RNA的种类与功能的多样性.docx

1、RNA的种类与功能的多样性论文：RNA种类和功能的多样性RNA种类和功能的多样性摘要：生物体内目前已发现的 RNA有十多种。RNA可以作为病 毒基因组；RNA在蛋白质生物合成，包括转录、转录后的加工、 编 辑、修饰中扮演了重要角色；具有重要的催化和持家功能，对 基因表 达和细胞功能进行调节，并在生物进化中起重要作用。关键词：RNA;种类；功能引言DNA是遗传信息的主要载体，生物体的生理功能主要由蛋白质来执行。在DNA和蛋白质之间，RNA起着中介作用。与 DNA相 比,RNA种类较多，分子量相对较小，在遗传信息表达和调控过程 中各类RNA分别发挥作用。这是我们对 RNA的基本知识。随着 研究的深

2、入，人们发现生物体内 RNA的种类和功能已远远超出从前对它的认识，不仅仅是在基因表达时作为中介那样简单，它在生命活动的各个方面和生物进化过程中起着相当重要的作用。现从生物体内 RNA 的种类和功能的多样性作一概述2生物体内RNA勺种类目前看来，生物体内有 14 个种类的 RNA: (1) 信使 RNA(mRNA), 携带从DNA转录来的遗传信息。(2)转运RNA(tRNA),负责蛋白 质合成时氨基酸的转运。(3)核糖体RNA( rRNA)，在核糖体中起 装配和催化作用。 具有催化作用的 RNA ,即核酶(r i bozyme) 和其它RNA自我催化分子。(5)基因组RNA(genome RNA

3、,)指一些 病毒以RNA为遗传物质。(6)指导RNA(guide RNA)，是指导RNA 编辑的小RNA分子。(7)mRNA样非编码RNA其转录和加工方式 同 mRNA, 但不翻译为蛋白质。已知这类 RNA 有 20 多种，例如人 的xistRNA和X染色体的XIST结合，使此X染色体失去转录活性。(8) tmRNA , 本身既是 tRNA 又是 mRNA , 翻译时一身二任。如大肠 杆菌 中的 10Sa RNA O (9) 小胞质 RNA( smal I cytoplasmic RNA , scRNA), 存在于细胞质中的小 RNA 分子。如信号识别颗粒 (signa I recogniti

4、on particle , SRP) 组分中含有的 7S RNA O (10) 小核RNA(sma11 nuclear RNA , snRNA) ，是剪接体的组分。 (11) 核仁 小 RNA(small nuc I eo I ar RNA , snoRNA) ，参与 rRNA 的加 工。 (12) 端粒酶 RNA , 是真核生物端粒复制的模板。 (13) 反义RNA(ant i sense RNA) ，可通过与靶位序列互补而与之结合的 RNA , 或直接阻止靶序列功能 , 或改变靶部位构象而影响其功能。(14)小 RNA包括 m i RNA 和 s i RNA。2.1 信使 RNA (mes

5、sage RNAr mRNA)信使 RNA 属于唯一的编码 RNA, 是编码蛋白的转录产物。 其 作 为基因与蛋白质生物合成的之间的“信使”，可通过密码三联 子 翻译生成特定的蛋白质序列，从而起着遗传信息由 DNA 表现到 蛋 白质的中间传递者的核心作用。 相对而言， mRNA 在细胞中的 含量 很少，并且寿命很短， 完成任务以后便被降解而非持续存在。 mRNA 的降解在它发挥调控功能的过程中起着重要作用。贮存在 DNA 上的遗传信息通过 mRNA 传递到蛋白质上， mRNA 与 蛋白质之间的联系是通过遗传密码的破译来实现的。 mRNA 上 每 3 个核昔酸翻译成蛋白质多肽链上的一个氨基酸，这

6、 3 个核昔酸就 称为密码，也叫三联子密码即密码子 （codon ） C1o mRNA 与核 糖 体结合后作为蛋白质合成的模板， 其上的密码子与 tRNA 上的反 密 码子相互作用，多肽链依次延长，最后形成完整的多肽链再经 进 一步变化成为蛋白质。举个例子：如果把 DNA 比作大学里的导 师, （显然二者同样在各自的小圈子里处于核心支配地位）那么可 以 把实验成果比喻为蛋白质，导师一般不必亲自做实验，而可以 通 过比如手下的博士生 （相当于 mRNA ）向研究生或其他学生提供 思 路和方向（信息）。在试验台（相当于核糖体或 rRNA ）上直接做 实验的学生（相当于 tRNA ）按照要求投入实验

7、原料（看做氨基 酸） , 并最终得到实验结果。当然，例子不尽完善，所体现出来的 RNA 功能也只是很浅层次的，实际上 RNA 具有其他许多保障完成 使命 的其他功能。2. 2 转运 RNA (transfer RNA, tRNA)转运 RNA (transfer RNA, tRNA), 负责特异性读取 rnRNA 中包含的遗传信息，并将信息转化成相应氨基酸后连接到多肽链中。 tRNA 为每个密码子翻译成氨基酸提供了结合体，同时还准确地将 所需 AA 运送到核糖体上。鉴于 tRNA 在蛋白质合成中的关键作 用， 又把 tRNA 称作第二遗传密码。 tRNA 具有三叶草型二级结构 以及 型三级结构

8、，这些高级结构是适用于 tRNA 的生物功能的， 并为我们提供了研究线索。 tRNA 的不同种类及数量可对蛋白质合 成效率进行调节。2.3 核糖体 RNA (ribosomal RNA, rRNA)核糖体 RNA 是细胞中最为丰富的 RNA, 在活跃分裂的细菌细胞 中占 80% 以上。他们是核糖体的组分，并直接参与核糖体中蛋白 质的合成。核糖体是 rRNA 提供了一个核糖体内部的“脚手架”， 蛋白质可附着在上面。这种解释很直接很形象，但是低估了 rRNA 在蛋白质合成中的主动作用。较后续的研究表明， rRNA 并非仅仅 起到物理支架作用，多种多样的 rRNA 可起到识别、选择 tRNA 以 及

9、 催化肽键形成等多种主动作用。例如：核糖体的功能就是，按 照 mRNA 的指令将氨基酸合成多肽链。而这主要依靠核糖体识别 tRNA 并催化肽键形成而实现。可以说核糖体是一个大的核酶(ribozyme) (2)。而核糖体的催化功能主要是由 rRNA来完成的， 蛋白质并没有直接参与。此外，在物种研究方面 rRNA 也有用途： rRNA 结构既具保守性又具高变性，保守性反映生物物种的亲缘关系，高变性则揭示生物物种的特征核酸序列，是属种鉴定的分子基础2.4 核酶 (ribonucleic acid enzyme, 简称 ribozyme)2. 4.1 核酶的发现与分类从人类认识到酶的存在开始到 20

10、世纪 80 年代初期，酶的 本 质是蛋白质这一概念根深蒂固。但是美国科罗拉多大学的 Cech 等 人的出色工作却从根本上改变了人们的这一认识。美国科罗拉 多 大学(Boulder分校)cech实验室首先发现了 RNA具有酶活性,因 此 Cech 与 Altman 分享了 1989 年的诺贝尔化学奖 .根据一级序列的大小不同，核酶可以被分成小分子核酶和大 分子核酶 . 小分子核酶包括锤头核酶、发卡核酶、 VS(varkud sate I I i te) 核酶以及 HDV (hepat i t i s de I ta v i rus) 核酶 , 它们 的序列长度 都在 200 个核昔酸以下 . 大

11、分子核酶包括 RNaseP, I 型内含子 (group I intron) , II 型内含子 (group II intron) 以及核糖体，它们的序列长度 从几百到几千核甘酸不等 .2. 4. 2 核酶的功能核酶在自然界中广泛存在，在三界生物中都被发现并参与 多 种多样的生物学反应 . 小核酶主要存在于病毒、 类病毒和微卫 星的 RNA 基因组中，加工滚环复制获得的中间产物到基因组长 度4 I 型和 II 型内含子在低等真核生物和植物的细胞器基因 组 中富集存在，它们的准确剪接对其宿主基因所编码的 RNA的成 熟至关重要旦铁目前为止， 发现两类核酶在三界生物中普 遍存在， 起看家功能 .

12、一类是负责加工 tRNA 成熟的核糖核酸酶 RNase P(r i bonuc IeaseP), 它由蛋白质和 RNA 共同组成，但其催化功能由 RNA 组分独立完成，因此称为 RNase P 核酶 另外，在生物体最重要 的生物学过程多肽的合成中， 肽键的形成是由核糖体 RNA 的 肽酰转移酶活性催化的，这意味着核糖体也 是一个核酶 2. 5 tmRNAtmRNA 是一类普遍存在于各种细菌及细胞器 (如叶绿体，线 粒 体)中的稳定小分子 RNA 。它具有 niRNA 分子和 tRNA 分子的双重 功能，它在一种特殊的翻译模式反式翻译模式中发挥重要 作 用。同时，它与基因的表达调控以及细胞周期的

13、调控等生命过 程 密切相关，是细菌体内蛋白质合成中起“质量控制”的重要分 子 之一。2. 5. 1 tmRNA 的结构5RNA 主要包括 12 个螺旋结构 (hel ix1-hel ix12, H1-H12) 和 4 个假结”结构 (pseudoknots, pK1-pK4), 同时还包括一个 可译框架 (open read i ng frame, ORF) 序列的单链 RNA 结构 o tmRNA 中 H1 由 5端和 3端两个末端形成，与 tRNA 的氨基酸受体臂 相似。 H1 和 H2 的5,部分之间有一个由10-13nt形成的环，类似tRNA中的二 氢 尿口密唳环，称为环。 H3和H4

14、, H6和H7, H8和H9, H10和H门之间分别形成Pk1, pK2, pK3, pK4o H4 和H5之间则由一 段包含编码 标记肽ORF的单链RNA连接。H12由5个碱基对和7nt形成的环 组成，类似tRNA中的T屮C臂和T屮C环，称为环9OtmRNA结构按照功能进行划分可分为 tRNA类似域(TLD)和mRNA类似域(MLD), TLD主要包括H1,H2,H12,环和T环，MDL则包括 ORF和H5,这两部分分别具有类似 tRNA和mRNA的功能。B 曲 V 1 事驚. * J!HE MBI 刁、I I 2. 5. 2 tmRNA 的功能2. 5. 2. 1反式翻译当一个正常的翻译过

15、程将要结束时，可能由于遇到该 mRNA缺少正常的终止密码子，该核糖体依然会滞留在该 mRN，这时就需要tmRNA结合到该核糖体上，在不完整的新生多肽链上连接一一 段能被某些特异性蛋白水解酶降解的标记肽，并使核糖体的两个 亚基分离开，使其能迅速下一轮翻译过程。2. 5. 2. 2 基因表达调控tmRNA 通过与包括 Lacl 和其它调节蛋白在内的 DNA 结合蛋白相 互作用，以减少这些调节因子在生物体内的自由含量，从而降低 其调节活性，实现对基因的表达调控。2.5. 2. 3 细胞周期调控tmRNA 的活性对于细胞从 G1-S 期的过渡是必需的，表明在 DNA 复制时期，可能需要一条依赖 tmR

16、NA 的信号通道。2.6核仁小 RNA（ snoRNA）2. 6.1 snoRNA 的结构snoRNA 是细胞核内的一类高丰度的小分子非编码 RNA 按其结结 构 与功能特点，绝大多 snoRNA 可归为两类 boxC/D snoRNA 和 box H/ACA snoRNA, 均具有保守的特征二级结构， boxC/D snoRNA 类 能形成“发夹 - 较链 - 发夹 - 尾部”状二级结构（图 a） 。 boxC/D snoRNA 其分子两端的 box C, boxD 以及末端配对序列能形 成保守 的“茎 - 内环 - 茎”状二级结构，称为 uK-turn ,J 结构（图 b,c ） 10目前

17、, 在真核生物 C/D snoRNA 古细 C/D snoRNA 和 H/ACA snoRNA 以及 rRNA, U4 snRNA 中都发现了 K-turn 结构, 说明它是一种 在 RNA 中保守存在的与蛋白质相互作用的二级结构。(a)2.6. 2 snoRNA 的功能 大多数 boxC/D snoRNA 和 box H/ACAsnoRNA分别具有指导rRNA, snRNA或tRNA前体中特定核昔2- 0-核糖甲基化修饰与假尿卩密唳化修饰的功能；少部分 snoRNA参与rRNA前体的加工剪切，与 rRNA的正确折叠和组装相关。2.7微 RNA( microRNAs； miRNA,又译小分子

18、RNA2. 7.1 miRNA 的结构miRNA广泛地存在于多重真核生物中，从低等生物到人类都 有其存在的痕迹。它是一类长度为 2广25 nt的单链RNA分子片段，属于非蛋白编码 RNA。miRNA和siRNA都是经Dicer作用而 形成的产物，也称为 Dicer产物。miRNA有一个很有趣的共同特点，就是它的序列存在于茎环 结构中的茎上。这种茎环结构通常是由 70多个核昔酸组成的不完全的发夹结构，上面有一些凸起和环状结构。茎部形成双链 RNA ,但不是严格互补，可存在错配和GU摆动配对。2. 7.2 miRNA 的功能miRNA 基因是一类高度保守的非编码基因大家族，它在基因 调节方面具有巨

19、大的潜力。 据其作用模式的不同可以分为三类： 第 一类如 I in4, 与 mRNA 不完全互补，当 miRNA 与靶 mRNA 不完 全 配对结合时，主要影响其翻译过程而对 mRNA 的稳定性无影响。 第二类如 miR39 和 miR171, 与其靶 mRNA 完全互补，当其与 mRNA 完全配对结合后， 分裂切割靶 mRNAo 第三类作用模式如 Iet7, 当其 与靶 RNA 完全互补配对时， 直接靶向切割 mRNA, 而不完全 互补配 对时起调节基因表达的作用、2.8小干扰 RNA (Small interfering RNA ； siRNA) 有时称为 短 干扰 RNA(short i

20、nterfering RNA) 或沉默 RNA(si lencing RNA)2. 8.1 siRNA 的发现1990 年初，科学家在矮牵牛花中导入与花青素合成有关的查尔 酮 合成酶基因。 原以为转基因的牵牛花会变得更鲜艳， 结果却发 现， 一些花反而被漂白了。这种过度表达内源基因而引发的基因 沉默被称为共阻遏。在上述研究的背景下， Fire 等财在进行线 虫基因 沉默研究中，分别注射肌肉蛋白的正义、反义和双链 RNA, 结果表 明双链 RNA 的抑制效果是单链 RNA 的 10 到 100 倍。他 们将这种 双链 RNA 抑制基因表达的现象称为 RNA 干扰 (RNAi), 把引发 RNA

21、干扰现象的 RNA 称为干扰 RNA 。他们因此获得了 2006 年诺贝尔 生理学或医学奖。2. 8. 2 siRNA 的功能siRNA 是长度 20 到 25 个核昔酸的双股 RNA, 在生物学上有 许多不同的用途。目前已知 siRNA主要参与RNA干扰(RNAi)现 象，以带有专一性的方式调节基因的表达。此外，也参与一些与 RNAi 相关的反应途径，例如抗病毒机制或是染色质结构的改变。 其生理意义在于，生物的抗御机制，调控细胞分化与胚胎发育， 维持基因组的稳定以及 RNA 水平上的调控机制。3.小结RNA 分子种类的多样性，集信息分子和功能分子于一身 , 促使人 们对 RNA 的地位作出新的思考。 RNA 可能是具有最复杂演化历史 的生物大分子，它的转录后加工远比任何一类大分子合成后的加 工都复杂，拼接、编辑和干扰可以消除基因突变的危害，增加遗 传 信息的多样性，促进生物进化，使生物体结构和功能不断完 善。研 究表明 , RNA 可能也是学习，记忆及某些获得性遗传的分 子基础。 有关 RNA 的研究必将继续为科学界所关注。( 注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢 !)