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1、第十章 RNA的结构与功能第一节RNA的结构RNA是核糖核酸的缩写为多核苷酸单链主要由4种核糖核苷酸组成，AUGC含有稀有碱基，转录后修饰加工形成核苷酸通过3，5-磷酸二酯键彼此连接起来的复杂的高级结构RNA的结构特征的结构特征双股螺旋是RNA分子中的双链区，为A型右手螺旋；发夹环为与螺旋一端两条链连接的非配对的单链区。由双股螺旋及与其连接的发夹环共同构成的结构称茎环结构；单碱基突起及突环单碱基突起即在一个连续的螺旋中间突出的一个碱基，如果有连续的多个碱基突起则称为突环；内部环为隔开或连接2个螺旋的环区；接合环是连接3个以上螺旋的环区，也称为支环；单链区常出现在RNA分子的端部。RNA的二级结
2、构元件的二级结构元件各种RNA的二级结构一个RNA分子的图示第二节tRNA的结构与功能tRNA的生物学功能主要是在体内合成蛋白质时转运氨基酸，tRNA还有充当反转录引物、对体内突变进行校正等方面的作用。tRNA的生物学功能的生物学功能tRNA通常由74至95个核苷酸组成，其中大多数tRNA为76个。相对分子质量都在25000左右，沉降系数为4S。它含有较多稀有碱基，可达碱基总数的10%15%。稀有碱基除假尿嘧啶核苷与次黄嘌呤核苷外，主要是甲基化了的嘌呤和嘧啶。这类稀有碱基一般是在转录后，经过特殊的修饰形成的。tRNA的组成的组成受体臂：负责携带特异的氨基酸。二氢尿嘧啶环：负责与氨基酰tRNA聚
3、合酶结合。反密码子环：识别mRNA上的密码子。额外环：假尿嘧啶核苷胸腺嘧啶核糖核苷环（TC环）：负责与核糖体上的rRNA识别结合。tRNA的结构的结构tRNA的三叶草结构tRNA与核糖体所有的tRNA都能够与核糖体的P位点和A位点结合，此时，tRNA分子三叶草型顶端突起部位通过密码子：反密码子的配对与mRNA相结合，而其3末端恰好将所运转的氨基酸送到正在延伸的多肽上。此外，所有tRNA（除了起始tRNA外）都能被翻译辅助因子EF-Tu或eEF1所识别而与核糖体相结合，起始tRNA能被IF-2或eIF-2所识别。tRNA的序列影响结构的序列影响结构tRNA长度的变化主要在二氢尿嘧啶臂、二氢尿嘧啶
4、环和额外环。tRNA分子中最大的变化发生在位于TC和反密码子臂之间的多余臂上。tRNA中,除tRNAThr外,73位碱基都在aaRS对tRNA的识别中起着重要作用，73位核苷酸由于在识别方面的重要性而被称为“辨别子辨别子(discriminator)”在tRNA分子表面,由D环(二氢尿嘧啶环)和TC环上的5个核苷酸16、17、20、59、60组成了一个小区,在不同的tRNA中这些核苷酸并不保守,因此称之为可变口袋可变口袋(variablepocket) 氨酰氨酰- -tRNAtRNA合成酶对合成酶对tRNAtRNA的识别的识别氨酰-tRNA合成酶（ aaRS ）对tRNA识别的专一性，依赖于a
5、aRS特定的催化结构域和tRNA分子特异的三级结构构象。反密码子和受体臂(包括73位)在大多数aaRS对tRNA分子的识别过程中起着关键作用,其他部位对于一些识别过程也有重要作用。tRNA分子特定的序列和结构决定了aaRS对tRNA识别的专一性。aaRS识别tRNA中特定区域的构象变化。aaRS与tRNA的相互作用可以诱导aaRS的构象变化。tRNA的特定碱基稳定了与aaRS结合后变化了的tRNA结构。aaRS特定结构中的关键氨基酸与tRNA分子中的特异碱基相互作用。aaRSaaRS对对tRNAtRNA的识别的主要特点的识别的主要特点第三节rRNA的结构与功能30S小亚基：包含一个16SrRN
6、A和21种蛋白；50S大亚基包含一个23SrRNA,一个5SrRNA和34种蛋白。它们都是由30SrRNA前体（pre-rRNA）切割而来。5S含有120个核苷酸（革兰氏阴性菌）或116个核苷酸（革兰氏阳性菌），无稀有碱基，可与tRNA、大亚基的rRNA和蛋白质相识别和作用。16S含有1540个核苷酸，含有少量的稀有碱基，主要是甲基化核苷，可与mRNA和23SrRNA相互识别作用。23S含有2900个核苷酸，带有20个左右的甲基化核苷，可与5SrRNA、蛋白质以及tRNAMet相互识别。原核细胞rRNA分子分子真核细胞rRNA分子分子真核生物有4种rRNA，它们分子大小分别是5S、5.8S、1
7、618S和2628S 。5S rRNA单独合成，核糖体中蛋白质的含量约占40%，而RNA的含量则占了60%。5.8S rRNA是真核生物核糖体大亚基特有的rRNA，含有修饰碱基，可能起着细菌5SrRNA某些相似的功能。真核生物的18S和28S rRNA分别有43个和74个甲基化核苷，此外还有不少假尿嘧啶核苷和修饰的假尿嘧啶核苷。细菌和哺乳动物核糖体的组成核糖体大小亚基rRNA蛋白质细菌70SMr2.7105RNA含量66%蛋白质含量34%30SMr：0.910650SMr：1.810616SrRNA(1540nt)5SrRNA(120nt)23SrRNA(3200nt)2133哺乳动物80SM
8、r4.2106RNA含量60%蛋白质含量40%40SMr：1.410660SMr：2.810618SrRNA(1900nt)5SrRNA(120nt)5.8SrRNA(160nt)28SrRNA(4700nt)3349rRNA分子的修饰分子的修饰与tRNA不同，rRNA的甲基化较多发生在核糖上，而且真核生物rRNA的修饰碱基比原核生物要多。原核rRNA有修饰碱基：Um=2-O-甲基尿嘧啶核苷，=5-核糖基尿嘧啶，m6A=N6-甲基腺嘌呤核苷，m1A=1-甲基腺嘌呤核苷等，m62A=N6-二甲基腺嘌呤核苷，m3U=3-甲基尿嘧啶核苷，m3acp3=1-甲基-3-（-氨基-羧丙基）假尿嘧啶核苷，a
9、c4C=N4-乙基胞嘧啶核苷，还有少量核糖被甲基化，少数尿嘧啶转变为假尿嘧啶。5 5S rRNAS rRNA与与RNARNA聚合酶聚合酶5S rRNA由RNA聚合酶III催化合成。在研究的比较清楚的模式生物非洲爪蟾(Xenopus laevis )中,RNA聚合酶III并不直接结合在DNA模板上,而是通过转录因子TFIIIA与之结合。5S rRNA基因内部转录控制单元( Internal Control Region ,ICR)对5S rRNA转录起调控作用。大肠杆菌大肠杆菌 5S rRNA 5S rRNA 的二级结构模型的二级结构模型大肠杆菌5SrRNA三级结构模型12S rRNA的二级结构
10、第四节mRNA的结构与功能mRNA携带了来自DNA的遗传信息，并在核糖体上指导合成蛋白质。真核细胞mRNA具有的共同的结构特征在5端有一个“帽子”(5-Cap)3端含多聚腺苷酸(polyA)序列在5端非翻译顺序(64个碱基)3端非翻译顺序(637个碱基)mRNA的原初转录物是相对分子质量极大的前体，在核内加工过程中形成分子大小不等的中间物，它们被称为核内不均一RNA（hnRNA），其中至少有一部分可转变成细胞质的成熟mRNA。hnRNA的碱基组成与总的DNA组成相似，因此又称为类似DNA的RNA（D-RNA）。它们在核内迅速合成和降解，其半衰期很短。5端形成特殊的帽子结构（m7GpppNm）；
11、在链的端切断并加上多聚腺苷酸（polyA）尾巴；通过拼接除去由内含子转录来的序列；链内部核苷酸被甲基化。由hnRNA转变成mRNA的加工过程包括：5端帽子的功能：一是对翻译起识别作用，另一个功能是稳定mRNA的作用。poly(A)尾的功能：是mRNA由核进入胞质所必需，提高mRNA在胞质中的稳定性。内部甲基化的功能：与mRNA成熟、进入胞质相关。卵清蛋白mRNA的结构原核生物mRNA的特点5端无帽子结构，3端没有或只有较短的poly(A)结构。半衰期短。大多不需要加工，一经转录即可直接进行翻译原核生物以操纵子作为转录单位，产生多顺反子mRNA，即一组相邻或相互重叠基因的转录产物。第五节若干种小
12、分子量RNA小RNA即长度范围在21到28个核苷酸的一类非编码RNA分子，是近年来发现的最为重要的调控分子。小RNA能直接调控某些基因的开关，从而控制细胞的生长发育，并决定细胞分化的组织类型。根据小根据小RNA的生成、结构和功能大的生成、结构和功能大约可分为三类：约可分为三类：小干涉小干涉RNA（short interfering RNA,siRNA）；）；微微RNA(micro RNA,miRNA)；其他小其他小RNA。snRNA和scRNAsnRNA是真核生物转录后加工过程中RNA剪接体（spilceosome）的主要成分。scRNA，长约300个核苷酸，是蛋白质定位合成于粗面内质网上所需
13、的信号识别体的组成成分tmRNA转移-信使RNA（transfer-messengerRNA,tmRNA）是一类普遍存在于各种细菌及细胞器（如线粒体、叶绿体等）中长约260-430个核苷酸的稳定的小分子。是一类具有类似tRNA分子和mRNA分子双重功能的小分子RNA，它不仅在一种特殊的翻译模式反式翻译模式过程中发挥作用，同时还参与基因的表达及细胞周期的调控等。tmRNA结构按照功能进行划分可以分为tRNA类似域（TLD）和mRNA类似域（MLD）大肠杆菌tmRNA的二级结构snoRNA自九十年代以后，许多snoRNA被陆续发现。它们的大小一般在几十到几百个核苷酸，能与特定的蛋白质如核纤蛋白相结
14、合生成snoRNA，在细胞中稳定的存在，并且富集于核仁区。SnoRNA是一类新的核酸调控分子，在真核生物核糖体的生物合成中起关键作用。C/DboxsnoRNA（snoRNA的一类）的二级结构，图中为SNORD73。siRNAsiRNA1998年生物学家发现，在果蝇和其他真核生物中导入外源双链RNA(dsRNA)分子，可以使内源基因相应序列基因的mRNA降解，从而引发同源基因转录后基因沉默。这种表达的抑制作用称为RNA干扰（RNAi）。RNAi是真核细胞的监控机制，它能识别、清除外源dsRNA或简单的单链RNA，对外源入侵的核酸如病毒、重组基因和转座子提供了一种防御措施。最新研究发现RNAi还能
15、引导外遗传调控。外遗传是指生物体内由非基因改变而引起基因表型变化的现象，即DNA序列无改变而基因表达有变化，且这种表型变化具有可遗传性。siRNAsiRNA结构特征长度为2123nt、双链的3端有2个突出的碱基以及具有5端磷酸基。 siRNAsiRNA的生成及作用机制的生成及作用机制(1)起始阶段: Dicer 切割dsRNA 成2125bp大小的双链siRNA参与RNAi反应的Dicer酶是RNA酶家族的一个成员不同种属间Dicer的大小和结构不同siRNAsiRNA的生成及作用机制的生成及作用机制(2)效应阶段: siRNA和核酸酶以及其他蛋白一起形成RNA诱导沉默复合物(RISC)来降解
16、特异基因的mRNA。其中siRNA起靶向性作用,也是导致特异性mRNA降解的原因。RISC增强了siRNA在细胞内的稳定性,。近来研究表明双链siRNA的3端和5端结构特点对功能性RISC的形成很重要,并且仅当双链siRNA解链成单链siRNA后才具有效地靶向功能同时RISC被激活,在距离3端12个碱基的位置切割mRNA,期间需要ATP的参与。siRNAsiRNA的生成及作用机制的生成及作用机制(3) siRNA的特异性及沉默信号的放大和传播: 在真核细胞中也存在能以RNA为模板指导RNA合成的聚合酶(RdRP)。在RdRP的作用下，进入细胞内的双链RNA通过类似于PCR的反应过程，呈指数级的
17、数量扩增。RNAi是转录后水平的基因静默机制RNAi具有较高的特异性，抑制基因表达效率很高dsRNA需要一个最小的长度才能产生有效的干扰效果RNAi基因表达的效应可以突破细胞界限，在不同细胞甚至生物体间长距离传递和维持，并可传递给子一代内源内源RNAi的功能的功能抗病毒功能基因调控染色质浓缩转座子沉默基因组重组RNAi的应用的应用高通量研究基因功能研究信号转导通路的新工具基因治疗的新方法miRNAmiRNAmiRNAmiRNA的发现的发现1993年，Lee等在秀丽杆线虫（Caenorhabditiselegan）中发现了第一个可时序调控胚胎后期发育的基因lin-24，转录产物为22nt的不编码
18、结构,它的突变引起的基因失活,使线虫中许多应该在早期出现的发育事件延迟发生,而这一基因的突变缺失却造成了恰好相反的结果,使发育直接进入后期的发育过程。miRNAmiRNA的特征的特征广泛存在于真核生物中，是一组不编码蛋白质的短序列RNA。miRNA独有的特征是其5端第一个碱基对U有强烈的倾向性，而对G却有抗性，但第二到第四个碱基缺乏U，一般来讲，除第四个碱基外，其他位置碱基通常都缺乏C。miRNAs具有高度的保守性、时序性和组织特异性。miRNA的生成及作用机制的生成及作用机制首先，pri-miRNA在核内由一种称为Drosha酶处理后成为大约70nt的带有茎环结构的PrecursormiRN
19、As。这些pre-miRNAs在Exportin-25帮助下转运到细胞核外之后再由胞质Dicer酶进行处理，酶切后成为成熟的miRNAs。成熟的miRNAs通过与miRNP核蛋白体复合物结合，识别靶mRNA，并与之发生部分互补，从而阻遏靶mRNA的翻译。在动物中，成熟的单链miRNAs与蛋白质复合物miRNP结合，引导这种复合物通过部分互补结合到mRNA的3UTR（非编码区域），从而阻遏翻译。miRNA也可以切割完全互补的mRNA。miRNA作用模式与靶标基因不完全互补结合，进而阻遏翻译而不影响mRNA的稳定性与靶标基因完全互补结合，作用方式和功能与siRNA非常类似，最后切割靶mRNA具有以
20、上两种作用模式，当与靶标基因完全互补结合时，直接靶向切割mRNA，；当与靶标基因不完全互补结合时，起调节基因基因表达的作用miRNAmiRNA的功能的功能调节细胞早期的发育控制植物叶片的形态建成调控基因的表达参与细胞分化和组织发育miRNAmiRNA与人类疾病与人类疾病miRNA 与杜-阿二氏肌萎 miRNA 与癌症之间的相关性miRNA与与siRNA的相同点的相同点相同点相同点/联联系点系点siRNAmiRNA长度及特征都约在22nt左右，5端是磷酸基，3端是羟基合成的底物miRNA和siRNA合成都是由双链的RNA或RNA前体形成的Dicer酶依赖Dicer酶的加工，是Dicer的产物，所
21、以具有Dicer产物的特点作用方式都可以阻遏靶标基因的翻译，也可以导致mRNA降解，即在转录水平后和翻译水平起作用进化关系可能的两种推论：siRNA是miRNA的补充，miRNA在进化过程中替代了siRNAmiRNA与与siRNA的不同点的不同点不同点不同点/分歧点分歧点siRNAmiRNA机制性质往往是外源引起的，如病毒感染和人工插入dsRNA之后诱导而产生，属于异常情况是生物体自身的一套正常的调控机制直接来源长链dsRNA发夹状pre-miRNA分子结构siRNA是双链RNA，3端有2个非配对碱基，通常为UUmiRNA是单链RNA对靶RNA特异性较高，一个突变容易引起RNAi沉默效应的改变
22、相对较低，一个突变不影响miRNA的效应作用方式RNAi途径miRNA途径生物合成，成熟过程由dsDNA在Dicer酶切割下产生;发生在细胞质中pri-miRNA在核内由一种称为Drosha酶处理后成为60nt的带有茎环结构的PrecursormiRNAs(pre-miRNAs)；这些pre-miRNAs在转运到细胞核外之后再由Dicer酶进行处理，酶切后成为成熟的miRNAs；发生在细胞核和细胞质中互补性一般要求完全互补不完全互补，存在错配现象重要特性高度特异性高度的保守性、时序性和组织特异性作用机制单链的siRNA结合到RISC复合物中，引导复合物与mRNA完全互补，通过其自身的解旋酶活性
23、，解开siRNAs，通过反义siRNA链识别目的mRNA片段，通过内切酶活性切割目的片段，接着再通过细胞外切酶进一步降解目的片段。同时，siRNA也可以阻遏3UTR具有短片断互补的mRNA的翻译。成熟的miRNAs则是通过与miRNP核蛋白体复合物结合，识别靶mRNA，并与之发生部分互补，从而阻遏靶mRNA的翻译。在动物中，成熟的单链miRNAs与蛋白质复合物miRNP结合，引导这种复合物通过部分互补结合到mRNA的3UTR（非编码区域），从而阻遏翻译。除此之外，miRNA也可以切割完全互补的mRNA。对RNA的影响降解目标mRNA；影响mRNA的稳定性在RNA代谢的各个层面进行调控；与mRN
24、A的稳定性无关作用位置siRNA可作用于mRNA的任何部位miRNA主要作用于靶标基因3-UTR区生物学意义siRNA不参与生物生长，是RNAi的产物，原始作用是抑制转座子活性和病毒感染miRNA主要在发育过程中起作用，调节内源基因表达核糖开关核糖开关( (riboswitches)riboswitches)和反和反义核酸义核酸( (anti-sense RNA)anti-sense RNA)核糖开关（riboswitches）指的是mRNA一些非编码区的序列折叠成一定的构象，这些构象的改变应答于体内的一些代谢分子，从而通过这些构象的改变达到调节mRNA转录的目的。 反义RNA 是指与mRNA 或DNA 互补的小型单链RNA 分子,其长度一般不到200 个核苷酸,将它导入靶细胞后,可形成DNA/ RNA 或mRNA/ RNA 杂交双链,从而抑制基因表达,达到基因抑制的目的。RNA研究前景研究前景基因组非蛋白编码区蕴含着重要的生命功能活动信息，对此我们知之甚少。通过实验RNA组学和生物信息学的方法得到的新的非编码RNA是否具备生物学功能以及具备什么样的生物学功能现在还是未知的。科学界关于新发现的这么多非编码RNA到底是hope（希望）还是hype（欺骗）尚存在争论。
