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科学 / reading-frame

阅读框

阅读框规定了蛋白质合成时如何将核苷酸序列划分为连续的三碱基密码子。

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核苷酸密码子翻译（生物学）信使RNA蛋白质DNA核糖体转运RNA阅读框

阅读框是将核苷酸序列划分为连续、互不重叠的三联体的一种方式，这些三联体称为密码子。在翻译（生物学）过程中，这种分组方式决定了如何解读信使RNA中的信息，以生成蛋白质。由于每个密码子含有三个核苷酸，沿给定方向读取一条序列时，根据第一个三联体从哪个核苷酸开始，可以有三种阅读框。阅读框规定的是碱基的分组方式；仅凭阅读框本身，并不能确定该序列会被翻译。(ncbi.nlm.nih.gov)

三种阅读框与六框分析

翻译沿RNA的5′至3′方向进行。将起始位置移动一个或两个核苷酸，会改变密码子的边界，从而改变对序列的解读。以下示例RNA序列可以按三种方式分组：

序列：  5′-AUGAAACCUUGA-3′

阅读框1：   AUG | AAA | CCU | UGA
阅读框2：    UGA | AAC | CUU | GA
阅读框3：     GAA | ACC | UUG | A

右端不完整的分组并不是完整的密码子。这个例子展示的是不同的分组方式，并不意味着必然会发生三次不同的翻译。(ncbi.nlm.nih.gov)

对于双链脱氧核糖核酸，序列分析可以考察每条链上的三种阅读框，合计得到六种可能的阅读框。另一条链必须用所示序列的反向互补序列表示，并沿其自身的5′至3′方向读取，而不是简单地倒着读取所显示的序列。通常，所示链上的阅读框标为+1、+2和+3，反向互补链上的阅读框标为−1、−2和−3。这些标记描述的是序列分析中的坐标关系，并不意味着一定会生成六种蛋白质。(ncbi.nlm.nih.gov)

翻译过程中阅读框的建立与维持

核糖体在选定的起始密码子处启动翻译时，确立生物学上的阅读框；这一密码子通常是AUG。起始转运RNA与该密码子配对，使信使RNA就位，以便进行后续解码。翻译起始取决于周围的信号和翻译机制；序列中某处存在AUG，并不自动意味着那里就是翻译起始位点。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)

在延伸过程中，核糖体通常每次前进一个密码子。信使RNA、转运RNA、核糖体组分和延伸因子之间的协调相互作用，维持着这种三核苷酸的分组对齐方式。维持阅读框与正确识别单个密码子是两回事：解码错误可能导致插入错误的氨基酸，但不改变后续密码子的边界。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)

阅读框与开放阅读框

开放阅读框（ORF）是某一阅读框内不含内部终止密码子的一段序列。在许多基因识别规则中，ORF从候选起始密码子延伸至同一阅读框内的终止密码子。另一些规则则识别两个终止密码子之间没有其他终止密码子的连续区段，其中也包括起始位点尚不明确的序列。所选用的遗传密码以及允许作为起始密码子的种类，都会影响哪些ORF被识别出来。(ncbi.nlm.nih.gov)

因此，阅读框是一种分组规则，而ORF是在这种分组方式下具有明确边界的候选序列。一个阅读框内可以包含多个彼此分开的ORF。ORF也不等同于已确认的蛋白质编码基因：序列分析程序识别的是潜在的编码区段，要解释这些区段的生物学意义，还需要其他证据。(ncbi.nlm.nih.gov)

移码突变

当插入或缺失使被翻译的编码序列长度发生变化，且变化的核苷酸数不是三的整数倍时，就会发生移码突变。这会改变受影响位置下游的碱基分组方式。由此产生的密码子可能指定不同的氨基酸，也可能引入终止信号，从而改变蛋白质产物。(genome.gov)

插入或缺失三个核苷酸，或三的整数倍个核苷酸，会保留下游的阅读框，这类变化称为框内插入或缺失。尽管如此，它仍可能显著改变蛋白质。阅读框是否保持不变，关注的是密码子的对齐方式，而不是突变在功能上是否无害。(genome.gov)

第二次具有补偿作用的插入或缺失，可以恢复下游原有的分组对齐方式。即便如此，两次变化之间的序列仍可能编码不同的氨基酸，因此恢复阅读框并不一定能恢复原来的蛋白质序列。(digirepo.nlm.nih.gov)

程序性阅读框改变

并非所有阅读框变化都源于DNA突变。在程序性核糖体移码中，RNA中的信号会使一部分正在进行翻译的核糖体转入另一个阅读框。相对于正常推进过程，−1移码使解码的对齐位置向RNA的5′端移动一个核苷酸；+1移码则使其向3′端移动一个核苷酸。RNA序列本身不必发生变化。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)

这类机制存在于病毒和细胞生物中。它们可以产生不同的蛋白质产物，并调节这些产物的相对生成量。许多−1移码信号由两部分共同组成：一段允许转运RNA重新对齐的序列，以及一个影响核糖体移动的下游RNA结构。这些受调控的事件不同于偶然发生的阅读框维持失败。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)

历史意义与应用

阅读框分析帮助确立了遗传密码的三联体组织方式。在1961年12月30日发表的一篇论文中，弗朗西斯·克里克、莱斯利·巴尼特、西德尼·布伦纳和理查德·瓦茨-托宾报告了以T4噬菌体为对象的实验。突变及其抑制所呈现的规律，支持了遗传密码从固定起点开始、以三个碱基为一组读取的观点：某些破坏阅读框的变化单独发生时无法恢复基因功能，但组合起来却能恢复。(digirepo.nlm.nih.gov)

在序列分析中，识别阅读框和ORF有助于定位候选编码区，将核苷酸序列翻译成预测的蛋白质，并研究可能破坏阅读框的变化。NCBI ORFfinder等工具会报告候选ORF的坐标及其翻译产物，结果取决于最小长度、遗传密码和起始密码子判定标准等参数。这类预测指出的是可能性，并不能证明所报告的每个区段都会表达为蛋白质。(ncbi.nlm.nih.gov)

参考来源

  1. From RNA to Protein - Molecular Biology of the Cellncbi.nlm.nih.gov
  2. Frameshift Mutationgenome.gov
  3. ORFfinder Home - NCBIncbi.nlm.nih.gov
  4. Programmed translational frameshiftingpubmed.ncbi.nlm.nih.gov
  5. Mechanisms and implications of programmed translational frameshiftingpmc.ncbi.nlm.nih.gov
  6. Mechanisms and biomedical implications of –1 programmed ribosome frameshifting on viral and bacterial mRNAspmc.ncbi.nlm.nih.gov
  7. General Nature of the Genetic Code for Proteinsdigirepo.nlm.nih.gov