RNA及RNA二級結(jié)構(gòu)的理論知識

1、 RNA及RNA二級結(jié)構(gòu)的理論 -CAL-FENGHAI.-(YICAI)-CompanyOne1 ?CAL-本頁僅作為文檔封面，使用請直接刪除知識(總7頁) 第2旗RNA及RNAZL級結(jié)構(gòu)的理論知識 RNA的生物知識 RNA基本單位 在動植物、微生物、一些病毒以及噬菌體內(nèi)都有RNA分子，它是一種以磷酸二 酯鍵連接的兒十種核糖核昔酸的形式存在的核酸，核昔酸是構(gòu)成RNA的基本單位。 從本質(zhì)上看，多個單核昔酸聚在一起形成的多聚核昔酸構(gòu)成了核酸。核昔酸山核酸 經(jīng)大M水解得到；而核昔和磷酸山對核昔酸的水解得到；同樣的，對核昔再進(jìn)行水解就可得到含氮堿基和戍糖；含氮堿基包括嚓吟堿和喀唏堿，戍糖經(jīng)過分解形成

2、核 糖與脫氧核糖。 RNA的化學(xué)構(gòu)成 RNA主鏈山核糖與磷酸二酯鍵構(gòu)成，與之相連的四個堿基以一些特殊次序排成 一個多核昔酸序列，從若干個數(shù)據(jù)庫一宜到成千上萬個基地。研究表明，核昔酸的 堿基的主要構(gòu)成是含氮雜環(huán)化合物，這些化和物質(zhì)主要有喀唏衍生物和嘴吟衍生物 兩類。其中喘唳生物包括胞喀唳C、尿喘唏U和胸腺喘唳T;嚓吟生物包括鳥票吟G、腺嚓吟鳥嚓吟、腺嚓吟和胞喀唳同樣存在與DNA分子中，但胸腺喀唳只存在 Guanlnc A.dcninc Purines 與DNA中。他們相應(yīng)的化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖。 1liyminc(DNA) NH, 圖核昔酸各堿基的化學(xué)組成通過對上圖的綜合分析，我們發(fā)現(xiàn)RNA的化學(xué)結(jié)構(gòu)并

3、不非常復(fù)雜，都是通過氫鍵分別將A和U、C和G連起來， 形成互補(bǔ)堿基配對， 不同的地方是連接氫鍵個數(shù)的差別，即A和U之間最多形成兩個氫鍵；G和C之間最多形成3個氫鍵，如圖所示。 除了一些小的RNA病毒，大部分RNA的主要以單鏈形式存在，但這種單鏈形式 的產(chǎn)生不是偶然，而是在堿基堆積作用下，使單鏈結(jié)構(gòu)其中個別區(qū)段借助堿基的互 補(bǔ)配對，將自身折疊并且形成一個短的雙螺旋區(qū)。這種RNA短雙螺旋結(jié)構(gòu)和單一的 未配對鏈結(jié)構(gòu)，與DNA雙鏈雙螺旋結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比，具穩(wěn)定性明顯差很多。但正是這 一穩(wěn)定的特點(diǎn)，使RNA能形成更復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。除了“A丑和G三C配對之外， 還存在一些非典型的配對，如3封配對等。在熱力學(xué)方

4、面，3旬配對有穩(wěn)定性的特點(diǎn)，即同上面兩個典型Waston-Crick配對很接近，因此“G=U配對乂稱為晃動配對。那么，如果從穩(wěn)定性上將上述配對放一起做比較的話，通常情況應(yīng)為“G三C“A=U“G=Uo RNA二級結(jié)構(gòu)的特征 生物RNA的分子結(jié)構(gòu)分別有一級、二級、三級和四級四種，其中四級結(jié)構(gòu)最復(fù) 雜。同時，RNA分子結(jié)構(gòu)具有跟蛋白質(zhì)類似的種類繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)。 生物RNA分子中共有四種不同的核昔酸，它們按照不同順序排列在一起就形成 RNA的一級結(jié)構(gòu)。 RNA分子存在很多山互補(bǔ)堿基對構(gòu)成的單鏈區(qū)結(jié)構(gòu)、莖環(huán)結(jié)構(gòu)，以及雙鏈結(jié)構(gòu)等各種不同的組件形成的平面結(jié)構(gòu)，并通過這些結(jié)構(gòu)來進(jìn)行自我折疊運(yùn)動，所構(gòu)成

5、的結(jié)構(gòu)就是RNA二級結(jié)構(gòu)。 RNA二級結(jié)構(gòu)的組成 上文提到，RNA二級結(jié)構(gòu)是RNA分子在自然條件下對自身進(jìn)行各種形式的回折， 在不同的堿基互補(bǔ)對莖區(qū)之間，以非匹配的環(huán)區(qū)形式和最頂部單鏈形式兩者交替出 現(xiàn)的莖環(huán)結(jié)構(gòu)。這些莖環(huán)結(jié)構(gòu)乂能分出一些子結(jié)構(gòu)，也叫做RNA二級結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)元件，正是這些按一定規(guī)律組合在一起的元件才構(gòu)成了各種RNA完整的二級分子結(jié)構(gòu)。 這個復(fù)雜的形成過程里面，有三對堿基作為研究的重點(diǎn)，即AU堿基對、GC堿基對 和GU堿基對。常見的RNA二級結(jié)構(gòu)如圖所示。baekt chain H圖堿基配對中的氫鍵構(gòu)成H 90 圖常見的RNA二級結(jié)構(gòu)示意圖 （?表示堿基對，數(shù)字表示堿基的序列號）

6、所謂的莖區(qū)結(jié)構(gòu)就是我們通過RNA二級結(jié)構(gòu)示意圖會發(fā)現(xiàn)有一部分雙螺旋區(qū)域 是山兩方面組織，一部分是堿基互補(bǔ)對的形式構(gòu)建起來的，另一部分是其 在雙螺旋區(qū)域之外且沒有堿基對的單鏈則形成了環(huán)結(jié)構(gòu)。 所謂環(huán)結(jié)構(gòu)，在RNA二級結(jié)構(gòu)示意圖中，我們根據(jù)圖形與實(shí)物的比較,找80 A- A CCA I) 嗎UA5 余被隔離 很容易 如圖所示。 出兒種形象的環(huán)形結(jié)構(gòu)，它們有：發(fā)卡環(huán)、膨脹環(huán)、內(nèi)環(huán)和多分支環(huán)等 圖莖區(qū)及環(huán)的示意圖 RNA二級結(jié)構(gòu)中還有兩個重要的組成部分，一個叫做多分支環(huán)，它是著RNA分子結(jié)構(gòu)各個區(qū)域沒有實(shí)現(xiàn)配對的各個發(fā)卡環(huán)；另一個叫做自山單RNA分子結(jié)構(gòu)排序組合最頂端沒有形成配對的單鏈。 假結(jié)， 在R

7、NA分子結(jié)構(gòu)中一般包含兩種假結(jié)的形式： 一種叫做平面假結(jié)，RNA分子結(jié)構(gòu)中環(huán)結(jié)構(gòu)上和環(huán)結(jié)構(gòu)外區(qū)域的堿基配對，能夠以平面圖形的式假結(jié)形式；跟前者相反的另外一種情況被稱為非平面假結(jié)。 RNA二級結(jié)構(gòu)的模體是山RNA分子基本單元按照一定的排列組合而構(gòu)成圖所示：內(nèi)環(huán) 連接鏈，它是 是在表示的形 的。如 OG 二級結(jié)構(gòu)模型以及其個結(jié)構(gòu)單元關(guān)系 IJ前，關(guān)于RNA二級結(jié)構(gòu)的研究依然是RNA分子結(jié)構(gòu)領(lǐng)域當(dāng)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。 其第一個原因是RNA二級結(jié)構(gòu)是RNA分子從一級結(jié)構(gòu)到三級結(jié)構(gòu)跨越必不可少的橋 梁。第二個原因是通過弄清RNA二級結(jié)構(gòu)的預(yù)測結(jié)果，就可以在大范圉內(nèi)確定RNA 三級結(jié)構(gòu)的問題。并且，當(dāng)研究者的

8、意見都?xì)w于一致時，在RNA分子結(jié)構(gòu)當(dāng)中，對于各個組成方面所具有的生物學(xué)意義與其堿基序列的組成相比意義更大，這個對比 對非編碼的RNA或者DNA同樣適用。止匕外，RNA的分子結(jié)構(gòu)還有一個相似性的特點(diǎn)，就是在各同源RNA當(dāng)中，通常它的二級結(jié)構(gòu)都是不自覺接受或相像；但是相似存在這個特性兒乎不會出現(xiàn)在一級結(jié)構(gòu)上。并且，RNA的同源性和保守型特征都是建立 在二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上而不是一級結(jié)構(gòu)的保守序列上的。因此，當(dāng)對莫種RNA基本情 況有所了解后，研究者就可根據(jù)給出的RNA二級結(jié)構(gòu)問題做出相對準(zhǔn)確的預(yù)測。簡 單來說，就是通過用計算機(jī)手段和有關(guān)數(shù)學(xué)方法，對給定的RNA分子堿基序列按照一些方法來計算，從而最大可

9、能地來測出該RNA分子多具備的二級結(jié)構(gòu)。 RNA二級結(jié)構(gòu)預(yù)測方法的發(fā)展 VonHeijne總結(jié)并敘述了預(yù)測RNA二級結(jié)構(gòu)的各種方法,Tinocoetal第一次大概算出了有關(guān)二級結(jié)構(gòu)的能他通過研究小分子和利用外推法來預(yù)測最穩(wěn)定的大分子 結(jié)構(gòu)。這個預(yù)測包括了雙鏈區(qū)里堆疊堿基對有關(guān)的穩(wěn)態(tài)能M跟未配對區(qū)域不穩(wěn)定的 影響，帕帕和麥克馬洪研發(fā)的程序能夠列出tRNA序列里所有有可能的螺旋區(qū)。他們 采用改良版的威士頓克里克堿基配對原則，利用排列組合適出的螺旋得到所有可 能的二級結(jié)構(gòu)，且測算了任何一個可能結(jié)構(gòu)的全部自山能。斯洛伐克設(shè)計出一種能 夠使合適的雙鏈區(qū)相加就獲得能M最適合結(jié)構(gòu)的方法。馬丁內(nèi)斯列出了可能雙

10、鏈區(qū)， 并利用計算波磁慢函數(shù)給出之前所指區(qū)域在它平衡常M里的比例，這里的是這些區(qū) 域里的白山能，r為氣體常數(shù)，t是溫度。用蒙特卡洛的辦法折疊RNA分子，這個方法當(dāng)中的每個起始區(qū)域都是經(jīng)一個加權(quán)集合里任意選擇的，這跟用余吉不思取樣的辦法是差不多的。 多分支 假設(shè)每一個可能的雙鏈區(qū)用袋子里的彈珠來表示。每種類型了彈珠用博磁慢概率給與權(quán)重，這樣能M越穩(wěn)定的區(qū)域?qū)?yīng)的彈珠就越有可能被選中。另外可能區(qū)域的選擇可通過權(quán)重進(jìn)一步進(jìn)行，一宜到不能再加了。這個方法產(chǎn)生了一系列的通過能M加權(quán)的可能結(jié)構(gòu)，但沒有考慮到未配對區(qū)域不穩(wěn)定的影響。博磁慢概率函數(shù)現(xiàn)在已經(jīng)被用作找尋最有可能的二級結(jié)構(gòu)了。 二級結(jié)構(gòu)預(yù)測基本原理

11、 分子里的堿基相互配對形成了RNA二級結(jié)構(gòu)。堿基配對有三種形式：G-C.A?U、G-U,他們中間分別有3個，2個跟1個氫鍵。堿基之間連續(xù)不斷的配對形成了螺旋區(qū)，對RNA二級結(jié)構(gòu)有著穩(wěn)定作用來降低整體結(jié)構(gòu)的自山能，而RNA分子中沒有配對的部分形成“發(fā)卡環(huán)，內(nèi)部換，膨脹環(huán)跟多分支環(huán)”等環(huán)裝結(jié)構(gòu)，不利于穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和升高結(jié)構(gòu)的自山能，RNA二級機(jī)構(gòu)就是在這種矛盾之間的平衡中形成的。在各種可能結(jié)構(gòu)之間找最小自山能結(jié)構(gòu)是預(yù)測RNA二級結(jié)構(gòu)最常用的方法，而通過研究體外 少核昔酸穩(wěn)定性可以得到基本結(jié)構(gòu)的自III能數(shù)據(jù)。最常用的白山能數(shù)據(jù)是薩爾澤跟瘤 能M積分系統(tǒng)，但在這兩組數(shù)據(jù)中沒有提到多分支環(huán)的能M計算，口前

12、一般將之作 內(nèi)部處理，或用公式計算：+單鏈堿基數(shù)+螺旋區(qū)數(shù)山有了這些數(shù)據(jù)，就能夠評價RNA二級結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，通過這種方法可以得到近似穩(wěn)定能M的結(jié)構(gòu)和最可靠預(yù)測結(jié)構(gòu)。在有關(guān)序列當(dāng)中發(fā)現(xiàn)的序列變異也能用來預(yù)測可能在每個分子里都存在的堿基配對。預(yù)測一組可能形成一種特殊結(jié)構(gòu)的序列是RNA二級結(jié)構(gòu)預(yù)測方法的刃外一種形式。 從序列來預(yù)測RNA三維結(jié)構(gòu)的方法還在發(fā)展當(dāng)中。還有一種常見的RNA二級結(jié)構(gòu)的 預(yù)測方法考慮到堿基配對的保守形式，這些形式在一定的ma分子進(jìn)化過程中是相對 保守的。發(fā)現(xiàn)序列中堿基配對的區(qū)域在ma分子進(jìn)化的同時發(fā)生改變，使結(jié)構(gòu)的完整 度能以維持。例如，如果在一個給定類型的序列中兩個位置（G

13、和C形成一個堿基對），則在相應(yīng)的位置上保留了G和C、A和U或U和A的序列被認(rèn)為是可能的匹配。RNA分子中這些協(xié)同變異模式是RNA二級機(jī)構(gòu)的一種表現(xiàn)，課件預(yù)測結(jié)構(gòu)。計算上遇到的挑戰(zhàn)是如何在其他序列變化的背景中發(fā)現(xiàn)這些協(xié)同變M的位置。 RNA二級結(jié)構(gòu)的表示 RNA二級結(jié)構(gòu)的表示方法很多，如半圓表示、圓形表示、點(diǎn)陣表示。山峰表示。 正多邊形表示等，其中以正多邊形表示最為宜觀形象，便于分子生物學(xué)家觀察，研究RNA二級結(jié)構(gòu)特征，但是利用這種方法來比較不同的結(jié)構(gòu)是較為困難的, 因?yàn)槔眠@種表示方式時，常導(dǎo)致許多結(jié)構(gòu)的重疊，為此，人們不得不借助于旋轉(zhuǎn) 的辦法來克服重疊現(xiàn)象，這樣以來，即使是對同一結(jié)構(gòu)，可能山

14、于在不同的地方旋 轉(zhuǎn)或在同一地方旋轉(zhuǎn)的角度不同而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)形狀的變化。U前，再現(xiàn)結(jié)構(gòu)對結(jié)構(gòu)進(jìn) 行比較的最好方法是樹狀表示方法，這種方法是從圖論的角度來考慮的，與上述方 法不同，在RNA二級結(jié)構(gòu)中，每個配對堿基用一個點(diǎn)表示，然后用一條有向線段將點(diǎn)按順序連接起來，便可獲得RNA二級結(jié)構(gòu)的樹狀表示，在這種顯示中，環(huán)區(qū)堿基等信息將被丟失。 最小白山能 RNA的二級結(jié)構(gòu)被劃分為莖區(qū)，外環(huán)，凸環(huán)，內(nèi)環(huán)，發(fā)卡環(huán)以及多分枝環(huán)等。 Zuker,Turner等人詳細(xì)地給出了各個部分結(jié)構(gòu)的能M計算方法，到H前為止，有些能M值還在不斷地被修正和補(bǔ)充。其中較有影響的軟件Mfold采用的就是最近鄰能 M規(guī)則，也被稱為環(huán)依賴的能M規(guī)則。環(huán)依賴的能M規(guī)則在如下三個方面做了約定：（1）二級結(jié)構(gòu)中不允許訊在一個堿基和兩個以上堿基同時配對的情形。 （2）發(fā)卡環(huán)的長度必須大于等于3。 （3）二級結(jié)構(gòu)中不允許訊在假結(jié)，即任意兩莖區(qū)之間只能是嵌套關(guān)系或順次關(guān)系。 假結(jié)和三堿基配對的情形的能山于H前實(shí)驗(yàn)手段的限制， 和數(shù)據(jù)不足兩方面的原因而無法給出其準(zhǔn)確的能M計算公式。 堿基