核酸化學(xué)RNA的結(jié)構(gòu)和特性

RNA結(jié)構(gòu)與特性

Structureand

CharactersofRNAs1.RNA分子在糖基上比DNA分子多一個-OH基，位于2’位。A260nm/A280nm=2.0,

而DNA為1.8。RNA分子遇堿極易降解，而DNA則不。2.RNA分子一般為單鏈分子，因此容易形成自由能為最小的獨(dú)特的二級結(jié)構(gòu),其雙鏈部分符合Watson-Crick雙螺旋模型。3.正因?yàn)楠?dú)特的二級結(jié)構(gòu)和2’羥基的存在,一些RNA分子具有自我切斷、自我連接、或切斷其他核酸分子、連接其他核酸分子的酶學(xué)活性，第一個可以自我復(fù)制的分子被認(rèn)為是RNA分子。RNA分子4.RNA分子的組成成分可以通過由酶(Ribonucleotidediphosphatereductase)催化的反應(yīng)轉(zhuǎn)化為DNA分子的組成成分。5.RNA分子在細(xì)胞中同時扮演著信息的媒介作用和執(zhí)行者的作用，mRNA為前者，rRNA、tRNA和snRNA為后者。因此有人很自然的認(rèn)為，生命的早期可以稱為RNAworld。6.RNA比DNA分子更容易受到修飾，均有其作用，如mRNA的5’帽子能啟動蛋白質(zhì)的翻譯，tRNA上的修飾可以增加tRNA的壽命。7.真核基因擁有令人吃驚的特點(diǎn)，順序中插入了很多不編碼氨基酸的“廢物”（Introveningsequence,或叫內(nèi)含子，intron），這些序列在轉(zhuǎn)錄后的mRNA成熟之前被除去。RNA的空間結(jié)構(gòu)與功能

RNA通常以單鏈形式存在，但也可形成局部的雙螺旋結(jié)構(gòu)。

RNA分子的種類較多，分子大小變化較大，功能多樣化。主要的RNA種類有rRNA、mRNA、tRNA、HnRNA(不均一核RNA)、SnRNA(小核RNA)、SnoRNA(核仁RNA)、ScRNA(胞漿小RNA)等。

RNA的功能1.遺傳密碼的中間擔(dān)體(mRNA)2.mRNA剪接等加工的活性成份(snRNA，smallnuclearRNA)3.核糖體的骨架結(jié)構(gòu)及與mRNA的識別(rRNA)4.活化氨基酸的擔(dān)體(tRNA)*5.酶的活性成份(核酶)*6.病毒基因組的擔(dān)體gRNA[guide(導(dǎo)引)RNA]：mRNA編輯

snRNA（核內(nèi)小分子RNA）：mRNA加工（剪接和成熟）

snoRNA（核仁小分子RNA）：rRNA加工（切割和修飾）

RNAP（RNA聚合酶）：tRNA加工

TelomeraseRNA：DNA復(fù)制

SRP（信號識別顆粒）-RNA：轉(zhuǎn)運(yùn)

Lin-4：發(fā)育控制反義RNA(miRNA,antisenceRNAfordevelopmentcontrol)

rps14：核糖體生物合成反義RNA（antisenceRNAforribosomebiogenesis）

dsRNA（雙鏈RNA）：基因沉默（genesilence）

Xist(X-inactivespecifictranscript)&其反義RNATsix：X染色體失活向?qū)NA(guideRNA,gRNAs)

引導(dǎo)RNA編輯的RNA分子，長度大約是60-80個核苷酸，是由單獨(dú)的基因轉(zhuǎn)錄的，具有3’寡聚U的尾巴，中間有一段與被編輯mRNA精確互補(bǔ)的序列，5’端是一個錨定序列，它同非編輯的mRNA序列互補(bǔ)。在編輯時，形成一個編輯體(editosome)，以gRNAs內(nèi)部的序列作為模板進(jìn)行轉(zhuǎn)錄物的校正,同時產(chǎn)生編輯的mRNA。gRNA3‘端的oligo(U)尾可作為被添加的U的供體。端粒酶RNA，是染色體端粒的RNA序列，在具有端粒酶活性的細(xì)胞內(nèi)，它的任務(wù)是作為反轉(zhuǎn)錄的模板然后加在端粒的末端以解決染色體因復(fù)制而變短的問題，這種酶在大多數(shù)細(xì)胞里是沒有活性的，在某些腫瘤細(xì)胞，轉(zhuǎn)化細(xì)胞，干細(xì)胞以及生殖細(xì)胞里活性較高。SRPRNA信號識別顆粒-RNA：實(shí)際上它是和多個多肽結(jié)合在一起行使功能的，這個核糖蛋白主要負(fù)責(zé)終止mRNA的翻譯，同時它還能和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER）上的停泊蛋白結(jié)合使結(jié)合了mRNA的定位在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上，參與蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)位。Crick的中心法則DNA1957年轉(zhuǎn)錄RNA翻譯ProteinDNA1970年反轉(zhuǎn)錄ProteinRNA細(xì)胞中的RNAmRNA1.原核生物mRNA結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：（1）多順反子；（2）mRNA5′端無帽子結(jié)構(gòu)，3′端無多聚A尾；（3）mRNA一般沒有修飾堿基。2.真核生物mRNA結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：（1）5′端有帽子結(jié)構(gòu)；（2）大多3′端有多聚A（polyA）尾；（3）分子中可能有修飾堿基：主要有甲基化；（4）分子中有編碼區(qū)與非編碼區(qū)。原核生物的基因結(jié)構(gòu)啟動子轉(zhuǎn)錄起始結(jié)構(gòu)基因1結(jié)構(gòu)基因2結(jié)構(gòu)基因3轉(zhuǎn)錄終止子轉(zhuǎn)錄終止DNA大腸桿菌中的RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄RNA模板鏈與非模板鏈在病毒中兩條鏈可以同時成為模板鏈，但密碼不同的蛋白質(zhì)真核生物的基因結(jié)構(gòu)內(nèi)含子啟動子外顯子轉(zhuǎn)錄終止子真核基因mRNA的形成真核生物mRNA的剪接mRNA前體剪接機(jī)制 mRNA拼接反應(yīng)需要有核內(nèi)小分子RNA參與（snRNA），它們與蛋白質(zhì)形成的復(fù)合物稱為小核糖核蛋白顆粒，snRNA分別被命名為U1、U2、U3、U4、U5和U6RNA。snRNA中的U2RNA有與內(nèi)源右端拼接部位附近的UACUAA順序高度互補(bǔ)，形成一個環(huán)狀結(jié)構(gòu)，由特定的酶來識別切除該環(huán)狀結(jié)構(gòu)，完成拼接過程。

真核生物

mRNA前體在剪接過程中，還可以形成套索樣的結(jié)構(gòu)，在內(nèi)含子序列中常有一個分支部位的腺苷酸殘基，它的2’-OH可以自動攻擊內(nèi)含子5’端與外顯子1連接的磷酸二酯鍵，切開了外顯子1，而腺苷酸原來已有3’,5’-磷酸二酯鍵相連的兩個相鄰的核苷酸殘基，加上此3’,5’-磷酸二酯鍵連接后，在腺苷酸處出現(xiàn)了一個套索，已被切下的外顯子1的3’-OH攻擊內(nèi)含子3’末端與外顯子2之間的3’,5’-磷酸二酯鍵，鍵斷裂后，內(nèi)含子以套索的形式被節(jié)下來，此時外顯子1和外顯子2可以連接起來雞卵清蛋白mRNA與它的基因雜交，intron存在的直觀證據(jù)真核生物mRNA的5’端和3’端5’-帽子結(jié)構(gòu)3’-多聚腺苷酸(PolyA)7-甲基鳥苷三磷酸（m7GTP）5’capstructure

真核生物mRNA

5’端帽子結(jié)構(gòu)的重要性在于它是mRNA作為翻譯起始的必要的結(jié)構(gòu)，對于核糖體對mRNA的識別提供了信號；這種帽子結(jié)構(gòu)還可能增加mRNA的穩(wěn)定性，保護(hù)mRNA

免遭5’外切核酸酶的攻擊。VerysoonafterRNAPolIIstartsmakingatranscript,andbeforetheRNAchainismorethan20-30ntlong,the5’-endischemicallymodifiedbytheadditionofa7-methylguanosine(m7G)residue.This5’modificationiscalledacapandthenucleotideisaddedtothenewRNAtranscriptinthereverseorientationcomparedwiththenormal3’-5’linkage,givinga5’-5’triphosphatebridge.Thereactioniscarriedoutbyanenzymecalledguanyltransferase(鳥苷酰轉(zhuǎn)移酶）andtherecanbesubsequentmethylationsofthesugars

onthefirstandsecondtranscribednucleotides,particularlyinvertebrates.Cap0,Cap1andCap2.Thecapstructureformsabarrierto5'-exonucleasesandthusstabilizesthetranscript,butthecapisalsoimportantinotherreactionsundergonebypre-mRNAandmRNA,suchassplicing,nucleartransportandtranslation.真核生物的mRNA多數(shù)接受5’加帽修飾5’帽子結(jié)構(gòu)加帽過程3’PolyA（3’-多聚A尾巴）

大多數(shù)真核mRNA都有3’端的多聚尾巴（A)，大約為200bp。polyA尾巴不是由DNA編碼的，而是轉(zhuǎn)錄后在核內(nèi)加上去的，受polyA聚合酶催化，該酶能識別mRNA

的游離3’-OH端，并加上約200個A殘基。大多數(shù)真核基因的3’端有一個AATAA序列，這個序列是mRNA

3’端加polyA尾的信號。核酸酶在此信號下游10-15堿基外切斷磷酸二酯鍵。有人推測polyA可能與mRNA從細(xì)胞核轉(zhuǎn)送到細(xì)胞質(zhì)有關(guān)，但是相當(dāng)數(shù)量的沒有polyA尾巴的mRNA如組蛋白mRNA，也照樣通過核膜進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)。也有人認(rèn)為這種結(jié)構(gòu)對真核mRNA的翻譯效率具有某種作用，并能穩(wěn)定mRNA結(jié)構(gòu)，保持一定的生物半衰期。

snRNASmallnuclearRNA核內(nèi)存在是真核生物轉(zhuǎn)錄后加工過程中RNA剪接體（spilceosome）的主要成分，參與mRNA前體的加工過程。snRNA長度在哺乳動物中約為100-215個核苷酸。snRNA一直存在于細(xì)胞核中，與40種左右的核內(nèi)蛋白質(zhì)共同組成RNA剪接體，在RNA轉(zhuǎn)錄后加工中起重要作用。胞質(zhì)中的小RNA為scRNA。

snRNA參與內(nèi)含子的剪接U1165N核質(zhì)U2188N核質(zhì)

U3216N核小體U4139N核質(zhì)U5118N核質(zhì)U6106N核質(zhì)5’:(C/A)AG/GT(A/G)AGT3’:(T/C)11N(C/T)AG/GTrRNA核糖體RNA原核生物：5S、16S、23S真核生物：5S、5.8S、18S、28S。原核生物核糖體的50S亞基（大亞基）由5S及23SrRNA和蛋白質(zhì)組成；30S亞基（小亞基）由16SrRNA與蛋白質(zhì)組成。真核生物核糖體的60S亞基（大亞基）由5S、5.8S及28SrRNA與蛋白質(zhì)形成；40S亞基（小亞基）由18SrRNA與蛋白質(zhì)組成核糖體，蛋白質(zhì)和核酸的復(fù)合體30S亞基的三維結(jié)構(gòu)核糖體上蛋白質(zhì)合成過程中mRNA、tRNA的作用，及肽鏈的延伸示意圖。mRNAtRNA核糖體16SrRNA序列在細(xì)菌分類鑒定中的作用

細(xì)菌16SrRNA以其在進(jìn)化上的特征性序列，已被廣泛用于細(xì)菌分類和鑒定的分子指標(biāo)。通過比較各類生物16SrRNA的基因序列，從序列差異計(jì)算它們之間的進(jìn)化距離，可以繪出生物進(jìn)化樹。因此，16SrRNA序列分析技術(shù)的基本原理就是從微生物樣本中16SrRNA的基因片段，通過克隆、測序或酶切、探針雜交獲得16SrRNA序列信息，再與16SrRNA數(shù)據(jù)庫中的序列數(shù)據(jù)或其他數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，確定其在進(jìn)化樹中位置，從而鑒定樣本中可能存在的微生物種類。tRNA1.單鏈小分子；2.含有稀有堿基或修飾堿基；3.5’端總是磷酸化，5’末端往往是pG；4.3’端是CpCpAOH序列；5.三葉草型二級結(jié)構(gòu)；6.倒L型三級結(jié)構(gòu)。分析3300多種tRNA的全序列發(fā)現(xiàn)，tRNA均為74~95Nt組成的小分子，不同tRNA大小的變化在45和46位可變環(huán)的伸縮。tRNA與氨基酸的連接氨基酸臂二氫尿嘧啶環(huán)TψC環(huán)反密碼子環(huán)三級結(jié)構(gòu)呈倒L形結(jié)構(gòu)單股tRNA鏈可通過自身折疊形成四個螺旋區(qū)和四個環(huán)的基本結(jié)構(gòu)，類似一個三葉草。tRNA堿基的修飾有83種，每個tRNA約含有10~15個稀有堿基，如ψ、甲基化的嘌呤和嘧啶核苷、DH、胸腺嘧啶(T)核苷和辮苷（Q）等。3’端均為CCA-OH序列，氨基酸接在腺苷酸殘基上，CCA-OH序列稱為氨基酸接受臂(aminoacidacceptorarm)。3’-端第5~11位核苷酸與5’-端第1~7位核苷酸形成的螺旋區(qū)稱氨基酸接受莖(aminoacidacceptorstem)。TψC環(huán)由7Nt組成,參與tRNA與核糖體表面的結(jié)合。額外環(huán)或可變環(huán)由3~18個不同種類和數(shù)量的堿基組成，高度可變，并富含稀有堿基。反密碼子環(huán)由7Nt組成，處于34、35、36位的3個堿基為反密碼子。二氫尿嘧啶環(huán)(D-loop)由8~12個堿基組成，含有1~3個修飾堿基(D)

一條mRNA上可以有多個核糖體同時合成蛋白質(zhì)原核生物基因轉(zhuǎn)錄與蛋白質(zhì)的合成可以同步進(jìn)行真核生物蛋白質(zhì)合成的起始RNA的加工類型 1.Cleavage(切割）

2.Trimming（修剪）

3.Splicing（剪接）

4.Editing（編輯）

5.Modification（修飾）卵清白蛋白基因mRNA的加工示意圖RNA編輯（editing）

發(fā)生在mRNA水平上,多數(shù)為插入堿基Crick的中心法則DNA1957年轉(zhuǎn)錄RNA翻譯ProteinDNA1970年反轉(zhuǎn)錄ProteinRNA

反轉(zhuǎn)錄病毒最早在20世紀(jì)初由Rous氏從鄰居小孩抱來的一只得了腫瘤的雞上分離到，命名為Roussarcomavirus。此后從雞和小鼠上還分離到了多種反轉(zhuǎn)錄病毒。1962年Tamin預(yù)測該病毒中存在RNA反轉(zhuǎn)錄酶，但要到1970年才檢測到。miRNA(microRNA)

siRNA(smallinteferenceRNA)

asRNA(antisenseRNA)

近年來，科學(xué)家在較高等的真核生物中發(fā)現(xiàn)了數(shù)種不會產(chǎn)生蛋白質(zhì)的小RNA，如小核RNA(smallnuclearRNA)、小干擾RNA(smallinterferenceRNA，siRNA)、微小RNA(microRNA,miRNA)和反義RNA(antisenseRNA)。在發(fā)現(xiàn)它們功能的同時證明了真核生物的基因調(diào)控遠(yuǎn)比我們預(yù)期的要復(fù)雜得多，它們都能籍以與某種mRNA序列互補(bǔ)的專一性而達(dá)到其調(diào)控基因表達(dá)的目的?？梢哉{(diào)控基因表達(dá)的小RNA在個體發(fā)育、細(xì)胞分化、細(xì)胞增生、細(xì)胞死亡、染色體結(jié)構(gòu)、抗病毒反應(yīng)以及致死基因的表達(dá)等方面擔(dān)當(dāng)重要角色。MicroRNA（miRNA）

一類內(nèi)生的、長度約20-24個核苷酸的小RNA，發(fā)夾結(jié)構(gòu)的約70-90個堿基大小的單鏈RNA前體經(jīng)過Dicer酶加工后生成。在細(xì)胞內(nèi)具有多種重要的調(diào)節(jié)作用。每個miRNA可以有多個靶基因，而幾個miRNAs也可以調(diào)節(jié)同一個基因。這種復(fù)雜的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)既可以通過一個miRNA來調(diào)控多個基因的表達(dá)，也可以通過幾個miRNAs組合精細(xì)調(diào)控某個基因的表達(dá)。2010年的第一期Cell的封面留給了microRNA對基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控研究，來自德國弗賴堡大學(xué)植物生物技術(shù)系的科學(xué)家們以封面文章的形式發(fā)表了他們的最新研究進(jìn)展文章TranscriptionalControlofGeneExpressionbyMicroRNAs。RNA干擾

(RNAinterference，RNAi)

通過dsRNA介導(dǎo)特異性降解同源序列mRNA，從而特異抑制相應(yīng)基因表達(dá)。早期通過導(dǎo)入全長dsRNA，在細(xì)胞內(nèi)長雙鏈被RNA酶Ⅲ相關(guān)的核酸酶(Dicer)處理，產(chǎn)生短的(21-25個核苷酸)雙鏈RNA片斷，發(fā)揮基因沉默作用。這種短的雙鏈RNA片段稱為小分子雙鏈干涉RNA(smallinterferenceRNA，siRNA)，它通過與eIF2c、Gemin3、Gemin4等蛋白結(jié)合形成沉默復(fù)合體(RISC)介導(dǎo)序列特異的RNA降解。RNA干擾(RNAi)

-原始的防御體系a)沉默信號從脈桿傳到葉片組織。綠色是綠色熒光蛋白；紅色是葉綠素?zé)晒?，可以在綠色熒光蛋白被沉默后看出。b,c）通過實(shí)驗(yàn)，使得線蟲的核中表達(dá)綠色熒光蛋白。實(shí)驗(yàn)者在左邊加上對照dsRNA，右邊加上綠色熒光蛋白的