的種類與功能的多樣性

1、 論 文： RNA種類和功能的多樣性RNA種類和功能的多樣性摘要：生物體內(nèi)目前已發(fā)現(xiàn)的RNA 有十多種。RNA 可以作為病毒基因組;RNA 在蛋白質(zhì)生物合成,包括轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后的加工、編輯、修飾中扮演了重要角色;具有重要的催化和持家功能,對基因表達(dá)和細(xì)胞功能進(jìn)行調(diào)節(jié),并在生物進(jìn)化中起重要作用。關(guān)鍵詞：RNA;種類;功能引言DNA 是遺傳信息的主要載體,生物體的生理功能主要由蛋白質(zhì)來執(zhí)行。在DNA 和蛋白質(zhì)之間,RNA 起著中介作用。與DNA 相比,RNA 種類較多,分子量相對較小,在遺傳信息表達(dá)和調(diào)控過程中各類RNA 分別發(fā)揮作用。這是我們對RNA 的基本知識。隨著研究的深入,人們發(fā)現(xiàn)生物體內(nèi)R

2、NA 的種類和功能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出從前對它的認(rèn)識,不僅僅是在基因表達(dá)時作為中介那樣簡單,它在生命活動的各個方面和生物進(jìn)化過程中起著相當(dāng)重要的作用?，F(xiàn)從生物體內(nèi)RNA 的種類和功能的多樣性作一概述。2生物體內(nèi)RNA 的種類目前看來,生物體內(nèi)有14個種類的RNA: (1) 信使RNA(mRNA) ,攜帶從DNA 轉(zhuǎn)錄來的遺傳信息。(2) 轉(zhuǎn)運(yùn)RNA(tRNA) ,負(fù)責(zé)蛋白質(zhì)合成時氨基酸的轉(zhuǎn)運(yùn)。(3) 核糖體RNA( rRNA) ,在核糖體中起裝配和催化作用。(4) 具有催化作用的RNA ,即核酶(ribozyme) 和其它RNA 自我催化分子。(5) 基因組RNA(genome RNA) ,指一些病毒以

3、RNA 為遺傳物質(zhì)。(6)指導(dǎo)RNA(guide RNA) ,是指導(dǎo)RNA 編輯的小RNA 分子。(7)mRNA 樣非編碼RNA ,其轉(zhuǎn)錄和加工方式同mRNA ,但不翻譯為蛋白質(zhì)。已知這類RNA 有20 多種,例如人的xistRNA 和X染色體的XIST結(jié)合,使此X染色體失去轉(zhuǎn)錄活性。(8) tmRNA ,本身既是tRNA 又是mRNA ,翻譯時一身二任。如大腸桿菌中的10Sa RNA。(9) 小胞質(zhì)RNA( small cytoplasmic RNA ,scRNA) ,存在于細(xì)胞質(zhì)中的小RNA 分子。如信號識別顆粒(signal recognition particle ,SRP) 組分中含

4、有的7S RNA。(10) 小核RNA(small nuclear RNA ,snRNA) ,是剪接體的組分。(11) 核仁小RNA(small nucleolar RNA ,snoRNA) ,參與rRNA 的加工。(12) 端粒酶RNA ,是真核生物端粒復(fù)制的模板。(13) 反義RNA(antisense RNA) ,可通過與靶位序列互補(bǔ)而與之結(jié)合的RNA ,或直接阻止靶序列功能,或改變靶部位構(gòu)象而影響其功能。（14）小RNA,包括miRNA和siRNA。2.1 信使RNA（message RNA, mRNA）信使RNA屬于唯一的編碼RNA，是編碼蛋白的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物。其作為基因與蛋白質(zhì)生物合成的

5、之間的“信使”，可通過密碼三聯(lián)子翻譯生成特定的蛋白質(zhì)序列，從而起著遺傳信息由DNA表現(xiàn)到蛋白質(zhì)的中間傳遞者的核心作用。相對而言，mRNA在細(xì)胞中的含量很少，并且壽命很短，完成任務(wù)以后便被降解而非持續(xù)存在。mRNA的降解在它發(fā)揮調(diào)控功能的過程中起著重要作用。貯存在DNA上的遺傳信息通過mRNA傳遞到蛋白質(zhì)上，mRNA與蛋白質(zhì)之間的聯(lián)系是通過遺傳密碼的破譯來實(shí)現(xiàn)的。mRNA上每3個核苷酸翻譯成蛋白質(zhì)多肽鏈上的一個氨基酸，這3個核苷酸就稱為密碼，也叫三聯(lián)子密碼即密碼子（codon）1。 mRNA與核糖體結(jié)合后作為蛋白質(zhì)合成的模板，其上的密碼子與tRNA上的反密碼子相互作用，多肽鏈依次延長，最后形成完

6、整的多肽鏈再經(jīng)進(jìn)一步變化成為蛋白質(zhì)。舉個例子：如果把DNA比作大學(xué)里的導(dǎo)師，（顯然二者同樣在各自的小圈子里處于核心支配地位）那么可以把實(shí)驗(yàn)成果比喻為蛋白質(zhì)，導(dǎo)師一般不必親自做實(shí)驗(yàn)，而可以通過比如手下的博士生（相當(dāng)于mRNA）向研究生或其他學(xué)生提供思路和方向（信息）。在試驗(yàn)臺（相當(dāng)于核糖體或rRNA）上直接做實(shí)驗(yàn)的學(xué)生（相當(dāng)于tRNA）按照要求投入實(shí)驗(yàn)原料（看做氨基酸），并最終得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)然，例子不盡完善，所體現(xiàn)出來的RNA功能也只是很淺層次的，實(shí)際上RNA具有其他許多保障完成使命的其他功能。2.2 轉(zhuǎn)運(yùn)RNA（transfer RNA, tRNA）轉(zhuǎn)運(yùn)RNA（transfer RNA, t

7、RNA），負(fù)責(zé)特異性讀取mRNA中包含的遺傳信息，并將信息轉(zhuǎn)化成相應(yīng)氨基酸后連接到多肽鏈中。tRNA為每個密碼子翻譯成氨基酸提供了結(jié)合體，同時還準(zhǔn)確地將所需AA運(yùn)送到核糖體上。鑒于tRNA在蛋白質(zhì)合成中的關(guān)鍵作用，又把tRNA稱作第二遺傳密碼。tRNA具有三葉草型二級結(jié)構(gòu)以及“L”型三級結(jié)構(gòu)，這些高級結(jié)構(gòu)是適用于tRNA的生物功能的，并為我們提供了研究線索。tRNA的不同種類及數(shù)量可對蛋白質(zhì)合成效率進(jìn)行調(diào)節(jié)。2.3 核糖體RNA（ribosomal RNA, rRNA）核糖體RNA是細(xì)胞中最為豐富的RNA，在活躍分裂的細(xì)菌細(xì)胞中占80%以上。他們是核糖體的組分，并直接參與核糖體中蛋白質(zhì)的合成。

8、核糖體是rRNA提供了一個核糖體內(nèi)部的“腳手架”，蛋白質(zhì)可附著在上面。這種解釋很直接很形象，但是低估了rRNA在蛋白質(zhì)合成中的主動作用。較后續(xù)的研究表明，rRNA并非僅僅起到物理支架作用，多種多樣的rRNA可起到識別、選擇tRNA以及催化肽鍵形成等多種主動作用。例如：核糖體的功能就是,按照mRNA的指令將氨基酸合成多肽鏈。而這主要依靠核糖體識別tRNA 并催化肽鍵形成而實(shí)現(xiàn)?？梢哉f核糖體是一個大的核酶( ribozyme) 2。而核糖體的催化功能主要是由rRNA來完成的,蛋白質(zhì)并沒有直接參與。此外，在物種研究方面rRNA也有用途：rRNA 結(jié)構(gòu)既具保守性又具高變性，保守性反映生物物種的親緣關(guān)系

9、，高變性則揭示生物物種的特征核酸序列，是屬種鑒定的分子基礎(chǔ)3。2.4核酶（ribonucleic acid enzyme, 簡稱ribozyme）核酶的發(fā)現(xiàn)與分類從人類認(rèn)識到酶的存在開始到20 世紀(jì)80 年代初期, 酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)這一概念根深蒂固。但是美國科羅拉多大學(xué)的Cech 等人的出色工作卻從根本上改變了人們的這一認(rèn)識。美國科羅拉多大學(xué)（Boulder分校）cech實(shí)驗(yàn)室首先發(fā)現(xiàn)了RNA具有酶活性，因此Cech 與Altman 分享了1989 年的諾貝爾化學(xué)獎.根據(jù)一級序列的大小不同,核酶可以被分成小分子核酶和大分子核酶. 小分子核酶包括錘頭核酶、發(fā)卡核酶、VS(varkud satel

10、lite)核酶以及HDV(hepatitis delta virus)核酶, 它們的序列長度都在200 個核苷酸以下.大分子核酶包括 RNaseP,型內(nèi)含子（group intron）, 型內(nèi)含子(group intron)以及核糖體，它們的序列長度從幾百到幾千核苷酸不等. 核酶的功能核酶在自然界中廣泛存在, 在三界生物中都被發(fā)現(xiàn)并參與多種多樣的生物學(xué)反應(yīng). 小核酶主要存在于病毒、類病毒和微衛(wèi)星的RNA 基因組中, 加工滾環(huán)復(fù)制獲得的中間產(chǎn)物到基因組長度4 型和型內(nèi)含子在低等真核生物和植物的細(xì)胞器基因組中富集存在4, 它們的準(zhǔn)確剪接對其宿主基因所編碼的RNA 的成熟至關(guān)重要5.6. 目前為止,

11、 發(fā)現(xiàn)兩類核酶在三界生物中普遍存在, 起看家功能. 一類是負(fù)責(zé)加工tRNA 成熟的核糖核酸酶RNase P(ribonucleaseP), 它由蛋白質(zhì)和RNA 共同組成, 但其催化功能由RNA 組分獨(dú)立完成, 因此稱為RNase P 核酶7. 另外,在生物體最重要的生物學(xué)過程多肽的合成中, 肽鍵的形成是由核糖體RNA的肽酰轉(zhuǎn)移酶活性催化的,這意味著核糖體也是一個核酶8.2.5 tmRNA tmRNA是一類普遍存在于各種細(xì)菌及細(xì)胞器（如葉綠體，線粒體）中的穩(wěn)定小分子RNA。它具有mRNA分子和tRNA分子的雙重功能，它在一種特殊的翻譯模式反式翻譯模式中發(fā)揮重要作用。同時，它與基因的表達(dá)調(diào)控以及細(xì)

12、胞周期的調(diào)控等生命過程密切相關(guān)，是細(xì)菌體內(nèi)蛋白質(zhì)合成中起“質(zhì)量控制”的重要分子之一。2.5.1 tmRNA的結(jié)構(gòu)tmRNA主要包括12個螺旋結(jié)構(gòu)（helix1-helix12,H1-H12）和4個“假結(jié)”結(jié)構(gòu)（pseudoknots,pK1-pK4），同時還包括一個可譯框架（open reading frame,ORF）序列的單鏈RNA結(jié)構(gòu)。tmRNA中H1由5端和3端兩個末端形成，與tRNA的氨基酸受體臂相似。H1和H2的5部分之間有一個由10-13nt形成的環(huán)，類似tRNA中的二氫尿嘧啶環(huán)，稱為“D”環(huán)。H3和H4，H6和H7，H8和H9，H10和H11之間分別形成Pk1，pK2，pK3，

13、pK4。H4和H5之間則由一段包含編碼標(biāo)記肽ORF的單鏈RNA連接。H12由5個堿基對和7nt形成的環(huán)組成，類似tRNA中的TC臂和TC環(huán)，稱為“T”環(huán)9。tmRNA結(jié)構(gòu)按照功能進(jìn)行劃分可分為tRNA類似域（TLD）和mRNA類似域（MLD），TLD主要包括H1,H2,H12,“D”環(huán)和“T”環(huán)，MDL則包括ORF和H5，這兩部分分別具有類似tRNA和mRNA的功能。 tmRNA的功能.1反式翻譯當(dāng)一個正常的翻譯過程將要結(jié)束時，可能由于遇到該mRNA缺少正常的終止密碼子，該核糖體依然會滯留在該mRNA上，這時就需要tmRNA結(jié)合到該核糖體上，在不完整的新生多肽鏈上連接一段能被某些特異性蛋白水解

14、酶降解的標(biāo)記肽，并使核糖體的兩個亞基分離開，使其能迅速下一輪翻譯過程。.2基因表達(dá)調(diào)控tmRNA通過與包括LacI和其它調(diào)節(jié)蛋白在內(nèi)的DNA結(jié)合蛋白相互作用，以減少這些調(diào)節(jié)因子在生物體內(nèi)的自由含量，從而降低其調(diào)節(jié)活性，實(shí)現(xiàn)對基因的表達(dá)調(diào)控。.3細(xì)胞周期調(diào)控tmRNA的活性對于細(xì)胞從G1-S期的過渡是必需的，表明在DNA復(fù)制時期，可能需要一條依賴tmRNA的信號通道。2.6 核仁小RNA(snoRNA) snoRNA的結(jié)構(gòu)snoRNA是細(xì)胞核內(nèi)的一類高豐度的小分子非編碼RNA按其結(jié)結(jié)構(gòu)與功能特點(diǎn)，絕大多snoRNA可歸為兩類boxC/D snoRNA和box H/ACA snoRNA，均具有保守

15、的特征二級結(jié)構(gòu)，boxC/D snoRNA類能形成“發(fā)夾-鉸鏈-發(fā)夾-尾部”狀二級結(jié)構(gòu)（圖a）。boxC/D snoRNA其分子兩端的box C,boxD以及末端配對序列能形成保守的“莖-內(nèi)環(huán)-莖”狀二級結(jié)構(gòu)，稱為“K-turn”結(jié)構(gòu)（圖b,c）10。目前，在真核生物C/D snoRNA古細(xì)菌C/D snoRNA和H/ACA snoRNA以及rRNA，U4 snRNA中都發(fā)現(xiàn)了“K-turn”結(jié)構(gòu)，說明它是一種在RNA中保守存在的與蛋白質(zhì)相互作用的二級結(jié)構(gòu)。 snoRNA的功能大多數(shù)boxC/D snoRNA和box H/ACA snoRNA分別具有指導(dǎo)rRNA，snRNA或tRNA前體中特定

16、核苷2-O-核糖甲基化修飾與假尿嘧啶化修飾的功能；少部分snoRNA參與rRNA前體的加工剪切，與rRNA的正確折疊和組裝相關(guān)。2.7 微RNA（microRNAs；miRNA，又譯小分子RNA） miRNA的結(jié)構(gòu)miRNA廣泛地存在于多重真核生物中，從低等生物到人類都有其存在的痕跡。它是一類長度為2125 nt 的單鏈RNA分子片段，屬于非蛋白編碼RNA。miRNA和siRNA都是經(jīng)Dicer作用而形成的產(chǎn)物，也稱為Dicer產(chǎn)物。miRNA 有一個很有趣的共同特點(diǎn),就是它的序列存在于莖環(huán)結(jié)構(gòu)中的莖上。這種莖環(huán)結(jié)構(gòu)通常是由70 多個核苷酸組成的不完全的發(fā)夾結(jié)構(gòu),上面有一些凸起和環(huán)狀結(jié)構(gòu)。莖部

17、形成雙鏈RNA ,但不是嚴(yán)格互補(bǔ),可存在錯配和GU擺動配對。 miRNA的功能miRNA基因是一類高度保守的非編碼基因大家族，它在基因調(diào)節(jié)方面具有巨大的潛力。據(jù)其作用模式的不同可以分為三類：第一類如lin4，與mRNA不完全互補(bǔ)，當(dāng)miRNA與靶mRNA不完全配對結(jié)合時，主要影響其翻譯過程而對mRNA的穩(wěn)定性無影響。第二類如miR39 和 miR171，與其靶mRNA完全互補(bǔ)，當(dāng)其與mRNA完全配對結(jié)合后，分裂切割靶mRNA。第三類作用模式如let7，當(dāng)其與靶RNA完全互補(bǔ)配對時，直接靶向切割mRNA，而不完全互補(bǔ)配對時起調(diào)節(jié)基因表達(dá)的作用11。2.8 小干擾RNA（Small interfe

18、ring RNA；siRNA）有時稱為短干擾RNA（short interfering RNA）或沉默RNA（silencing RNA） siRNA的發(fā)現(xiàn)1990年初，科學(xué)家在矮牽?；ㄖ袑?dǎo)入與花青素合成有關(guān)的查爾酮合成酶基因。原以為轉(zhuǎn)基因的牽?；〞兊酶r艷，結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)，一些花反而被漂白了。這種過度表達(dá)內(nèi)源基因而引發(fā)的基因沉默被稱為共阻遏。在上述研究的背景下，F(xiàn)ire 等12在進(jìn)行線蟲基因沉默研究中，分別注射肌肉蛋白的正義、反義和雙鏈RNA，結(jié)果表明雙鏈RNA 的抑制效果是單鏈RNA 的10 到100 倍。他們將這種雙鏈RNA 抑制基因表達(dá)的現(xiàn)象稱為RNA 干擾(RNAi)，把引發(fā)RNA 干擾現(xiàn)象的RNA 稱為干擾RNA。他們因此獲得了2006 年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。2.8.2 siRNA的功能siRNA是長度20到25個核苷酸的雙股RNA，在生物學(xué)上有許多不同的用途。目前已知siRNA主要參與RNA干擾（RNAi）現(xiàn)象，以帶有專一性的方式調(diào)節(jié)基因的表達(dá)。此外，