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1、RNA 功能及研究进展许秀勤 -2015220600-生物科学与技术学院RNA 指 ribonucleic acid 核糖核酸，核糖核苷酸聚合而成的没有分支的长链。 。分子量比 DNA 小，但在大多数细胞中比DNA 丰富。 RNA 主要有 3 类，即信使RNA（mRNA） ，核糖体 RNA（rRNA）和转运 RNA（tRNA） 。rRNA 是核糖体的组成成分，由细胞核中的核仁合成，而mRNA、tRNA 在蛋白质合成的不同阶段分别执行着不同功能； mRNA 是以 DNA 的一条链为模板，以碱基互补配对原则，转录而形成的一条单链， 主要功能是实现遗传信息在蛋白质上的表达，是遗传信息传递过程中的桥梁
2、；tRNA 的功能是携带符合要求的氨基酸，以连接成肽链，再经过加工形成蛋白质。1.携带遗传信息在 RNA 病毒中，RNA 是遗传物质，植物病毒总是含RNA。近些年在植物中陆续发现一些比病毒还小得多的浸染性致病因子，叫做类病毒。类病毒是不含蛋白质的闭环单链 RNA 分子2.具有催化活力核酶（ ribozyme）是具有催化功能的RNA 分子，是生物催化剂，可降解特异的 mRNA 序列。具有核酸内切酶和连接酶的活性，能够对体内合成的RNA 进行加工和处理，这些过程是不需要任何蛋白质和酶的参与。研究的追彻底的是RNaseP, 它是核糖核蛋白体复合物，能剪切所有tRNA 前体的 5 端，除去多余的序列，
3、形成 3 -OH 和 5 -磷酸末端。3.调控功能体内许多 RNA 调控体内的各种代谢平衡，如反义RNA、sRNA、gRNA 等等，对体内的基因表达起到调控的作用。应用：RNA 干扰（ RNAi）RNA 干扰（RNA interference, RNAi ）是指在进化过程中高度保守的、由双链RNA（double-stranded RNA，dsRNA）诱发的、同源 mRNA 高效特异性降解的现 象。基因沉默，主要有转录前水平的基因沉默(TGS)和转录后水平的基因沉默(PTGS)两类:TGS 是指由于 DNA 修饰或染色体异染色质化等原因使基因不能正常转录;PTGS 是启动了细胞质内靶mRNA 序
4、列特异性的降解机制。有时转基因会同时导致 TGS 和 PTGS。可用于基因治疗，对人体的一些基因病进行定向干扰，也用于实验研究，对于要研究的基因做一个定向干扰。美国科学周刊分别于2001 年、2002 年初评出上一年度的世界十大科学突破，RNA 研究均位居第二：生命可能始于RNA，而非 DNA ；RNA 干扰在使哺乳动物细胞的基因表达沉默和 RNA 在调控方面的很多新发现超出了科学家原先的想象。国际上，RNA 研究正在受到人们前所未有的关注。中、美、日、德、法、英六国科学家和美国塞莱拉公司于 2001 年 2 月 12 日联合公布人类基因组图谱及初步分析结果。经初步分析，人类基因组共有3 万至
5、 3.5 万个基因，蛋白质合成有关的基因只占整个基因组的 2。由此产生一些问题：第一，如果一个基因仅编码一个蛋白质，这么少的蛋白质如何维持人体那么复杂而多变的生命现象？科学家估计人体中蛋白质数远大于现在发现的基因数。第二，如果一个基因可以表达出多种蛋白质，生物又是如何做到这一点的？第三，余下的不编码蛋白质的98的基因组有何功能？针对这些问题， RNA 研究和 RNA 组学研究可以提供部分解答。传统观念认为：三类最重要的生物高分子化合物中，DNA 携带遗传信息，蛋白质是生物功能分子，而 RNA 在这二者间起传递遗传信息的作用（即参与蛋白质的生物合成） 。1980 年代初，美国科学家切赫（TCEC
6、H）发现 RNA 也可成为生物催化剂，他命名这种 RNA 催化剂为核酶。 在酶学领域， 核酶的发现打破了多年来“ 酶的化学本质就是蛋白质 ” 的传统观念。 在 RNA 领域，这一发现对传统观念的冲击更大，它使人们认识到RNA 的生物功能远非 “ 传递遗传信息 ” 那么简单。此后，RNA 领域的新发现不断出现。基因组研究中的 “ 垃圾” 可能是 RNA 基因。在基因组研究过程中， 科学家发现了大量的不编码蛋白质的重复序列。它们一度被称为“ 垃圾”，而这种 “ 垃圾” 在越是高等的生物中含量却越多。现在发现，这些“ 垃圾”中的一种，称为ALu 家族的序列，被认为是反式可移动元件，可调控邻近基因的表
7、达。基因组中，蛋白质合成有关的基因只占整个基因组的2，而编码非蛋白质的各种 RNA 基因占基因组的比例要大得多，可能要高一个数量级。由于发现RNA 的 5 和 3 非编码区也有调控功能， 所以非编码 （蛋白质）的 RNA 基因数很可能大于蛋白质基因数。 RNA 控制着蛋白质的生物合成生物体内绝大多数的生物化学反应均由酶（蛋白质）催化控制，因此，蛋白质的生物合成由谁催化，一直是人们关注的问题。核糖体是一由 34 种核糖体 RNA（RNA）与几十种蛋白质组成的核糖核蛋白体， 是蛋白质生物合成的场所。 多少年来， 人们在努力寻找催化蛋白质生物合成的关键 转肽酶。直到 2000年，核糖体大、小两个亚基
8、均得到了结晶，并获得了高分辨率的射线衍射分析图谱。图谱分析表明， 在肽键形成处 2 纳米的范围内，完全没有蛋白质的电子云存在。 这说明肽键的形成不可能由蛋白质催化，而只可能由 RNA 催化。核糖体是核酶，这成了2000 年的世界第二大科学成就之一。生命起源： RNA 世界 1981 年度诺贝尔化学奖获得者吉尔伯特提出了“ RNA 世界” 的假说。它指的是 “ 在生命起源的某个时期，生命体仅由一种高分子化合物 RNA 组成。遗传信息的传递建立于RNA 的复制，其复制机理与当今DNA 复制机理相似， 作为生物催化剂的、 由基因编码的蛋白质还不存在”。RNA 由于其五碳糖 位是羟基，化学活泼性远大于
9、DNA ，再加上其他原因，就特别容易发生突变，因此在携带遗传信息的能力方面，RNA 不如 DNA ；RNA 又由于组成没有蛋白质复杂， 不可能形成如蛋白质那么多样的结构，因此在功能分子的作用方面，RNA 又不如蛋白质。 但 RNA 是唯一的既能携带遗传信息又可以是功能分子的生物高分子化合物。 因此，生命发生之初， 很可能是在原始海洋深处的火山口边， 高温、高压的条件下， 在可作为催化剂的矿物质边富集了可能是雷电中合成的原始核苷酸。经过亿万年的进化，形成了具有自我复制能力的RNA。在人工条件下， 这种进化的某些过程已被成功地模拟。原始的具有自我复制能力的 RNA，再在以后的亿万年进化过程中，逐渐
10、将其携带遗传信息的功能传给了DNA，将其功能分子的功能传给了蛋白质。核糖体是核酶的发现大大支持了RNA 世界的假说。RNA 的运动功能与调控功能RNA 虽然只由种核苷酸组成，但核苷酸的修饰增加了RNA 结构的复杂性，为RNA 功能多样性提供了物质基础。一些 RNA 如RNA 中，核苷酸的甲基化修饰和假尿嘧啶的生物合成，以及RNA 的加工和细胞定位转运，均有一类核仁小分子RNA(snoRNA) 参与。 snoRNA 参与的 RNA 修饰并不局限于 RNA 一种， 被修饰的 RNA 种类不断被发现。RNA 具运动功能。中国旅美学者郭培宣发现：一种细菌病毒（噬菌体）装配依赖于 RNA 的运动功能。R
11、NA 的调控功能是近年RNA 研究的主要突破。男性第 23 对染色体是，女性的第对染色体是。如果女性两条染色体都能正常表达的话， 女性染色体编码基因的表达量将是男性的两倍。事实上男性与女性染色体编码蛋白的表达量是一致的。其原因是哺乳类动物细胞中有一XIT-基因，它不编码蛋白质，但可被转录成RNA，即 XIT-RNA 。XIT- RNA 可通过一复杂的过程，与2 条染色体中的一条结合，使其失活。细胞分裂时，DNA 每复制一次，端粒 DNA 会短一点，直到端粒全部消失。此时细胞再也不能分裂，走向死亡。成人正常细胞没有端粒酶和端粒RNA，而癌细胞含有端粒酶和端粒RNA。所以，我们也可说是端粒RNA，
12、控制了细胞的寿命和癌症的发生。RNA 携带与调制遗传信息在一些病毒中，是RNA 携带遗传信息，而不是DNA 携带遗传信息。属于RNA 病毒的有烟草花叶病毒等侵染植物的病毒， 鸡法氏囊病病毒等侵染动物的病毒。它们大多对农牧业生产有巨大的危害。与艾滋病有关的病毒， 以及严重危害人民健康的丙肝病毒等也是RNA 病毒。乙肝病毒虽是DNA 病毒，但在其生命周期中，需要经过一全长RNA 的过程。 RNA 调制遗传信息。如酵母、植物、动物等真核生物（细菌等不是真核生物）的基因有很多是断裂基因。 即基因的初始转录物 （RNA 前体）中，一段段的蛋白质编码区被居间序列分开。只有居间序列被去除后， 也即成熟了的R
13、NA，才能成为蛋白质生物合成的模板。这过程称为RNA 剪接。通过不同方式的 RNA 剪接，一种基因可在不同的发育分化阶段、在不同的生理病理条件或不同的细胞、 组织中合成不同的蛋白质。 果蝇的性别决定就是通过不同的剪接途径完成的。RNA 剪接在 RNA 水平上调控基因的开放和关闭，增加或减少遗传信息，使一种基因合成出多种蛋白质。很多生物的 RNA 在成熟过程中，均需经RNA 编辑。一种 RNA 编辑是以另一 RNA 为模板来修饰 RNA 前体的。通过编辑，可以给 RNA 前体添加新的遗传信息。添加最多的实例中，来自原始基因的遗传信息只占成熟 RNA 的 45，其余 55的遗传信息来自其他RNA。
14、现在生物体内发现有8 种不同的 RNA 编辑方式。不同编辑方式，可以在RNA 水平上调控基因的开放和关闭， 增加或减少遗传信息， 使一种基因合成出多种蛋白质，从而调控生物的不同发育分化阶段等。在蛋白质生物合成过程中，除了常规的合成规律外，还发现有4 种被称为“ 再编码 ” 的方式。通常情况下，RNA 编码区中的每三个核苷酸组成一个密码子，每个密码子可按一定的密码表翻译成一个氨基酸，或用作翻译的起始和停止信号。这种情况下， 编码区的每个核苷酸只能也必须被阅读一次。但在再编码过程中，有的核苷酸被跳过而没有被阅读，有的核苷酸却被阅读了两次， 有的密码子被用来翻译特殊的氨基酸。 因此，经过再编码， 一
15、个基因可合成出多种蛋白质或改变遗传信息量。从上可知，遗传信息从DNA 到蛋白质的过程中， RNA 并非只是起简单的传递遗传信息作用， RNA 通过各种剪接、编辑和再编码等方式，调控基因表达的方向，调制遗传信息。 RNA 与疾病关系及 RNA 研究的应用很多 RNA 的突变或异常可以引起疾病，如红斑狼疮、重症肌无力、某些型糖尿病、某些帕金森病、某些老年性痴呆等均由某些RNA 异常引起。必须指出，RNA 研究相对落后，然而随研究的发展，将会发现更多的由RNA 引起的疾病。一些 RNA 突变常造成蛋白质合成障碍或蛋白质合成错误率的增加，因此，一种RNA 突变，常可因其发生部位如组织细胞的不同，影响到不同的蛋白质，而引起不同的疾病。不同RNA 的突变又可能因为发生在同一种细胞或组织中，而引起同一种疾病。 也可因引起一系列蛋白质合成的错误，而表现为综合征。 这种特性增加了这类 RNA 疾病的研究难度。RNA 异常致病研究有助于了解疾病发生机理，为治疗疾病找到合适的途径。RNA 可应用于制药、基因工程等。
