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,,,,一、mRNA是蛋白质合成的模板,信使RNA (messenger RNA, mRNA)：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7,5,5,,,,(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 tail) 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,聚合腺苷酸,,,富UG区,多聚腺苷信号,Y = 嘧啶,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，连接外显子，成为成熟mRNAhnRNA,转录,首尾修饰,索套形成,mRNA剪接,DNA,1872 nt,7564 bp,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,,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 （DHU）,假尿嘧啶 （）,7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-tRNATyr,,（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,,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 rRNA,5,5,3,3,原核生物rRNA的二级结构,,5,3,原核生物肽链合成的示意图,,5,3,,氨基酰-tRNA进位,,5,3,,肽链延长,,5,3,核糖体转位,,5,3,,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）： 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 circRNA）,,（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6070 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20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三）环状RNA,几乎完全定位于细胞核中 不受RNA外切酶的影响，表达更稳定，不易降解 或来自外显子，或兼有外显子和内含子的部分 具有序列的高度保守性；具有一定的组织、时序和疾病特异性环状RNA,circRNA分子富含miRNA的结合位点，在细胞中起到miRNA海绵（miRNA sponge）的作用； 通过结合miRNA，解除miRNA对其靶基因的抑制作用，上调靶基因的表达，产生相应的生物学效应。