【原】转运RNA与氨酰tRNA合成酶

翻译比转录复杂。转录是信息的简单复制，底物和产物都是核酸，编码规则（碱基互补配对）并未发生改变。翻译却需要把四种碱基的组合变成20种氨基酸的组合，相当于换了一种语言，是真正的“翻译”。

编码方式的转换要靠tRNA，它把mRNA中的密码与相应的氨基酸衔接起来，俗称为“接头”（adapter）。tRNA结构非常保守，但线粒体tRNA经常有些“残缺”。

tRNA的结构与线粒体tRNA。Biomolecules. 2017 Apr 4;7(2):35.

氨基酸与tRNA的连接分为两个步骤。首先是氨基酸和ATP缩合形成氨基酸与腺苷酸的混合酸酐中间体，然后中间体非共价结合至活性位点。第二步是氨酰基转移反应，氨基酸被酯化到tRNA的3'末端。

氨酰tRNA合成酶（ARS）分为两类，每类各10种。两类之间在结构和功能上都有差别，例如I类酶在tRNA的2'-OH上氨基酰化，而II类酶通常在3'-OH上氨基酰化。

氨酰化反应和两类氨酰基-tRNA合成酶。J Biol Chem. 2019 Apr 5;294(14): 5365-5385.

tRNA与氨基酸的对应是由氨酰tRNA合成酶决定的，它需要正确识别底物氨基酸和相应tRNA。常有一些结构类似的氨基酸，普通的酶是无法精细区分的，如Ile / Val，Thr / Ser等。所以ARS必须具有更强的识别能力，以防止错误氨酰化。

有一个“双筛”模型可以对此做出解释：首先是“粗筛”，阻止过大的和化学性质不同的氨基酸与酶结合。然后再进行一轮“细筛”，使过小的氨基酸进入第二个活性位点而被除去，称为“编辑”（editing）。

编辑都发生在生成混合酸酐中间体之后，但具体又可分为转移前编辑和转移后编辑。前者发生在氨基酸与tRNA连接之前，通过腺苷酸水解来实现；后者则通过脱酰基反应进行水解。

ARS-tRNA复合物，突出显示其相互作用位点。Nucleic Acids Res. 1998 Nov 15; 26(22): 5017–5035.

编辑功能异常通常会导致疾病。但已发现某些寄生虫通过减少编辑来提高翻译过程中的随机突变，以增加抗原多样性，逃避宿主免疫反应，如某些支原体和微孢子虫。

ARS对tRNA的识别是通过多个位点进行的，而不是仅靠反密码子。不同的酶识别的具体部位不同，比如半胱氨酸的ARS（CysRS）识别反密码子环和第73位碱基，SerRS识别73位碱基和氨基酸臂。

识别同义密码子的几个tRNA称为同工tRNA。所以大多数ARS必须能够识别几个同工tRNA的共有结构。

大肠杆菌各种ARS识别tRNA的位点。引自百度图片

某些tRNA的修饰也与其识别相关。例如，大肠杆菌中某些亮氨酸tRNA的有效氨酰化取决于i6A37修饰。在此途径有缺陷的细胞中，RNA聚合酶σS（rpoS）的翻译受到干扰，因其无法有效地解码相应密码子。

一旦氨酰tRNA从酶中放出，其去向就由反密码子决定了，核糖体并不会核查其氨基酸是否正确。所以如果某种tRNA的反密码子突变通常会导致不利的后果，但在某些特殊情况下可以起到校正突变的作用。

tRNA的校正突变挽救无义突变。引自百度图片

在基因工程中，可以利用类似机制，将特殊的非天然氨基酸（UAA）掺入蛋白质中。借助于非内源性ARS / tRNA对（正交对），现已成功将200多种UAA掺入重组蛋白中。

通过扩展遗传密码将非天然氨基酸掺入蛋白质。Acc Chem Res. 2017 Nov 21; 50(11): 2767–2775.

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