可以解决这
些问题。
Kern等在 T.thermophilus中发现一种三聚体
RNP，含有非分辨的(nondiscr iminating，ND)-
AspRS二聚体、依赖tRNA的转氨酶(tRNA-dependent
amidotransferase，AdT)三聚体及 tRNAAsn，将之命
名为转氨体( transmidosome) [31]。在此复合物中，
tRNA介导了两种并无显著亲合力的蛋白质间的组
装，此 RNP以游离的 Asp和氨基供体为底物，将
Asp结合到 tRNA上，然后才将之转变为Asn。Asn-
tRNAAsn形成后，导致复合物解体。
该复合物有重要作用：首先，误氨基酰化的
Asp-tRNAAsn酯键很容易被水解，是不稳定的，它
被直接转运到 AdT上，无需先从 AspRS上解离下
来，可以稳定该中间体，因此复合物的形成可以提
高Asn-tRNAAsn的产量; 第二，转氨体截留了Asp-
107第2期 马晶晶，等：蛋白质合成中的核糖核酸蛋白质复合物
nal ancestor，LUCA)阶段都是存在的，而 Sec-
tRNASec在各界生物中都是间接合成的途径。尽管不
能一概而论地说间接合成的通路更古老，但它确有
在进化中保存下来的特征。例如，Sec和 Cys是非
常类似的氨基酸，而Sec-tRNASec的间接合成可以提
供一种与 Cys区分的方法[37]。
5　降解错误蛋白质产物的tmRNP
tmRNP由 tmRNA和一种小蛋白质 SmpB (small
protein B)组成。tmRNA也叫 10SRNA，兼有 tRNA
和mRNA的性质。其中的一个结构域叫做“tRNA-
类似结构域(transfer RNA-like domain，TLD)”，有
一个可接受丙氨酸的氨基酸接受茎和一个有修饰碱
基的 T 茎环，但是没有 D 茎环及反密码子茎环。
tmRNA的另一个结构域叫做“mRNA类似结构域
(mRNA- l ike domain，MLD)”，位于富含假结
(psedoknot)的区域，含有一个编码AANDENYALAA
的开放阅读框，下游即是一个常规的终止密码[38]。
现已清楚，当mRNA受损，原先合成的蛋白
质不能从核糖体上解离时，tmRNA占据停止翻译的
核糖体的 A 位点，然后该核糖体从原先残缺的
mRNA的 3 末端跳到或滑到MLD上，从一个被称
为“重新开始密码子(resume codon)”开始，沿
着 tmRNA的开放阅读框继续进行常规的翻译，直至
碰到MLD上的终止密码子，因此在原先翻译的错
误蛋白质的 C- 端带入一段蛋白水解酶进攻的标签
肽，使错误的蛋白质降解。这一过程称作“反式 -
翻译(trans-translation)”。细菌用此看上去繁杂的手
段降解那些由受损的mRNA翻译产生的蛋白质，或
者可能更重要的是，重新活化和回收核糖体，继续
进行其他蛋白质的翻译。在每一细菌细胞中都发现
有此重要功能[38]。
tmRNP的另一重要成分是 SmpB蛋白质[39]，它
与 tmRNA紧密结合，对维持 tmRNA的结构、稳
定性以及活性都是必需的。SmpB刺激 tmRNA的丙
氨酰化，并保护 Ala-tmRNA不被水解，同时也保
护 tmRNA在细胞内不被降解[39]。tmRNA与核糖体
小亚基结合及占据空的A位点都需要 SmpB[40]。最
近的研究发现，在“反式 -翻译”的过程中，SmpB
和 tmRNA以 1∶1的比例结合[41]，并发现，SmpB
修饰了核糖体30S亚基上的保守核酸A1492、A1493
和G530的构象，其 C-末端的尾部与G530相互作
用[42 ]。
6　小结与展望
RNP似乎参与细胞几乎所有的生命活动。我们
仅简单综述了蛋白质生物合成中的RNP。RNA与蛋
白质结合在一起行使功能的形式，似乎比蛋白质在
一起行使功能的形式要古老，比如在嗜热古细菌 T.
thermophilus中的转氨体是RNP，其结构由 tRNA维
持，它的蛋白质因子要靠 tRNA介导结合; 而高等真
核生物细胞质中的氨基酸 -tRNA合成酶复合物结构
却由三个蛋白质辅因子维持。tmRNP在细菌和真核
细胞中来源于细菌的细胞器中广泛分布，而在真核
生物胞质中，由于转录和翻译被隔开，mRNA经过
加工选择才进行翻译，否则 tmRNP无存在的必要，
且代替 tmRNP进行翻译质量控制的，多是与mRNA
作用的蛋白质因子。在进化过程中，由 RNA行使
的酶功能，渐渐被蛋白质所替代。蛋白质链的 22
种(包括 Sec和吡咯酪氨酸(pyrrolysine)Pyl[43])组成元
件，比核糖核酸的 4 种组成元件更能组成多种序
列，在蛋白质上进行的氨基酸残基修饰的种类，也
比在核酸上多得多。因此，似乎可以这样说，简
单、保守、准确的核酸，继续保留为遗传信息的
储存形式；而丰富多样的蛋白质，逐渐替代核酸，
成为细胞中生物学功能的主要行使者。
蛋白质生物合成体系中存在RNP，也使得“传
递系统(channeling system)”运转。各阶段的 RNP
通过其中的蛋白质传递，更加保证了蛋白质合成的
精确性。同时，各蛋白质因子之间相互作用，使
转录、加工、转运、翻译成为一个相互联系和通
讯的网络，使细胞对外界环境的反应更加有效和迅
速。
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