备课素材：RNA的结构、功能及应用 高一下学期生物人教版必修二

RNA的结构、功能及应用RNA最早由FriedrichMiescher于1869年在细胞核中发现，被称作“nuclein”（中译名为“核素”）。１９世纪后半叶，科学家们不断深入探索，将其与ＤＮＡ和蛋白质区别开来，最终定名为RNA。随后，诺贝尔奖获得者AlbrechtKossel纯化得到RNA样本。以此为基础，RNA的化学结构组成被逐步揭示，其由核糖、磷酸和碱基所构成的核糖核苷酸通过磷酸二酯键缩合而成。不同RNA分子中腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶等碱基的排列顺序不同。RNA化学结构的确定为其生物学功能探讨奠定了坚实基础。２０世纪中后期，与蛋白质合成密切相关的信使RNA（ｍRNA）、转运RNA（ｔRNA）和核糖体RNA（ｒRNA）分别被鉴定出来，不同类型的RNA及其序列结构在体内、体外的合成方式得以阐明，而发现ｍRNA碱基排列顺序决定氨基酸序列的对应关系使人们认识到，RNA是基因表达和生命遗传的关键载体分子。20世纪末，分子生物学技术的发展推动了微小RNA（miRNA）、小干扰RNA（siRNA）、长链非编码RNA（lncRNA）及环状RNA（circRNA）等的发现，这些新发现的RNA并不直接作为遗传信息载体，而是通过调控基因表达等方式参与特定的细胞生命活动。１.ｍRNA在细胞核内，以DNA反义链为指导模板，RNA聚合酶将核苷三磷酸与ＤＮＡ分子的碱基配对连接，合成携带遗传信息的RNA分子即为ｍRNA，这一过程称为转录。ｍRNA序列形成的三联体密码子，指导蛋白质的合成，因此也被称为遗传密码。真核生物ｍRNA在转录过程中，５′端会添加７甲基鸟苷残基形成帽子结构，保护ｍRNA免遭核酸酶降解，该帽子结构可被帽子结合蛋白识别，使ｍRNA与核糖体小亚基结合促进翻译起始。ｍRNA的３′端一般为poly（Ａ）尾巴结构，能防止核酸外切酶对ｍRNA遗传序列的降解，提高ｍRNA在细胞质中的稳定性。新近发现poly（Ａ）还可附着核输出因子，促进ｍRNA通过核孔转移到细胞质中。真核生物ｍRNA一般需要经过修饰、剪接等转录后加工才能成熟为具有翻译功能的ｍRNA，成熟的ｍRNA是单顺反子，一条ｍRNA链只编码一种蛋白质。原核生物ｍRNA在转录过程中，不生成５′端帽子结构，３′端有较短的或没有poly（Ａ）尾巴结构。原核生物ｍRNA一般不需加工即可进行蛋白质的翻译，其ｍRNA为多顺反子，一条ｍRNA链可同时编码几种不同的蛋白质。由于ｍRNA是DNA转录产生，采用ｍRNA反转录法可得到相应的ｃDNA分子以进行基因扩增，基于此开发的qPCR技术常用来检测基因的表达水平，应用于基因表达分析及疾病诊断。paul等采用qPCR方法分别检测不同组婴儿脐带血中FZD4ｍRNA表达，结果显示重症缺氧缺血性脑病患儿中FZD4ｍRNA显著高表达，因此FZD4ｍRNA可作为分娩时HLE严重程度的早期标志物。近年来ｍRNA还被应用于疫苗的研发。2020年12月2日，ｍRNACOVID19疫苗在英国获得临时紧急使用授权，该ｍRNA疫苗是由脂质纳米颗粒中经核苷修饰的ｍRNA组成的，在宿主细胞中，ｍRNA被翻译为SARSCOV２刺突蛋白，该蛋白在宿主细胞中表达，通过引起抗原的免疫反应预防COVID。此外，ｍRNA降解规律的逐步阐明将为法医工作者准确判断死者死亡时间提供新的科学证据。２.ｔRNAｔRNA是ｍRNA密码子进入翻译的结合载体，也被称为第二遗传密码。所有的ｔRNA分子均可排布成三叶草形二级结构，包括４个双螺旋区、３个环及１个附加叉。ｔRNA的３′末端螺旋区以CCAOH结束，是氨基酸结合位点，细胞质中的氨基酸经腺苷酸化后，通过腺苷酸的２′或３′羟基与对应的ｔRNA３′端结合生成氨酰ｔRNA，后者转运到核糖体Ａ位点，然后ｔRNA反密码子环中部的反密码子与ｍRNA密码子正确配对，进一步在肽酰转移酶作用下，将Ｐ位点ｔRNA上的肽链转移至Ａ位点ｔRNA的氨基酸上，延伸肽链。依据功能不同，一般将ｔRNA分为起始和延伸ｔRNA、同工ｔRNA及校正ｔRNA等（表１）。作为基因表达的必要辅助元件，针对ｔRNA的检测和分析在一定程度上可反映疾病的发生，Ｈani等通过高通量的ｔRNA分析方法，发现人乳腺癌细胞获得转移活性时，特定ｔRNA上调。此外，在合成生物学中，ｔRNA已被用于扩展微生物的遗传密码，science上的一项研究发现，将３个反密码子残基从大肠杆菌ｔRNAMet移植到ｔRNAVal，即可使ｔRNAVal的特异性识别从ValRS合成酶转变为MetRS合成酶，导致ｔRNAVal氨酰化甲硫氨酸。这种通过改造ｔRNA结构扩展遗传密码的方法可实现非天然氨基酸的编码，帮助合成新功能蛋白。３.ｒRNAｒRNA约占细胞总RNA的80％，一般为含螺旋区的单链分子。原核生物有5S、16Ｓ和23ＳRNA，真核生物主要有5Ｓ、5.8Ｓ、18Ｓ和28ＳｒRNA。ｒRNA与核糖体蛋白结合形成大、小亚基，在肽链合成起始时进一步装配成核糖体。ｒRNA的功能尚未完全明了，目前认为，ｒRNA从多方面参与蛋白质翻译，如与ｍRNA的前导序列互补结合，帮助ｍRNA与核糖体结合；为ｔRNA提供结合位点；具有肽酰转移酶活性，催化肽键形成等。ｒRNA在物种进化上较为保守，因此ｒRNA测序常用于物种鉴定。真核生物研究中常提取18ＳｒRNA，通过PCR扩增、测序、NCBIblast序列比对，鉴定生物种属；原核生物研究中常利用16ＳｒRNA来鉴定微生物种属或分析遗传变异位点。目前，ｒRNA测序的应用已遍及环境科学、食品科学、生物工程及临床医学等多个领域。４.ｍiRNAmRNA是真核生物内源性非编码单链RNA分子，长21—13nt，其主要通过结合ｍRNA的３′UTR区，降解或使靶ｍRNA不稳定，从而抑制转录后翻译。ｍiRNA的结合序列一般为2—8ntｎｔ，因此1条ｍiRNA可抑制多个基因。但最新研究表明，部分ｍiRNA也可能参与翻译激活调节，如在哺乳动物细胞有丝分裂静止期（Ｇ０）翻译起始不能正常进行时，部分ｍiRNA和AGO２组成的复合物与ｍRNA的３′UTR结合，在其他细胞因子的协同参与下，切除polyＡ）以启动核糖体对目标ｍRNA的翻译。由于绝大部分ｍiRNA的表达具有高度组织和细胞特异性，因此ｍiRNA可应用于疾病诊断和治疗。如ｍiＲNA29已被认为是癌症诊断和预后的重要标记分子。人肝脏中高表达的ｍiＲNA122已被证明是丙型肝炎病毒（HCV）感染的必需宿主因子，可以作为治疗靶标来降低HCV病毒载量。５.siRNAsiRNA为长度20—25nt的RNA分子。外源性双链RNA分子进入细胞后，经核酸内切酶切割生成siRNA，后者与靶ｍRNA结合导致目标ｍRNA降解，引发基因沉默，称为RNA干扰。siRNA与miRNA均可抑制基因表达，但也存在明显不同。利用siRNA的基因沉默功能，通过人工合成siRNA抑制基因表达探讨基因功能的技术已成为当前科学研究的常用方法。此外，由于siRNA与靶ｍRNA结合的高度特异性，设计沉默病毒复制关键因子表达的siRNA是新型精准抗病毒药物研发的热点并展示出巨大的应用前景。已有研究表明，靶向人乳头瘤病毒E7ｍRNA的siRNA转染Hela细胞，会显著抑制HPV复制，Hela细胞存活率明显升高。针对人胶质母细胞瘤的siRNA纳米药物已进入临床试验阶段，显著提高了患者的存活率.６.lncRNAlncRNA是一类长度超过200nt的不编码蛋白质的RNA分子。与ｍRNA相比，lncRNA具有５′帽子、茎环结构和３′poly（Ａ）尾巴，但缺乏开放阅读框。lncRNA可从多个层次调节基因表达或蛋白质功能。在转录过程中，lncRNA可以通过调控增强子活性、竞争转录因子或抑制RNA聚合酶与启动子结合等方式影响基因表达。lncRNA还可直接与靶ｍRNA序列互补配对形成RNA二聚体，参与ｍRNA的可变剪接、翻译和降解等转录后调控。lncRNA还可通过控制miRNA间接影响ｍRNA靶基因的表达量，其上有多个区域可以与miRNA竞争性结合，削弱miRNA对目的基因表达的抑制，使ｍRNA正常翻译。某些特定的lncRNA还可招募染色质重构或修饰复合体到特定位点，促发剂量补偿效应、染色质修饰以及基因组印记等，使基因表达发生可遗传性改变。lncRNA在多种疾病的发生发展过程中发挥着重要作用，针对过敏性鼻炎等顽症的lncRNA分析正在开展，有望为相关疾病的治疗开辟新方法。lncRNA还可作为生物标记物应用于癌症治疗方面，最新研究表明，lncRNALUCAT１在甲状腺瘤中高表达，且LUCAT１表达升高的患者总生存期和无复发生存期较短，因此，可将LUCAT１作为甲状腺癌等患者的预后标志物。７.cirｃRNAcirｃRNA是一种闭合环状RNA分子，这种结构使其不易被核酸外切酶降解，表达更稳定，并因此成为RNA领域研究的最新热点。根据序列特征及转录来源不同，cirｃRNA主要分为３类，即外显子环化生成（占大多数）、内含子套索生成及内含子和外显子共同转录生成。外显子转录生成的cirｃRNA因含有ｍｉRNA结合位点原件，具有与lncRNA相似的miRNA海绵作用，通过竞争性结合相应的miRNA间接调控基因表达；内含子转录生成的cirｃｃRNA多与RNA聚合酶Ⅲ结合促进基因转录；细胞核内的内含子和外显子共同来源的cirｃRNA可与小核糖体U1snRNP作用，形成的复合物在启动子区与RNA聚合酶Ⅱ结合促进基因表达。cirｃRNA由特殊的可变剪切产生，大部分序列高度保守，少部分序列具有一定的组织和时序（如发育阶段）特异性，因此其也是疾病诊断和治疗的重要标志物或靶标。如cirｃRNAMTO１在肝癌组织中低表达，并且可以通过吸附MIＲ９促进p21的表达，抑制细胞增殖，因此是肝癌不良预后的预测因子。基于cirｃRNA可以通过充当miRNA海绵或者直接与RNA结合蛋白结合调节细胞自噬的分子机制，cirｃRNA可应用于肿瘤