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1、RNA的空间结构和功能 第二节 RNA 是 DNA的转录产物。 编码RNA：核苷酸序列可以翻译成蛋白质 非编码RNA：不编码蛋白质 组成性非编码RNA: 确保实现基本生物学功能，丰度基本恒定 调控性非编码RNA: 具有调控基因表达的作用，其丰度随外界环境和 细胞性状发生改变 RNA 编码编码RNA非编码非编码RNA mRNA 组成性非编码组成性非编码RNA调控性非编码调控性非编码RNA tRNA rRNA snRNA snoRNA scRNA lncRNA miRNA circRNA siRNA piRNA 一、mRNA是蛋白质合成的模板 信使RNA (messenger RNA, mRNA)
2、：蛋白质生物合成的模 板 仅占细胞RNA总重量的25 约有105个不同种类 大小、丰度和稳定性差异巨大。 真核生物mRNA比原核生物mRNA更复杂。 (一) 真核细胞mRNA的5-端有帽结构 真核生物mRNA的5-端是一个通过5-5连接、 在N7位甲基 化的鸟嘌呤，称为5-帽结构（5-cap）。 5-帽结构可以与帽结合蛋白 (cap binding protein) 结合。 5-帽结构与蛋白质的翻译起始和mRNA的稳定性密切有关。 7 55 (二) 真核生物mRNA的3-端有多聚腺苷酸尾的结构 真核生物mRNA的3-端有一段长度约为20-250腺苷酸，称为 多聚腺苷酸尾 (poly-A tai
3、l) 。 多聚A尾结构可以与多聚A结合蛋白 (polyA tail binding protein) 结合。 该结构与 mRNA 从核内向胞质的转移以及mRNA的稳定性有 关。 PPi ATP 断裂点断裂点 聚合腺苷酸聚合腺苷酸 富富UG区区多聚腺苷信号多聚腺苷信号 Y = 嘧啶嘧啶 切割切割 (三) hnRNA经过修饰成为成熟mRNA 细胞核内新生成的mRNA初级产物被称为不均一核RNA (heterogeneous mRNA，简称hnRNA)。 hnRNA有外显子（exon）和内含子（intron）。 外显子是编码氨基酸的序列，内含子是非编码序列。 hnRNA经过剪接和加工过程，剔除内含子
4、，连接外显子，成 为成熟mRNA。 hnRNA 转录转录 首尾修饰首尾修饰 索套形成索套形成 mRNA剪接剪接 DNA 1872 nt 7564 bp 成熟成熟mRNA A G 为内含子。 可读框 起始密码子终止密码子 5-非翻译区3-非翻译区 遗传密码子 AUG 成熟mRNA的结构特征 二、tRNA是蛋白质合成中氨基酸的载体 转运RNA (transfer RNA, tRNA)：氨基酸的载体参与多肽链 合成 约占RNA总量的15% 100多种 tRNA 长度为7095 nt 结构非常稳定 （一）tRNA含有多种稀有碱基 10% - 20% 稀有碱基； 在转录后修饰而成 双氢尿嘧啶双氢尿嘧啶
5、（DHU） 假尿嘧啶假尿嘧啶 （ ） 7 7甲基鸟嘌呤甲基鸟嘌呤 （m7G） 5 1 （二）tRNA具有特定的空间结构 tRNA的3-端永远是CCA。 局部的核苷酸碱基互补形成了茎环 (stem-loop) 结构或发卡 (hairpin) 结构。 DHU环；TC环；反密码子环 氨基酸接纳臂 二级结构酷似三叶草形状。 反密码子环 DHU环TC环 3 5 氨基酸接纳臂 可变臂 TC环 DHU环 反密码子环 氨基酸接纳臂 5 3 tRNA的倒L形空间结构 （三）tRNA的3-端连接着氨基酸 氨基酸在相对应的氨基酰合成酶催化下连接在3-端A的C3- OH上。 一种tRNA只能携载一种氨基酸; 一种氨基
6、酸可以被多种tRNA 所携载。 连接在tRNA上的氨基酸才可以用来进行蛋白质的生物合成。 酪氨酸-tRNA: Tyr-tRNA Tyr （四）tRNA的反密码子能够识别mRNA的密码子 反密码子环中的三个核苷酸构成了一个反密码子（anti- codon）。 反密码子与mRNA的密码子通过Watson-Crick碱基互补配对 识别。 5 mRNA 5 三、以rRNA为主要成分的核糖体是蛋白质合成的场所 核糖体RNA (ribosomal RNA，rRNA)：与核糖体蛋白共同组 成了蛋白质生物合成的场所 - 核糖体 (ribosome)。 细胞内含量最多的RNA：80 稳定的结构 保守的核苷酸序列
7、 原核生物原核生物真核生物真核生物 小亚基小亚基 rRNA 蛋白质 30S 16S 1542个核苷酸 21种占总重的40% 40S 18S 1874个核苷酸 33种占总重的50% 大亚基大亚基 rRNA 蛋白质 50S 23S 2490个核苷酸 5S 120个核苷酸 31种占总重的30% 60S 28S 4718个核苷酸 5.8S 160个核苷酸 5S 120个核苷酸 49种占总重的35% 核糖体的分子组成 70S 核糖体 30S 小亚基 50S 大亚基 23S rRNA + 5S rRNA 16S rRNA 21种蛋白质 31种蛋白质 原核生物核糖体的分子组成 5S rRNA 16S rRN
8、A 5 5 3 3 原核生物rRNA的二级结构 53 原核生物肽链合成的示意图 合成中的肽链合成中的肽链 的的N-末端末端 53 氨基酰-tRNA进位 53 肽链延长 53 核糖体转位 53 tRNA退位 四、组成性非编码RNA是基因表达中不可缺少的因子 真核细胞中还有其他类型的组成性非编码RNA。 这些RNA作为关键因子参与了RNA的剪接和修饰、蛋白质的转 运以及调控基因表达。 组成性非编码RNA种类 催化小RNA： 也称为核酶（ribozyme）；具有催化特定RNA 降解的活性；在RNA合成后的剪接修饰中具有重要作用。 核仁内RNA（small nucleolar RNA，简称snoRNA
9、）： snoRNA定位于核仁；参与rRNA的加工，如tRNA的核糖C2 的甲基化和假尿嘧啶化修饰。 核内小RNA（small nuclear RNA，简称snRNA）：snRNA 富含尿嘧啶，故命名为U-snRNA。 参与真核细胞mRNA的成熟过程，如U1、U2、U4、U5、U6和U7。 它们的作用是识别hnRNA上的外显子和内含子的结点，切除内含子。 这些snRNA的5-端有一个与mRNA相类似的5-帽结构。 胞质小RNA（small cytoplasmic RNA，简称scRNA）： scRNA存在细胞质中；与蛋白质结合形成复合体后发挥生物学 功能，如SRP-RNA与六种蛋白质共同形成信号
10、识别颗粒，引 导含有信号肽的蛋白质进入内质网进行合成。 五、调控性非编码RNA参与了基因表达调控 调控性非编码RNA不编码蛋白质 具有重要的生物学功能：转录调控、RNA剪切和修饰、mRNA 的翻译、蛋白质的稳定和转运、染色体的形成和结构稳定等 参与了胚胎发育、组织分化、信号转导、器官形成等基本的生 命活动中以及疾病（如肿瘤、神经性疾病等）的发生和发展 调控性非编码RNA种类 短链非编码RNA（small non-coding RNA, 简称 sncRNA） 长链非编码RNA（long non-coding RNA, 简称 lncRNA） 环状RNA（circular RNA，简称 circRN
11、A） （一）短链非编码RNA种类 微小RNA（microRNA, 简称miRNA） 小干扰RNA（small interfering RNA, 简称siRNA） 与PIWI蛋白家族成员结合的小RNA（piwi-interacting RNA ，简称piRNA） 微小RNA 编码miRNA的基因转录生成长度为几千个碱基的初级转录本 pri-miRNA。 细胞核内，pri-miRNA在蛋白复合体Drosha的作用下生成60 70 nt、具有发夹结构的miRNA前体（pre-miRNA）。 细胞质中，RNase III酶家族成员Dicer对pre-miRNA的茎环 结构进行剪切，在细胞质内形成大约2
12、0碱基对长的 miRNA:miRNA*双链。 微小RNA miRNA与靶基因mRNA的开放阅读框中的序列形成完全互补的 RNA双链，miRNA将双链中的mRNA降解，沉默基因表达。 miRNA与靶基因mRNA的3-UTR形成非完全互补的杂交双链， miRNA结合在杂交双链上，抑制基因表达。 miRNA参与细胞的生长、分化、衰老、凋亡、自噬、迁移、侵 袭等多种过程。 小干扰RNA 内源性siRNA是由细胞自身产生的。 外源性siRNA是外源入侵的双链RNA，经Dicer切割所产生的 具有特定长度（21-23bp）和特定序列的小片段RNA。 这些siRNA可以与AGO蛋白结合，诱导靶mRNA的降解
13、。 piRNA 哺乳动物生殖细胞中分离得到的30nt的小RNA。 5端具有强烈的尿嘧啶倾向性（约86%）。 piRNA与PIWI蛋白家族成员相结合才能发挥调控作用。 piRNA在染色体上的分布不均匀，piRNA的表达具有组织特异 性，调控着生殖细胞和干细胞的生长发育。 对piRNA的研究尚处于初级阶段，具体的功能尚在研究当中。 （二）长链非编码RNA 长度为200-100000 核苷酸的RNA分子； 具有类似于mRNA的结构：polyA尾巴和启动子，但不存在开 放阅读框； 来源于蛋白质编码基因、假基因或编码基因间的DNA序列； 由RNA聚合酶转录，经剪切加工后生成； 具有强烈的组织特异性与时空特异性。 lncRNA作用机制 结合在编码基因启动子区，干扰下游基因的表达； 与编码基因的转录本形成互补双链，形成不同的剪切形式； 与编码基因的转录本形成互补双链，产生内源性siRNA； 与特定蛋白质结合，lncRNA转录本可调节相应蛋白的活性； 结合到特定蛋白质上，改变该蛋白质的细胞定位； 抑制RNA聚合酶或介导染色质重构，影响下游基因的表达。
