信使RNA（mRNA）是一类核糖核酸，作为合成蛋白质的模板。在细胞中，它通过转录由脱氧核糖核酸生成，并将蛋白质编码基因中储存的信息传递给核糖体。核糖体在翻译过程中读取其序列，将氨基酸组装成蛋白质链。DNA通常用于长期储存遗传信息，而mRNA则是一份工作副本，其生成、使用和降解均可受到调控。(genome.gov)
分子结构
mRNA分子由核苷酸连接成链构成，核苷酸含有核糖、磷酸基团以及四种主要碱基之一：腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶。因此，RNA与DNA在化学组成上有所不同：DNA含有脱氧核糖，通常以胸腺嘧啶代替尿嘧啶。尽管mRNA通常为单链，其互补区域之间仍可通过碱基配对形成局部折叠结构。(genome.gov)
蛋白质编码区以连续的三个核苷酸为单位被读取，这些单位称为密码子。按照遗传密码，大多数密码子指定一种氨基酸，而终止密码子则发出结束蛋白质合成的信号。主要编码区以外的序列称为非翻译区，简称UTR，它们参与调控翻译和RNA稳定性，而不直接指定主要蛋白质的序列。(ncbi.nlm.nih.gov)
在真核生物中，大多数由核基因组编码的成熟mRNA具有含修饰鸟嘌呤的5′端帽结构，并在3′端带有多聚腺苷酸尾，即poly(A)尾。这些结构影响翻译、稳定性和转运。尾部是在RNA加工过程中添加的，而不是直接从DNA上相应的一段序列复制而来。一些mRNA，包括动物中复制依赖型组蛋白的mRNA，并不具有通常的poly(A)尾。(ncbi.nlm.nih.gov)
转录与成熟
转录产生与DNA其中一条链互补的RNA序列。在真核生物中，新合成的前体，即前体mRNA（pre-mRNA），通常需要经过多个加工步骤，才能作为成熟的信使分子发挥作用。这些步骤包括加帽、3′端切割、多聚腺苷酸化以及去除间隔序列。加工在细胞核内进行，可发生于转录过程中或转录之后。(genome.gov)
在RNA剪接过程中，内含子被去除，保留下来的片段，即外显子，则连接在一起。对于大多数细胞核内的前体mRNA，这一反应由剪接体完成，剪接体是由小RNA和蛋白质组成的复合物。可变剪接使不同的外显子组合能够进入成熟转录本，因此单个基因可以产生多种mRNA形式，并可能产生不同的蛋白质。(ncbi.nlm.nih.gov)
加工后的mRNA从细胞核输出至细胞质，随后在那里进行翻译。这种空间上的分隔，使真核生物核基因的表达有别于细菌中的基因表达，因为细菌没有膜包围的细胞核。在细菌中，mRNA尚未完成转录时，核糖体就可以开始对其进行翻译。细菌mRNA通常还包含多个可独立翻译的编码区，而大多数真核生物mRNA只有一个主要的蛋白质编码区。(ncbi.nlm.nih.gov)
在蛋白质合成中的作用
翻译包括起始、延伸和终止三个阶段。在真核生物常见的帽依赖性翻译途径中，起始因子识别mRNA并招募核糖体小亚基。小亚基沿mRNA扫描，寻找合适的起始密码子，通常为AUG；随后大亚基加入，形成执行翻译的核糖体。起始密码子周围的序列会影响起始位点的选择。(ncbi.nlm.nih.gov)
在延伸过程中，转运RNA分子依次与密码子配对，并递送相应的氨基酸。核糖体沿mRNA的5′至3′方向移动，将这些氨基酸连接成不断延长的链。遇到终止密码子时，释放因子促使合成完成的链释放。多个核糖体可以同时翻译同一条mRNA，形成多聚核糖体；因此，一条mRNA并不一定在生成一个蛋白质后就被消耗掉。(ncbi.nlm.nih.gov)
调控与周转
mRNA的丰度由其生成速率和降解速率共同决定。它对蛋白质产量的贡献，还取决于核糖体翻译它的效率。因此，两种不同mRNA即使含量相同，也未必产生等量的蛋白质。RNA结合蛋白和调控序列可以改变翻译、定位和稳定性，从而在转录完成后继续调控基因表达。(ncbi.nlm.nih.gov)
真核生物中一种常见的mRNA降解途径始于poly(A)尾缩短，随后帽结构被去除，RNA再被酶分解。不同mRNA经历这些过程的速率各不相同。其他途径则监测翻译过程，并清除有缺陷的转录本，包括某些含有提前出现的终止密码子的转录本。这类质量控制机制限制了不完整或异常蛋白质的生成。(ncbi.nlm.nih.gov)
发现与工程化应用
信使RNA的实验证据于1961年出现。悉尼·布伦纳、弗朗索瓦·雅各布和马修·梅塞尔森研究了受噬菌体感染的细菌，并发现新合成的RNA会与原已存在的核糖体结合。他们的研究支持这样一种观点：细胞中存在暂时性的遗传信息中间体，而不是每合成一种蛋白质都需要另外制造一种新的核糖体。这篇具有里程碑意义的论文于1961年5月13日发表于《自然》。(nature.com)
经过工程化设计的mRNA可以在细胞外制备，再递送至细胞内，以指导蛋白质的生成。在mRNA疫苗中，其编码的蛋白质作为抗原，可被免疫系统识别。脂质纳米颗粒为RNA提供递送系统。对修饰核苷和递送方法的研究，推动了针对新冠肺炎的mRNA疫苗的研发。2023年诺贝尔生理学或医学奖授予卡塔琳·考里科和德鲁·魏斯曼，以表彰他们在核苷碱基修饰方面的发现，这些发现使针对该疾病的有效mRNA疫苗得以开发。(nobelprize.org)