精氨酰-tRNA合成酶基因研究进展

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(内蒙古科技大学 生命科学与技术学院， 内蒙古 包头 014010)

基因表达的成功完成是由mRNA合成蛋白质时有效准确的翻译过程所决定的，这个过程是由核糖体催化的。 mRNA被翻译成蛋白质的保真度和遗传信息表达的准确性高度依赖于氨酰基tRNA合成酶(aaRS)对氨基酸tRNA的特异性附着。精氨酰tRNA合成酶(ArgRS)是第一类氨酰tRNA合成酶中较为特殊的一种，且多数不同来源的 ArgRS 缺乏保守的 KMSK 序列。ArgRS在蛋白质生物合成过程中发挥着重要功能，它催化tRNA氨酰化过程的高度专一性，是遗传信息能够从mRNA精确地传递到蛋白质的重要原因。它的3个作用物是ATP、L-arginineh和tRNA(Arg)，它的3个产物是AMP、二磷酸和L-Arginyl-tRNA[1]。这种酶属于连接酶家族，特殊之处在于它在氨酰tRNA和相关化合物中形成碳氧化合物。它的系统命名是L-精氨酸：tRNA精氨酸连接酶(AMP-形成)，其他广泛的名字有：精氨酰tRNA合成酶、精氨酰转移核糖核苷酸合成酶，精氨酰转移RNA合成酶，精氨酰转移核糖核酸酶，精氨酰tRNA合成酶和精氨酸tRNA合成酶。它参与精氨酸和脯氨酸的新陈代谢和氨酰生物合成。此外，在它的N末端含有一段叫作精氨酰tRNA合成酶N终止区域或者额外区1(ADD-1)的保守区域，这段区域大约含140个氨基酸残基，而且有研究表明它参与tRNA的识别。一般认为氨酰tRNA合成酶催化反应按两步反应进行[2]:

1) 氨基酸+ATP→ AMP-氨基酸+PPi

2) AMP-氨基酸+tRNA→氨基酞-Trna+AMP

精氨酰tRNA合成酶(ArgRS)的特殊之处是：它所催化的氨基酰化反应是由tRNA的参与一步进行的。ArgRS 对 L-Arg 的识别结构基础是由法国 Cavarelli 等以酵母ArgRS 与 L-Arg 形成的共晶所阐明的[3]。

1 不同生物体的精氨酰tRNA合成酶

1.1 微生物精氨酰tRNA合成酶

以大肠杆菌为例，大肠杆菌精氨酰tRNA合成酶是第一类氨酰tRNA合成酶，是一种由577个氨基酸残基组成、分子量为64.8 KD的单链酶，在大肠杆菌氨酰tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase,aaRS)中ArgRS与谷氨酰胺酰tRNA合成酶和谷氨酰tRNA合成酶具有独特性质，即都需要相应的tRNA才能进行它所催化的第一步氨基酸活化反应；在它的一级结构中没有发现KMSKS这个第一类aaRS的特征序列。目前对其研究较多的还是其结构和序列。针对其在大肠杆菌中的含量少的限制因素，黄意巍等[5]在ri-ani G.等克隆的高表达基因的基础上优化了表达条件，进一步使该基因表达提高，提高了550倍，为以后的研究打下基础。伍金富等[4]也通过对大肠杆菌精氨酰tRNA合成酶基因定点突变重组，重组过程中ArgRS第二位氨基酸残基由天冬酰胺变为天冬氨酸，产生了变种酶，利用该酶在体内积累的时间相对较短的特性，降低了其被宿主蛋白水解酶的水解，进而减少对宿主菌的毒性作用，达到利于分离、纯化变种酶的目的，证实了进一步研究ArgRS的结构和功能的可用ArgRS 2 ND代替ArgRS。大肠杆菌的三级结构表明，其精氨酸结合位点对精氨酸的类似物刀豆酸有较好的结合能力[6]。

1.2 植物精氨酰tRNA合成酶

目前酵母和大肠杆菌的精氨酸系统的研究已经完成。 然而，高等真核生物的酶的信息是有限的，并且植物氨酰基tRNA合成酶在这方面已经很大程度地被忽略。在植物中，蛋白质合成发生在3个不同细胞间隔：细胞质，线粒体和叶绿体。所有氨酰-tRNA合成酶的编码都在核基因组中，并且在拟南芥中已经显示有双重靶向发生[7]。就植物精氨酰tRNA合成酶而言，苔藓、小立碗藓，具有单一的精氨酰tRNA合成酶基因，其产物包括85个氨基酸的前导物。在植物中，精氨酰-tRNA合成酶和脯氨酰-tRNA合成酶是仅有的两种特殊的酶，他们的细胞器靶向性是由密切相关的胞质酶通过推定的基因复制过程，然后获取信号结构[8]。因此，在催化过程中，单一的精氨酰-tRNA合成酶不仅必须识别核编码的同源tRNA，而且还必须认识到原核生物体编码的tRNA，并且在一些植物中必须识别不同的线粒体编码的tRNAArg异构体。目前，在植物中，除了其与对应tRNA的个性元件互相作用的研究外，关于植物氨酰tRNA合成酶的酶学结构的详细知识仍然匮乏。

1.3 动物精氨酰tRNA合成酶

作为AARS之一的精氨酰-tRNA合成酶(ArgRS)由大鼠中的Rars基因编码。研究表明，在大鼠的动脉闭塞(MCAO)模型中可以观察到ArgRS表达水平的升高[9]。在哺乳动物细胞内有两种形式的胞质精氨酰-tRNA 合成酶 ArgRS，一种与氨基酰-tRNA 合成酶(aaRS)复合物的形成有关，另外一种是游离形式的 ArgRS ，命名为 ΔNArgRS，参与复合物形成的 ArgRS 命名为 cArgRS，且在其 N 端有 72 个氨基酸的延伸肽段是多余的, 且N-端 72 个氨基酸残基对酶的催化活性没有贡献。研究表明，复合物对于细胞的存活和分化不是必需的[9]。同时研究发现，通过抑制精氨酰-tRNA合成酶基因的表达也可增加动物对缺氧缺血海景的耐受[10]。

2 精氨酰tRNA合成酶基因表达的遗传调控研究

2.1 启动子特异性

精氨酰tRNA合成酶基因的调控是从启动子开始的。启动子是RNApol和基本转录因子的结合区域，他们共同组装成转录前起始复合物，其中一些基因家族成员的表达是器官特异性的，有一些缺乏特异性[11]。因为基因的特异性转录是由酶与启动子是否能有效地形成二元复合物所决定，故转录起始过程中的首要问题是RNA聚合酶如何有效地找到启动子并与之结合。实验证明， 许多RNA聚合酶与启动子相结合的速率比布朗运动的随机碰撞高。针对这些基因的启动子的大量研究对确定特异性表达式的位置有重要意义，但实际情况较为复杂[12]。

2.2 转录水平

转录是精氨酰tRNA合成酶基因表达的必要条件。研究表明，抑制氨酰基-tRNA合成酶基因可导致细胞生物学行为发生变化，如ATP消耗减少等，主要原因是抑制氨酰基-tRNA基因转录可减少能量消耗。作为氨酰基-tRNA合成酶之一的精氨酰tRNA合成酶基因的转录受到抑制也可改变细胞的生物学行为。临床研究显示，基因转录受到抑制后导致能量消耗急剧下降，这是在长期缺氧环境下存活的的生物，如冬眠动物生存的一种行之有效的内在机制。从转录水平来看，减少氧耗降低新陈代谢对生物适应低氧环境有重要意义。此外，有研究表明，缺血预处理对视网膜细胞的保护作用与缺血预处理后参与氨基酸代谢和转运过程的氨基酰-tRNA合成酶和基因转录减少有关，继而证明氨基酰-tRNA合成酶基因转录受到抑制和功能降低是保护视网膜细胞的一种有效机制[13]。

2.3 翻译水平

在哺乳动物中含有2种形式的精氨酰-tRNA合成酶，研究表明，这2种形式的酶是由同一条mRNA通过不同的翻译起始得到的。真核生物普遍存在的现象，是由同一条 mRNA 选择不同的翻译起始位点，翻译得到2条或2条以上翻译产物[14]。对于精氨酰-tRNA合成酶，研究结果证实，就是通过“漏筛”和“再起始”2种机制翻译得到的。精氨酰-tRNA合成酶除了在蛋白质合成中的重要作用外，还是三向细胞连接处的关键中间体，一方面是针对蛋白质生物合成，同时它也是泛素介导的通过N端规则途径的蛋白质降解和蛋白质的翻译后精氨化作用所必需的，故对其的研究是至关重要的[15]。

tRNAArg是 ArgRS 的作用底物， tRNAArg与精氨酰tRNA合成酶之间的准确识别是由个性元件决定的。在细菌tRNA中，主要的精氨酸决定簇限于两三个核苷酸不同区域。反密码子中的C 35和GU 36以及D环中高度保守的A 20。虽然在D环没有主要的精氨酸决定簇，但tRNAIGG的识别在某种程度上依赖于位置20的核苷酸。

3 精氨酰tRNA合成酶基因在其他方面的研究

精氨酰tRNA合成酶作为参与蛋白质合成的重要酶，对其研究也是热点。对其反应过程的动力学分析表明，ArgRS的特殊动力学特征是tRNAArg对ATP-PPi交换反应的要求。由于类似于tRNA的要求，以前已将Arg RS与谷氨酰-tRNA合成酶一起分类为亚类Ic。然而，如果强调结构性质，则将其与用于中性氨基酸的氨酰-tRNA合成酶一起置于亚类Ia中。许多关于Arg RS的动力学研究已经使用双底物动力学来解决3种底物的结合顺序，特别是是否需要 tRNA以形成精氨酸或ATP的正确结合位点。此外，对其研究也表明在没有PPi和AMP的情况下，速率限制不会发生在一个单一步骤中，而是分为4个步骤[16]。自然条件下，在低浓度的PPi和AMP存在下，速率限制发生在总反应的后期步骤。

精氨酸系统也是种间差异明显的一个例子，tRNA的种间氨基酰化的研究已经得出结论，真核氨酰-tRNA合成酶常常能够利用大肠杆菌tRNA作为底物，这对于后续精氨酰tRNA合成酶的研究有重要意义。

实际应用方面，刀豆氨酸与精氨酸的分子结构仅仅是一个氧原子的差别，故它代替精氨酸作为 ArgRS 的一个底物，被催化连接到 tRNAArg上从而参与蛋白质合成过程 。刀豆氨酸可掺入新合成的蛋白质里，导致蛋白质构象改变和功能丧失，从而产生细胞毒性[16]。在关于刀豆氨酸对大肠杆菌、酵母和人胞质精氨酰-tRNA合成酶的抑制动力学中，发现刀豆氨酸对细菌精氨酰-tRNA合成酶的抑制作用要远远强于对人的抑制作用[1]，可被进一步作为抗菌药物开发。

4 展 望

精氨酰-tRNA 合成酶(ArgRS)催化生成蛋白质在核糖体上合成蛋白质的原料，即精氨基酰-tRNA，来精确地识别对应的氨基酸和 tRNA，确保了蛋白质生物合成的高度忠实性[17]，在蛋白质合成中起着至关重要的作用。作为三向细胞连接处的关键中间体，精氨基酰-tRNA 合成酶不仅针对蛋白质生物合成，也在泛素介导的通过N端规则途径的蛋白质降解和蛋白质的翻译后精氨化作用起着必要作用，是生物体内蛋白质合成不可或缺的酶。目前对其研究多在细菌等原核生物中，古细菌中对氨基酰-tRNA 合成酶与核糖体的相互作用也做了初步分析，在动物方面也有部分研究，但在植物中鲜有报道。以前的研究提出了tRNA氨基酰化和高分子量细胞复合物如细胞骨架或核糖体之间的联系。然而，这些相互作用的结构基础和潜在的机制尚不清楚。因此，从该基因的基础功能入手，探索其在植物体中发挥的重要功能及内在机理，对今后的研究有重要意义。

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