结构与功能多样性详解

结构与功能多样性详解演示文稿目前一页\总数六十四页\编于十七点优选结构与功能多样性目前二页\总数六十四页\编于十七点基因组转录物mRNAncRNA调控功能RNA(RNA调节子)持家RNAsnoRNAsnRNArRNARNAasePRNAtRNAtmRNAvRNA(穹窿RNA)gRNA(指导RNA)SRPRNA端粒RNA初级转录物加工翻译和翻译质控转录调节/染色质结构调节翻译调节蛋白质功能调节RNA/蛋白质定位调节其它目前三页\总数六十四页\编于十七点

真核细胞内RNA的种类及分布种类细胞定位英文缩写分子大小及沉降系数功能信使RNA胞浆及细胞核线粒体mRNAmtmRNA取决于编码蛋白质的大小，1000~10,000个核苷酸9~40S蛋白质合成的模板

转运RNA胞浆及细胞核线粒体tRNAmttRNA4S，74-95个核苷酸3.2~4S转运氨基酸

核糖体RNA胞浆及细胞核线粒体rRNAmtrRNA28S，5400个核苷酸18S，2100个核苷酸5.8S，160个核苷酸5S，120个核苷酸16S，1650个核苷酸12S，1100个核苷酸

与蛋白质共同构成核糖体

目前四页\总数六十四页\编于十七点种类细胞定位英文缩写分子大小及沉降系数功能不均一核RNA胞浆及细胞核hnRNA成熟mRNA及其他RNA的前体

小核RNA胞浆及细胞核snRNA100~300个核苷酸

参与hnRNA的剪接、转运

小核仁RNA胞浆及细胞核snoRNArRNA的加工与修饰

小胞质RNA胞浆及粗面内质网

scRNA/7SL-RNA129个核苷酸

信号识别颗粒的组成成分，选择分泌蛋白

（续表）目前五页\总数六十四页\编于十七点二、RNA折叠（RNAfolding）DNA折叠通常是在双螺旋基础上的折叠，RNA折叠是单链回折形成双螺旋和单链交替出现的茎环结构，其基本单元是发夹（hairpin）。（RNA单链也倾向于形成单链螺旋）。多数RNA没有规则的二级结构（tRNA除外），统计分析结果显示，RNA折叠结构的基本模块为：假结（pseudoknots)；环（loop）；

RNA错配区（mispairingregions）；核苷三联体相互作用；四体（quadruplexes）；

U-转折（U-turn）等。目前六页\总数六十四页\编于十七点TypicalRNAhelixSinglestrandbulgeInternalloopHairpinHairpindoublehelix目前七页\总数六十四页\编于十七点根据单链碱基所处的位置，又可将环分为发夹环（hairpinloop）、内环（internalloop）、膨胀环（bulgeloop)以及多分支环（multibranchloop）：RNA折叠速度很快；单链区的存在使自由能升高，构象可能不是能量最低的稳态，而是亚稳态。目前八页\总数六十四页\编于十七点1。tRNA：呈三叶草形（个别二叶草）氨基酸臂(aminoacidarm)：7bp；富含G；末端为CCA，接受活化的氨基酸二氢尿嘧啶环(dihydrouridineloop；DHUloop；D-loop)：8~12nt；3~4bp的二氢尿嘧啶臂反密码环（anticodonloop):7nt；中部为反密码子额外环(extraloop)：也称可变环，3~18nt，是tRNA分类的重要指标假尿嘧啶核苷-胸腺嘧啶核糖核苷环(TCloop)：7nt目前九页\总数六十四页\编于十七点携带氨基酸辨认并结合氨酰tRNA合成酶识别mRNA上的密码子识别并结合核糖体氨基酸臂DHU环反密码环额外环TΨC环tRNA中几乎所有恒定或半恒定核苷酸都出现在环区或游离端区，此处也是蛋白质或其它分子结合部位或功能区。目前十页\总数六十四页\编于十七点•tRNA的三级结构：呈倒L形短臂：氨基酸臂+TC环

长臂：额外环+D环

+反密码环大小：657525A通过额外的碱基对形成一些二级结构中没有的新的氢键•tRNA不与蛋白质装配，无四级结构氨基酸臂TC环D-环额外环反密码环目前十一页\总数六十四页\编于十七点原核生物rRNA:23S,16S,5S•5SrRNA：位于大亚基上，无稀有碱基,可与tRNA和蛋白质相互识别和作用

•16SrRNA：位于核糖体小亚基上，与mRNA结合

•23SrRNA：位于核糖体大亚基上，是核酶，催化肽键的生成真核生物rRNA：修饰核苷较多大亚基：28S，5.8S，5S，小亚基：18SrRNA二级结构呈三叶形，是核糖体的骨架2。rRNA目前十二页\总数六十四页\编于十七点大肠杆菌16SrRNA的二级结构目前十三页\总数六十四页\编于十七点5SrRNA二级结构目前十四页\总数六十四页\编于十七点5´3´顺反子顺反子顺反子插入顺序插入顺序先导区末端顺序原核生物：多顺反子(polycistronicmRNA)，即一条

mRNA上有多个编码区，无修饰碱基(包括噬菌体RNA)5’-3’5’-帽子结构编码区3’非编码区3’-polyA尾巴

5’非编码区3。mRNA：

真核生物：单顺反子,有时有极少数甲基化的碱基目前十五页\总数六十四页\编于十七点mRNA（信使RNA，messengerRNA)：约占5%mRNA在真核生物中的初级产物称为hnRNA。hnRNA内含子(intron)编码序列mRNA

外显子(exon)编码序列3.1mRNA及其前体结构：目前十六页\总数六十四页\编于十七点Pre-mRNA由于存在内含子，因此其二级结构在成熟过程中是变化的。Pre-mRNA的内含子剪切，需要顺式作用元件（包括5’和3’剪切位点，以及分支点序列）和反式作用因子的相互作用。5’和3’剪切位点在内含子通常是保守的5’-GU…AG-3’，若其一发生变化，则激活相邻的GU或AG，引发选择性剪切。分支点一般位于3’-剪切点上游50nt范围内，酵母中分支点序列为：UACUAAC（其中倒数第三个A为分支点）反式作用因子包括U系列snRNA与蛋白质组成的snRNP，以及U2AF、hnRNP、IBP等参与剪切和调控。目前十七页\总数六十四页\编于十七点

内含子剪切位点与RNA二级结构的关系RNA的空间折叠结构在一级结构的拼接过程中提供重要信息。约90%的5’或3’剪切位点的G，都位于二级结构的环区基部或靠近环端部的茎区；3’剪切位点附近，通常还有两个比较靠近的环。约82%的分支点位于RNA的茎和环连接部位。5’3’目前十八页\总数六十四页\编于十七点

人弹性蛋白的外显子和内含子结构：目前十九页\总数六十四页\编于十七点mRNA和与其编码的蛋白质在空间结构上存在着令人惊奇的对应关系，说明核酸传递的遗传信息不仅是线性一维的，还存在空间三维信息的对应传递。以人的前尿激酶（humanprourakinase）分子为例：mRNA三级结构转弯区，同样对应于蛋白质的转弯区；-螺旋最强或中等形成者都位于mRNA二级结构的茎区；-折叠中的两条肽链，其mRNA编码序列一个位于环区，另一个一定位于茎区，并且一级序列相距可能很远，但在mRNA三级结构中彼此靠近。3.2mRNA与其编码的蛋白质空间结构对应关系：目前二十页\总数六十四页\编于十七点

人前尿激素酶mRNA结构

打点的区域对应于蛋白质转弯区；

T：turnB：-sheetH：-Helix目前二十一页\总数六十四页\编于十七点

根据mRNA与蛋白空间结构关系绘制的人前尿激酶的空间结构图：目前二十二页\总数六十四页\编于十七点4具有催化功能的RNA内含子结构：I类内含子有着非常相似的核心区结构（由P3-9构成），称为Michel-Westhof模型。四膜虫前体rRNA内含子三级结构：Michel-Westhof模型I类内含子的二级结构IGS：内部引导序列剪接部位剪接部位目前二十三页\总数六十四页\编于十七点第二类内含子的保守序列为GUGY…AY。催化自我剪切反应

酵母内含子coxl-15：EBS:外显子结合位点IBS:内含子结合位点目前二十四页\总数六十四页\编于十七点第II类内含子的二级结构：锤头结构锤头状ribozyme的三级结构目前二十五页\总数六十四页\编于十七点5。其它小分子RNA：5.1snRNA：功能：与20种以上蛋白结合成snRNP参与hnRNA的拼接；特点：富含U；5’-端含有三甲基鸟嘌呤的帽状结构；

目前二十六页\总数六十四页\编于十七点4.2snoRNA：核仁小RNA功能：参与rRNA中核苷酸残基的修饰（约5%的核糖C2’甲基化修饰，及假尿嘧啶形成），修饰酶种含有C/D类snoRNA。C类：代表A/GUGAUGA保守序列

D类：代表CUGA保守序列4.3siRNA：（smallinterferingRNA）小干扰RNA在体内与mRNA作用，并导致其降解，使特定基因发生转录后沉默，是重要的基因表达调节方式。特点：通常为20nt左右的双链RNA（dsRNA)目前二十七页\总数六十四页\编于十七点三RNA功能多样性：（1）RNA自身是遗传信息的携带者：RNA病毒（2）RNA在遗传信息表达中起着决定性的作用：mRNA的信息中介作用、rRNA参与组成核糖体、tRNA搬运氨基酸；（3）RNA具有催化功能：M1RNA等ribozyme（4）多种小分子RNA（snRNA、scRNA、snoRNA）及其蛋白复合物参与RNA的加工和修饰；微小RNA(microRNA)、小片段干扰RNA（siRNA）参与转录水平调节，对基因表达和细胞功能具有调节作用：（6）RNA在生物进化中具有重要意义：RNA起源学说目前二十八页\总数六十四页\编于十七点（一）tmRNA:

tmRNA，也称10SaRNA，是存在于细菌的一类稳定的小RNA，发现于20世纪80年代因其同时具备信使RNA和转录RNA的功能而在最近引起了研究者的浓厚兴趣。tmRNA一半结构类似tRNA，并携带一个Ala；另一半可作为mRNA翻译出一个十肽，识别3’端残缺的mRNA，使其翻译产物带上标志（异常十一肽尾部）而被降解，是细菌体内蛋白质合成中起“质量控制”的物质基础之一。最近又发现它与基因的表达调控及细胞周期的调控等生命过程密切相关。因此，关于tmRNA的研究已经引起了研究者的高度重视，它将是RNA组学研究的一个重要内容。目前二十九页\总数六十四页\编于十七点1。tmRNA的结构tmRNA的5’(~50nt)和3’-末端(~70nt)构成tRNA样区域,3’末端有CCA保守序列和G:U碱基对；该区域同样有结合茎(7bp)、T臂(所有tmRNA都存在tRNATΨC臂的保守序列GTCA/GA)、D环，没有反密码茎环结构。另一重要区域是mRNA区域，内含一段开放阅读框，负责编码长10/15aa的信号肽，后面是位于发夹结构中的终止密码子。两个区域之间有4个假结状结构(PK1-4)，也有5个和仅有1个的报导。不同细菌的tmRNA的大小在349-411nt之间,E.colitmRNA为363nt，由一个单基因ssrA编码。目前三十页\总数六十四页\编于十七点tRNA样区域的结构和折叠方式类似典型tRNA的四叶草结构，其结构的维持与D和T环之间的相互作用有关。虽然tRNA样区域没有密码子-反密码子复合体以供核糖体A位识别，有证据表明tmRNA自身或与其结合的蛋白质具有类似核糖体A位识别功能。tRNA样区域周围有高度保守的碱基序列，对tmRNA的空间构像和功能有重要作用，同时tRNA样区域同其mRNA区域也存在着相互作用。四个假结状结构中，离tRNA样区域最近的PK1区域被认为对维持tmRNA功能有关，其余3个假结状结构似乎作用不大。PK2区域在某些细菌中有亚结构存在，可能与tRNA样区域和mRNA区域的相互作用有关。目前三十一页\总数六十四页\编于十七点2。tmRNA作用模型：反式翻译模型，Karzai等提出

基于缺失终止密码子的tmRNA作用的模型目前三十二页\总数六十四页\编于十七点细菌中蛋白质如在转录过程中由于某种蛋白质因子结合在某基因的操纵子区域而影响了转录子的完整性，或是转录子在转录后加工过程中被不恰当地切断，都有可能使在翻译中的mRNA序列缺失终止密码子。当核糖体移动到不完整的mRNA的3’端时，核糖体不能与mRNA脱离，P位的不完整蛋白质亦不能及时释放。此时，3’携有Ala的tmRNA在一系列蛋白因子的帮助下，识别滞留的核糖体，并进入核糖体的A位，通过转肽反应，将丙氨酸同滞留在P位的蛋白质相连接，随后tmRNA进入P位，核糖体将从mRNA脱离下来，转而结合到tmRNA的mRNA区域，并以mRNA区域为模板，沿着刚翻译的多肽C末端继续翻译其编码的一段10aa的信号肽，由ORF提供终止密码子。该信号肽的氨基酸序列在细菌中高度保守，为AANDENYALAA，可被水解蛋白识别，从而使融合蛋白被水解。目前三十三页\总数六十四页\编于十七点除缺失终止密码的情况外，在正常生理情况下，相当多的正常mRNA翻译出的蛋白质中有少部分C末端连接上了一段十肽，说明触发tmRNA活化的机制并非那么简单。现将近来研究中发现的几种情况列出：1.终止子与稀少的Arg密码子引发的tmRNA系统活化：

大肠杆菌正常核糖激酶完整mRNA的翻译产物中，也有一小部分被加上十肽信号肽的现象，连接部位在核糖激酶C末端的3个氨基位置，Arg307，Arg309，UGA。其中Arg-307和Arg309由AGG编码不常见，同时UGA作为终止子在大肠杆菌中的效率不高。它们可能使翻译效率在以上位置下降，致使核糖体在这些位置停留时间相对较长，而使tmRNA系统活化。

目前三十四页\总数六十四页\编于十七点2.终止子的效率不高及序列下游阅读框的干扰：导致信号肽连接到具有完整功能的蛋白产物的C末端。3.基因断裂：

细菌的一些不太重要的基因经常因转座子插入而使该基因编码的蛋白产物不完整，被tmRNA识别。4.Lac操纵子被Lac抑制子（LacI）所结合：导致LacI的DNA形成特殊结构，使mRNA转录子不完整，导致tmRNA活化。5.被有害的翻译通读激活：

正常终止密码可以被抑制型tmRNA通读，即可以翻译出一个氨基酸来。同时翻译产物通常被延伸，这种产物有时是有害的，可被tmRNA识别。目前三十五页\总数六十四页\编于十七点3。与tmRNA作用有关的蛋白因子：tmRNA的产生、加工、储存、结合到mRNA及核糖体均需要有关的蛋白质因子：丙酰氨tRNA合成酶、延长因子EF-TU、GTP、核糖体蛋白质S1、PrsA、RNaseR和YfbG。

（1）核糖体蛋白质S1:S1存在于大多数细菌中，并与选择翻译启始点有关。S1同假结状结构PK2，PK3，PK3-PK4结合部相结合，但主要的结合部位在PK1。当S1被清除后，tmRNA不能同核糖体结合。（2）RNaseR:

是RNaseII家族的一员，由3’-5’外切酶区域和一个S1样区域，具体生化性质不详，推测与被tmRNA代替的mRNA的降解有关。目前三十六页\总数六十四页\编于十七点（3）PrsA:

是一种与核苷酸从头合成有关的酶，同SsrA结合，位点、作用均不清楚。（4）SAF:由yfbG基因编码，功能不详。（5）SmpB:

由160个aa组成，与tmRNA特异性紧密结合形成tmRNA-smpB复合体。smpB能增强tmRNA接受Ala的能力，同tmRNA一起，在翻译组份存在的条件下足以完成转录-翻译过程。若smpB缺失，则tmRNA不能进入A位。（6）EF-TU-GTP复合体:

同tmRNA结合起到保护丙氨酰化tmRNA酯键的功能。目前三十七页\总数六十四页\编于十七点4。tmRNA生物学意义（1）

将各种原因导致的滞留核糖体从mRNA上释放出来，使其加入到下一轮蛋白质的合成。

在细菌的生活周期里，如何保持正确的蛋白质翻译始终是一个大问题，翻译错误可源于基因的转录阶段或翻译阶段。导致的后果是结合mRNA的核糖体由于不能及时地同mRNA分离而“滞留”在mRNA上，不能加入下一次循环，这对核糖体资源有限的细菌来说,是十分不利的，而翻译错误的几率在细菌应激状态下明显升高。目前证明tmRNA的存在对于淋球菌、肺炎链球菌是必需的，而对于大肠杆菌等不是必需的，因大肠杆菌存在一种代谢途径，作用同tmRNA相仿。

目前三十八页\总数六十四页\编于十七点（2）将不完整的/或完整的蛋白产物加上信号肽，使其彻底水解。目前认为这一种功能的生物学意义不及前者，只是对某些基因的表达起微调的作用。目前三十九页\总数六十四页\编于十七点（二）反义RNA:

1。反义RNA（antisenseRNA，asRNA）:

含有与靶mRNA序列互补的RNA序列，天然存在于原核细胞中（真核细胞实现了人工导入），是反义基因或基因的反义链转录的(分别为反式反义RNA和顺式反义RNA)有调节功能的RNA片段，能通过与互补的靶核酸（包括DNA、前体mRNA和成熟mRNA）形成局部相互作用而阻止DNA的转录、前体mRNA的加工和mRNA的有效翻译，从而调节基因的表达。最早发现的反义RNA也被称为干扰mRNA的互补RNA（mRNAinterferingcomplementaryRNA，micRNA）。目前四十页\总数六十四页\编于十七点2。性质和意义：天然反义RNA调控系统广泛存在于原该生物中：*在复制水平上，反义RNA与RNA引物互补结合抑制复制；*当反义RNA与mRNA5’非编码区或翻译起始部位结合时，可使mRNA不能与核糖体结合或阻止核糖体沿mRNA移动；*与真核基因初始转录产物各加工位点，如5’-端帽结构形成位点、内含子外显子结合位点、polyA形成位点等结合时，则影响mRNA的加工成熟和从核内向胞浆转移，从而达到专一抑制基因表达。意义:已成为寻找低毒、高选择性抗肿瘤抗病毒药物途径。反义RNA可以通过重组DNA技术和人工合成法得到：在合适的启动子和终止子之间，反向插入靶基因，可构建表达反义RNA的重组体，在细胞内表达反义RNA而抑制靶mRNA的表达。目前四十一页\总数六十四页\编于十七点3。作用方式举例：渗透压调节中的micRNAMuzuno等在研究渗透压变化对大肠杆菌外膜蛋白基因表达的影响时发现：有两种外膜蛋白，OmpC和OmpF，的合成受渗透压调节。高渗条件下，OmpC合成增加而OmpF减少，低渗时反之，且两种蛋白合成总量始终保持不变。后发现：在OmpC基因启动子前有一段CX28区域，当OmpC基因转录时，CX28以反方向转录出一种6SRNA(174nt)，称为micF，这个小RNA有很大一部分序列与OmpF的mRNA5’-端互补，二者可结合并导致OmpF的mRNA失活，因此是一个转录后水平的反义RNA。目前四十二页\总数六十四页\编于十七点目前四十三页\总数六十四页\编于十七点（二）微小RNA（microRNA，miRNA）：

1。miRNA（microRNA）：发现于1993年（Ambros等），是内源性发夹结构转录产物衍生而来的一种长19-35nt的单链RNA（singlestrandRNA，ssRNA)，可作为一种引导性分子，通过碱基配对与靶mRNA结合，在转录后水平上引起靶mRNA的剪切或是翻译的抑制。在每种高等生物中，存在200种以上的miRNA（人类426种，拟南芥118种），约占基因组的1%，是最大的基因家族。miRNA可以在不同途径发挥作用，包括发育的时序控制、造血细胞分化、细胞凋亡和增殖以及器官形成等；还发现部分双链DNA病毒(卡波氏肉瘤病毒等）可编码产生miRNA，可能与病毒的致病性及与宿主的相互作用有关。目前四十四页\总数六十四页\编于十七点2。miRNA的生物学特征：目前认为：miRNA是一种平均22nt的单链RNA，3’-端可有1-2个nt的长度变化，是由一种局部发夹结构的内源性转录物，经RNaseIII——DCR（Dicer）加工而成。miRNA广泛存在于真核生物，不编码蛋白质。核酸组成具有一定的特征，为miRNA所独有：末端为5’-P和3’-OH；

5’-端的第1个碱基对U有强烈倾向性，而排斥G；第2-4碱基则缺乏U；除了第4个碱基外，其它位置都缺乏CmiRNA的确认必须符合相应的表达标准和生物发生标准。目前四十五页\总数六十四页\编于十七点3。miRNA的发生和成熟过程：包括核内Pri-miRNA的产生、Pre-miRNA输出以及成熟miRNA形成过程。目前四十六页\总数六十四页\编于十七点miRNA成熟过程中的要素：微处理器：在核内使Pri-miRNA（primarytranscriptofmicroRNA）转变为70nt的茎环状前体Pre-miRNA（microRNAprecusor），该过程需要RNaseIII的作用（拟南芥中是DCL1，动物、线虫和果蝇为Drosha蛋白)。核输出素-5（exportin-5，Exp-5）：在Ran和GTP参与下，将Pre-miRNA由核转运到细胞质。Dicer(DCR)：另一种RNaseIII，在进化中高度保守，是干扰性小RNA产生的关键性蛋白，特异性作用于双链RNA。在Dicer作用下，Pre-miRNA被切割成21~25nt的miRNA双链中间体。AGO：Argonaute蛋白，在几乎所有真核细胞中保守存在，负责剪切miRNA双链中间体中的miRNA的反义链，使miRNA成熟，含有PAZ和PIWI两个特征结构域。目前四十七页\总数六十四页\编于十七点4。miRNA的效应过程：关键是RNA诱导的沉默复合体（RNA-inducedsilencingcomplex，RISC）的生成与作用，其生成贯穿着小RNA产生后的全部过程。RISC复合体最大的特征是含有单链小分RNA和AGO蛋白，它的生成需要经RISC转载复合体（RISCloadingcomplex，RLC）的作用。在细胞质中Pre-miRNA在DCR作用下成熟，miRNA单链整合到DCR复合体内，转变为miRLC，并进一步组装为RISC复合体，其总体过程和机制尚待进一步了解。目前四十八页\总数六十四页\编于十七点4.1miRISC的组装：目前四十九页\总数六十四页\编于十七点RISC复合体主要成分在不同生物物种中有较大的出入：目前五十页\总数六十四页\编于十七点目前五十一页\总数六十四页\编于十七点目前五十二页\总数六十四页\编于十七点目前五十三页\总数六十四页\编于十七点4.2miRNA的成熟和效应途径目前五十四页\总数六十四页\编于十七点

不同的AGO蛋白与miRNA或siRNA组装成为两类RISC：（1）（2）目前五十五页\总数六十四页\编于十七点（三）RNA干扰：

1.RNA干扰（RNAinterference，RNAi）：

1995年发现，一些外源的小RNA能够关闭线虫中的有关基因的表达，与植物中已知的所谓基因沉默（genesilence）相似，是RNA对基因功能干扰和调节的结果，被称为RNAi。1998年证实，干扰是由双链RNA（dsRNA）而非单链反义RNA介导的，被称为小的干扰RNA（smallinterferenceRNA,siRNA)。RNAi可以在两个水平上发生：1。转录水平：抑制基因转录，称为转录基因沉默（transcriptionalgenesilencing，TGS）2。转录后水平：结合并引导特异mRNA降解，称为转录后基因沉默（post-transcriptionalgenesilencing，PTGS）目前五十六页\总数六十四页\编于十七点

尽管随着研究的深入，siRNA与miRNA的界限也来越不明显，但还是存在诸多不同。目前有人认为，miRNA可能是siRNA的进化形式。2。siRNA与miRNA的差别：目前五十七页\总数六十四页\编于十七点目前五十八页\总