生物化學(xué)A（上）12-核酸化學(xué)3-RNA的結(jié)構(gòu)和特性

1、RNA結(jié)構(gòu)與特性Structure and Characters of RNAs1. 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. 正因為獨特的二級結(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)制的分子被認為是RNA分子。RNA分子4. RNA分子的組成成分可以通過由酶 (Ribo

2、nucleotide diphosphate reductase)催化的反應(yīng)轉(zhuǎn)化為DNA分子的組成成分 。5. RNA分子在細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為，生命的早期可以稱為RNA world。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，順序中插入了很多不編碼氨基酸的“廢物”（Introvening sequence, 或叫內(nèi)含子，intron），這些序列在轉(zhuǎn)錄后的mRNA成熟之前被除

3、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. 遺傳密碼的中間擔體(mRNA)2. mRNA剪接等加工的活性成份(snRNA，small nuclear RNA)3. 核糖體的骨架結(jié)構(gòu)及與mRNA的識別(rRNA)4. 活化氨基酸的擔體(tRNA)*5. 酶的活性成份(核酶)*6. 病毒基因組的擔體 Crick的中心法則DNA

4、1957年轉(zhuǎn)錄RNA翻譯ProteinDNA1970年反轉(zhuǎn)錄ProteinRNA細胞中的RNAmRNA 1. 原核生物mRNA結(jié)構(gòu)的特點：（1）多順反子；（2） mRNA 5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：（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)轉(zhuǎn)錄終止子轉(zhuǎn)錄終止DNA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)

5、真核生物的基因結(jié)構(gòu)啟動子外顯子內(nèi)含子轉(zhuǎn)錄終止子DNA真核基因mRNA的形成真核生物mRNA的剪接mRNA前體剪接機制 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U6 RNA。SnRNA中的U2 RNA有與內(nèi)源右端拼接部位附近的UACUAA順序高度互補，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

6、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 。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 cap structure真核生物mRNA5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mRNA免遭5外切核酸

7、酶的攻擊。 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200 bp。 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mRNA3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從細胞核轉(zhuǎn)送到細胞質(zhì)有關(guān)，但是相當數(shù)量的沒有polyA尾巴的mRNA如組蛋白mRNA，也照樣通過核膜進入細胞質(zhì)。也有人認為

8、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。 snRNASmall nuclear RNA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U1 165N 核質(zhì)U2 188N 核質(zhì) U3 216N 核小體U4 139N 核質(zhì)U5 118N 核質(zhì)U6 106N 核質(zhì) 5:

9、(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。真核生物核糖體的60S亞基（大亞基）由5S、5.8S及28S rRNA與蛋白質(zhì)形成；40S亞基（小亞基）由18S rRNA與蛋白質(zhì)組成。原核生物核糖體的50S亞基（大亞基）由5S及23S rRNA和蛋白質(zhì)組成；30S亞基（小亞基）由16S rRNA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16 S rRNA序列

10、在細菌分類鑒定中的作用細菌16 S rRNA以其在進化上的特征性序列，已被廣泛用于細菌分類和鑒定的分子指標。通過比較各類生物16 S rRNA的基因序列，從序列差異計算它們之間的進化距離，可以繪出生物進化樹。因此，16 S rRNA序列分析技術(shù)的基本原理就是從微生物樣本中16 S rRNA的基因片段，通過克隆、測序或酶切、探針雜交獲得16 S rRNA序列信息，再與16 S rRNA數(shù)據(jù)庫中的序列數(shù)據(jù)或其他數(shù)據(jù)進行比較，確定其在進化樹中位置，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CpCp

11、AOH序列；5. 三葉草結(jié)構(gòu)；6. 三級結(jié)構(gòu)是倒L型。分析3300多種tRNA的全序列發(fā)現(xiàn)，tRNA均為7495 Nt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)TC環(huán)反密碼子環(huán)三級結(jié)構(gòu)呈倒L形三葉草結(jié)構(gòu)(cloverleaf structure)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1015個稀有堿基，如、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

12、基酸接受臂(amino acid acceptor arm)。3-端第511位核苷酸與5-端第17位核苷酸形成的螺旋區(qū)稱氨基酸接受莖(amino acid acceptor stem)。TC環(huán)由7 Nt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318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7 Nt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812個堿基組成，含有13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)的合成可以同步進行真核生物蛋白質(zhì)合成的起始RNA的加工類型1. C

13、leavage (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 反轉(zhuǎn)錄病毒最早在20世紀初由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Rous sarcoma virus。此后從雞和小鼠上分離到了多種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 (small inteference RNA

14、)asRNA (antisense RNA)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 (small nuclear RNA)、小干擾RNA (small interference RNA，siRNA)、微小RNA (micro RNA, miRNA)和反義RNA (antisense RNA)。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序列互補的專一性而達到其調(diào)控基因表達的目的?？梢哉{(diào)控基因表達的小RNA在個體發(fā)育、細胞分化、細胞增生、細胞死亡、染色體結(jié)構(gòu)、抗病毒反應(yīng)以及致死基因的表達等方面擔當重要

15、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，也可以通過幾個miRNAs組合精細調(diào)控某個基因的表達。 RNA干擾(RNA interference，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。早期通過導(dǎo)入全長dsRNA，在細胞內(nèi)長雙鏈被RNA酶相關(guān)的核酸酶(Dicer)處理，產(chǎn)

16、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 (small interference RNA，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)-原始的防御體系反義RNA (anti-sense RNA)反義RNA (anti-sense RNA)是指與mRNA互補的RNA分子。這種反義RNA能與mRNA分子特異性地互補結(jié)合，從而抑制該mRNA的加工與翻譯，是原核細胞中基因表達調(diào)控的一種方式。然而，許多實驗證明，在真核細胞中亦存在反義RNA，但其功能尚未全部明了。最近幾年來通過人工合成反義RNA的基因，并將之導(dǎo)入細胞內(nèi)，轉(zhuǎn)錄出反義RNA，能抑制特定基因的表達，阻斷該基因的功能，有助于了解該基因?qū)毎L和分化的作用。同時也暗