核酸化学3-RNA的结构和特性

miRNA (microRNA) siRNA (small inteference RNA) 反义RNA (antisense RNA)
近年来，科学家在较高等的真核生物中发 现了数种不会产生蛋白质的小RNA，如小核 RNA (small nuclear RNA)、小干扰RNA (small interference RNA，siRNA)、微小RNA (micro RNA, miRNA)和反义RNA (antisense RNA)。在 发现它们功能的同时证明了真核生物的基因调 控远比我们预期的要复杂得多，它们都能籍以 与某种mRNA序列互补的专一性而达到其调控 基因表达的目的。可以调控基因表达的小RNA 在个体发育、细胞分化、细胞增生、细胞死亡、 染色体结构、抗病毒反应以及致死基因的表达 等方面担当重要角色。
卵清白蛋白基因mRNA的加工示意图
RNA 编辑（editing）
发生在mRNA水平上, 多数为插入碱基
Crick的中心法则
DNA
1957年 转录
DNA
反转录 1970年
RNA
翻译
RNA
Protein
Protein
反转录病毒最早 在20世纪初由Rous 氏从邻居小孩抱来 的一只得了肿瘤的 鸡上分离到，命名 为Rous sarcoma virus。此后从鸡和 小鼠上分离到了多 种上还分离到了多 种反转录病毒。 1962年Tamin预测 该病毒中存在RNA 反转录酶，但要到 1970年才检测到。
RNA的功能
1. 遗传密码的中间担体(mRNA) 2. mRNA剪接等加工的活性成份 (snRNA，small nuclear RNA) 3. 核糖体的骨架结构及与mRNA的识 别(rRNA) 4. 活化氨基酸的担体(tRNA) *5. 酶的活性成份 *6. 病毒基因组的担体
Crick的中心法则
3’端均为CCA-OH序列，氨基酸 接在腺苷酸残基上，CCA-OH序 列称为氨基酸接受臂(amino acid acceptor arm)。3’-端第5~11位 核苷酸与5’-端第1~7位核苷酸形 成的螺旋区称氨基酸接受茎 (amino acid acceptor stem)。
TψC环由7 Nt组成, 参与tRNA与核糖 体表面的结合。 二氢尿嘧啶环(Dloop)由8~12个碱 基组成，含有1~3 个修饰碱基(D) 额外环或可变环 由3~18个不同种类 和数量的碱基组成， 高度可变，并富含 稀有碱基。 反密码子环由7 Nt组成，处 于34、35、36位的3个碱基 为反密码子。
4. RNA分子的组成成分可以通过由酶 (Ribonucleotide diphosphate reductase)催化的反应转化为DNA分子的 组成成分 。 5. RNA分子在细胞中同时扮演着信息的媒介作用和执 行者的作用，mRNA为前者，rRNA、tRNA和snRNA 为后者。因此有人很自然的认为，生命的早期可以称 为RNA world。 6. RNA比DNA分子更容易受到修饰，均有其作用， 如 mRNA的5’帽子能启动蛋白质的翻译，tRNA上的修饰 可以增加tRNA的寿命。 7. 真核基因拥有令人吃惊的特点，顺序中插入了很多 不编码氨基酸的“废物”（Introvening sequence, 或叫 内含子，intron），这些序列在转录后的mRNA成熟之 前被除去。
RNA干扰(RNAi),原始的防御体系
反义RNA (anti sense RNA)
反义RNA (anti sense RNA)是指与mRNA互 补的RNA分子。这种反义RNA能与mRNA分子 特异性地互补结合，从而抑制该mRNA的加工与 翻译，是原核细胞中基因表达调控的一种方式。 然而，许多实验证明，在真核细胞中亦存在反义 RNA，但其功能尚未全部明了。最近几年来通 过人工合成反义RNA的基因，并将之导入细胞 内，转录出反义RNA，即能抑制特定基因的表 达，阻断该基因的功能，有助于了解该基因对细 胞生长和分化的作用。同时也暗示了该方法对肿 瘤实施基因治疗的可能性。
RNA结构与特性
Structure and Characters of RNAs
RNA分子
1. RNA分子在糖基上比DNA分子多一个-OH基， 位于2’位。A260nm/A280nm= 2.0, 而DNA为1.8。 RNA分子遇碱极易降解，而DNA则不。 2. RNA分子一般为单链分子，因此容易形成自 由能为最小的独特的二级结构, 其双链部分符 合Watson-Click双螺旋模型。 3. 正因为独特的二级结构和2’羟基的存在, 一些 RNA分子具有自我切断、自我连接，或切断 其他核酸分子、连接其他核酸分子的酶学活性， 第一个可以自我复制的分子被认为是RNA分 子。
snRNA
• Small nuclear RNA
• 核内存在
• 是真核生物转录后加工过程中RNA剪接体 （spilceosome）的主要成分，参与mRNA前体 的加工过程。snRNA长度在哺乳动物中约为 100-215个核苷酸。snRNA一直存在于细胞核 中，与40种左右的核内蛋白质共同组成RNA剪 接体，在RNA转录后加工中起重要作用。
DNA
1957年
DNA
反转录
1970年
转录
RNA
翻译
RNA
Protein
Protein
细胞中的RNA
mRNA
1. 原核生物mRNA结构的特点： （1）多顺反子； （2） mRNA 5′端无帽子结构，3′端无多聚A尾； （3） mRNA一般没有修饰碱基。 2. 真核生物mRNA结构的特点：
（1） 5′端有帽子结构； （2） 大多3′端有多聚A（polyA）尾； （3）分子中可能有修饰碱基：主要有甲基化； （4）分子中有编码区与非编码区。
mRNA前体剪接机制
mRNA拼接反应需要有核内小分子 RNA参与（snRNA），它们与蛋白质形成 的复合物称为小核糖核蛋白颗粒，SnRNA 分别被命名为U1、U2、U3、U4、U5和U6 RNA。SnRNA中的U2 RNA由与内源右端 拼接部位附近的UACUAA顺序高度互补， 形成一个环状结构，由特定的酶来识别切 除该环状结构，完成拼接过程。
鸡卵清蛋白mRNA与它的基因杂交， intron存在的直观证据
真核生物mRNA的5’端和3’端
5’-帽子结构
3’-多聚腺苷酸(PolyA)
5’ cap structure
真核生物mRNA 5’端帽子结构的
重要性在于它是mRNA作为翻译起始 的必要的结构，对于核糖体对mRNA
的识别提供了信号；这种帽子结构还
原核生 物基因 转录与 蛋白质 的合成 可以同 步进行
一条 mRNA上可 以有多个 核糖体同 时合成蛋 白质
真核生物蛋白质合成的起始
Crick绘制的密码图及使用
绿色标识表 示平均频率 请对照各氨基酸在二级结 构中出现的频率
RNA的加工类型
1. Cleavage (切割） 2. Trimming（修剪） 3. Splicing（剪接） 4. Editing（编辑） 5. Modification（修饰）
• 胞质中的小RNA为scRNA。
snRNA参与内含子的剪接
5’: (C/A)AG/GT(A/G)AGT
3’: (T/C)11N(C/T)AG/GT
U1 U2 U3 U4 U5 U6
165N 188N 216N 139N 118N 106N
核质 核质 核小体 核质 核质 核质
rRNA
• • • • 核糖体RNA 原核生物：5S、16S、23S 真核生物：5S、5.8S、18S、28S。 真核生物核糖体的60S亚基（大亚基）由5S、 5.8S及28S rRNA与蛋白质形成；40S亚基（小 亚基）由18S rRNA与蛋白质组成。 • 原核生物核糖体的50S亚基（大亚基）由5S及 23S rRNA和蛋白质组成；30S亚基（小亚基） 由16S rRNA与蛋白质组成。
核糖体，蛋白质和核酸的复合体
30S 亚基的三维结构
核糖体上蛋白质 合成过程中 mRNA、tRNA 的 作 用，及肽链的 延伸示意图。
核糖体
mRNA
tRNA
16 S rRNA序列在细菌分类鉴定中的作用
细菌16 S rRNA以其在进化上的特征性序列， 已被广泛用于细菌分类和鉴定的分子指标。通过 比较各类生物16 S rRNA的基因序列，从序列差 异计算它们之间的进化距离，可以绘出生物进化 树。因此，16 S rRNA序列分析技术的基本原理 就是从微生物样本中16 S rRNA的基因片段，通 过克隆、测序或酶切、探针杂交获得16 S rRNA 序列信息，再与16 S rRNA数据库中的序列数据 或其他数据进行比较，确定其在进化树中位置， 从而鉴定样本中可能存在的微生物种类。
可能增加mRNA的稳定性，保护
mRNA 免遭5’外切核酸酶的攻击。
加帽过程
真核生 物的 mRNA 多数接 受5’加 帽修饰
5’帽子结构
3’ PolyA （3’-多聚A尾巴）
大多数真核mRNA都有3’端的多聚尾巴（A)，大
约为200 bp。 polyA尾巴不是由DNA编码的，而是转录 后在核内加上去的，受polyA聚合酶催化，该酶能识别 mRNA 的游离3’-OH端，并加上约200个A残基。大多 数真核基因的3’端有一个AATAA序列，这个序列是 mRNA 3’端加polyA尾的信号。核酸酶在此信号下游1015碱基外切断磷酸二酯键。有人推测polyA可能与 mRNA从细胞核转送到细胞质有关，但是相当数量的没 有polyA尾巴的mRNA如组蛋白mRNA，也照样通过核 膜进入细胞质。也有人认为这种结构对真核mRNA的翻 译效率具有某种作用，并能稳定mRNA结构，保持一定 的生物半衰期。
RNA干涉 (RNA interference，RNAi)
通过双链RNA介导特异性降解对应序列 mRNA，从而特异抑制相应基因表达。早期通 过导入全长双链RNA，然后在细胞内长双链被 RNA酶Ⅲ相关的核酸酶(Dicer)处理，产生短的 (21—25个核苷酸)双链RNA片断，发挥基因沉 默作用。这种短的双链RNA 片段称为小分子双 链干涉RNA (small interference RNA，siRNA)， 它通过与eLF2c、Gemin3、Gemin4等蛋白结合 形成沉默复合体(RISC)介导序列特异的RNA降 解。
真核生物 mRNA前体在剪接过程中，还可 以形成套索样的结构，在内含子序列中常有一个 分支部位的腺苷酸残基，它的2’-OH可以自动攻 击内含子5’端与外显子1连接的磷酸二酯键，切 开了外显子1，而腺苷酸原来已有3’,5’-磷酸二酯 键相连的两个相邻的核苷酸残基，加上此3’,5’磷酸二酯键连接后，在腺苷酸处出现了一个套索， 已被切下的外显子1的3’-OH攻击内含子3’末端与 外显子2之间的3’,5’-磷酸二酯键，键断裂后，内 含子以套索的形式被节下来，此时外显子1和外 显子2可以连接起来
Hale Waihona Puke Baidu
原核生物的基因结构
转录起始 DNA
转录终止
启动子
结构基因1
结构基因3
转录终止子
结构基因2
大肠杆 菌中的 RNA聚 合酶转 录RNA
模板链与非模板链
在病毒中两条链可以同时成为 模板链，但密码不同的蛋白质
真核生物的基因结构
内含子
启动子
外显子
转录终止子
真核基因mRNA的形成
真核生物mRNA的剪接
tRNA与 氨基酸的 连接
二氢尿嘧啶环
氨基酸臂
TψC环 反密码子环
三级结构 呈倒L形三 叶草结构 (cloverleaf structure)
单股tRNA链可通过 自身折叠形成四个 螺旋区和四个环的 基本结构，类似一 个三叶草。
tRNA碱基的修 饰有83种，每个 tRNA约含有 10~15个稀有碱 基，如ψ、甲基 化的嘌呤和嘧啶 核苷、DH、胸 腺嘧啶(T)核苷 和辫苷（Q）等。
tRNA
1. 单链小分子； 2. 含有稀有碱基或修饰碱基； 3. 5’端总是磷酸化， 5’末端往往是pG； 4. 3’端是CpCpAOH序列； 5. 三叶草结构； 6. 三级结构是倒L型。
分析3300多种 tRNA的全序 列发现， tRNA均为 74~95 Nt组成 的小分子，不 同tRNA大小 的变化在45和 46位可变环的 伸缩。
MicroRNA（miRNA）
一类内生的、长度约20-24个核苷酸的 小RNA，发夹结构的约70-90个碱基大小的 单链RNA前体经过Dicer酶加工后生成。在 细胞内具有多种重要的调节作用。每个 miRNA可以有多个靶基因，而几个 miRNAs也可以调节同一个基因。这种复杂 的调节网络既可以通过一个miRNA来调控 多个基因的表达，也可以通过几个miRNAs 组合精细调控某个基因的表达。