翻译忠实度和错误率

翻译忠实度是指核糖体将信使RNA序列准确地转化为正确氨基酸序列的精确程度。尽管平均错误率约为每几千个密码子出现一个错误，但通过多重选择和校对步骤实现了忠实度，其局限性影响着蛋白质质量和编码序列的演化。

Definition

翻译忠实度是指蛋白质合成在多大程度上整合了mRNA密码子序列所指定的氨基酸；错误率是指每翻译一个密码子时，错误氨基酸掺入（或其他错码事件）的频率。

Scope

本条目涵盖核糖体和氨酰-tRNA合成酶如何选择正确的底物，动力学校对如何减少错误，翻译错误的典型程度和类型，以及错译的生物学后果。它将翻译准确性视为一个分子生物学主题，不涉及临床决策。

Core questions

• 翻译的哪些步骤决定了准确性，错误是如何产生的？
• 核糖体如何区分同源和近同源氨酰-tRNA？
• 典型的错误率是多少，它是如何调节的？
• 错译对细胞和进化有什么影响？

Key concepts

• 密码子-反密码子解码
• 同源tRNA与近同源tRNA
• 初始选择和校对
• EF-Tu和GTP水解
• 氨酰-tRNA合成酶编辑
• 错读和移码
• 密码子使用和最优性

Key theories

动力学校对

通过在两个选择点之间插入一个不可逆步骤（EF-Tu上的GTP水解），准确性超越了简单的平衡判别，使核糖体有多次机会拒绝近同源tRNA。

错译作为编码序列进化的限制

由于翻译错误会产生具有适应性成本的错误折叠蛋白质，选择偏爱对错译具有鲁棒性的密码子和序列，从而将翻译准确性与全基因组的密码子使用模式联系起来。

Mechanisms

忠实度在两个主要阶段得到保障。氨酰-tRNA合成酶将正确的氨基酸连接到每个tRNA上，并通过编辑结构域对错误连接的产物进行校对。在解码过程中，核糖体小亚基的解码中心监测密码子-反密码子螺旋的几何结构；正确的碱基配对会触发构象变化，促进EF-Tu的水解GTP和tRNA的容纳，而近同源底物则更容易被拒绝。在初始选择和校对之间插入GTP水解提供了动力学校对，从而倍增了辨别能力。逃脱这些检查的错误包括氨基酸错掺、移码和通读。密码子使用和最优性进一步影响延伸速度和准确性。

Clinical relevance

氨基糖苷类抗生素部分通过结合解码中心并降低细菌的忠实度来发挥作用，翻译准确性的改变已在应激、衰老和某些疾病模型中得到研究。本材料作为背景生化知识呈现，并非诊断或治疗指导。

Evidence & guidelines

这里的机制理解基于核糖体的结构和生化研究，以及对错误率和密码子使用的定量分析，而非临床指南。

History

翻译具有高忠实度但易出错的认识可以追溯到20世纪60-70年代，当时引入了错掺测量和校对概念（Hopfield；Ninio）。2000年左右对细菌核糖体的结构研究，包括30S亚基结构，以原子分辨率揭示了解码中心，并解释了核糖体如何感知正确的碱基配对，这项工作为2009年诺贝尔化学奖的核糖体结构研究做出了贡献。

Debates

什么决定了翻译准确性的最佳水平？

更高的忠实度需要时间和能量，因此细胞似乎是调节准确性而不是最大化它；错译对序列进化的限制强度与其它力量相比，仍然是活跃建模和测量领域。

Key figures

• Venki Ramakrishnan
• Rachel Green
• Hani Zaher
• Marina Rodnina
• D. Allan Drummond

Seminal works

• zaher2009
• ramakrishnan2002
• carter2000
• drummond2008

Frequently asked questions

翻译的准确性如何？

氨基酸错掺通常以每几千个密码子一个错误的速率发生，尽管确切值因密码子、tRNA丰度和条件而异。核糖体通过底物选择和动力学校对实现这一点。

为什么错译很重要？

错误会产生错误折叠的蛋白质，给质量控制系统带来负担，错误折叠的适应性成本被认为会影响密码子使用。一些抗生素会故意降低细菌的翻译忠实度。