生物化学A（上）12-核酸化学3-RNA的结构和特性

1、RNA结构与特性Structure and Characters of RNAs1. 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-Crick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。RNA分子4. RNA分子的组成成分可以通过由酶 (Ribo

2、nucleotide 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

3、去。RNA的空间结构与功能 RNA通常以单链形式存在，但也可形成局部的双螺旋结构。 RNA分子的种类较多，分子大小变化较大，功能多样化。 主要的RNA种类有rRNA、mRNA、tRNA、HnRNA(不均一核RNA)、SnRNA(小核RNA)、SnoRNA(核仁RNA)、ScRNA(胞浆小RNA)等。 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(核酶)*6. 病毒基因组的担体 Crick的中心法则DNA

4、1957年转录RNA翻译ProteinDNA1970年反转录ProteinRNA细胞中的RNAmRNA 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。原核生物的基因结构转录终止子转录终止DNA启动子转录起始结构基因1结构基因2结构基因3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

5、真核生物的基因结构启动子外显子内含子转录终止子DNA真核基因mRNA的形成真核生物mRNA的剪接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有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。 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

6、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 。真核生物mRNA的5端和3端5-帽子结构3-多聚腺苷酸(PolyA)7-甲基鸟苷三磷酸（m7GTP）5 cap structure真核生物mRNA5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；这种帽子结构还可能增加mRNA的稳定性，保护mRNA免遭5外切核酸

7、酶的攻击。 真核生物的mRNA多数接受5加帽修饰5帽子结构加帽过程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mRNA3端加polyA尾的信号。核酸酶在此信号下游10-15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

8、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。 snRNASmall 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。胞质中的小RNA为scRNA。 snRNA参与内含子的剪接U1 165N 核质U2 188N 核质 U3 216N 核小体U4 139N 核质U5 118N 核质U6 106N 核质 5:

9、(C/A)AG/GT(A/G)AGT3: (T/C)11N(C/T)AG/GTrRNA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。mRNAtRNA核糖体16 S rRNA序列

10、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。tRNA1. 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CpCp

11、AOH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7495 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。 tRNA与氨基酸的连接氨基酸臂二氢尿嘧啶环TC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1015个稀有碱基，如、甲基化的嘌呤和嘧啶核苷、DH、胸腺嘧啶(T)核苷和辫苷（Q）等。 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

12、基酸接受臂(amino acid acceptor arm)。3-端第511位核苷酸与5-端第17位核苷酸形成的螺旋区称氨基酸接受茎(amino acid acceptor stem)。TC环由7 Nt组成,参与tRNA与核糖体表面的结合。 额外环或可变环由318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。 二氢尿嘧啶环(D-loop)由812个碱基组成，含有13个修饰碱基(D) 一条mRNA上可以有多个核糖体同时合成蛋白质原核生物基因转录与蛋白质的合成可以同步进行真核生物蛋白质合成的起始RNA的加工类型1. C

13、leavage (切割）2. Trimming（修剪）3. Splicing（剪接）4. Editing（编辑）5. Modification（修饰）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 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。miRNA (microRNA)siRNA (small inteference RNA

14、)asRNA (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

15、角色。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。 RNA干扰(RNA interference，RNAi) 通过dsRNA介导特异性降解同源序列mRNA，从而特异抑制相应基因表达。早期通过导入全长dsRNA，在细胞内长双链被RNA酶相关的核酸酶(Dicer)处理，产

16、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eIF2c、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。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，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