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與DNA的比較

  RNA分子中的含氮堿基

  50S核糖體亞單位的3D結(jié)構(gòu)示意圖。rRNA以土黃色表示，蛋白質(zhì)以藍(lán)色表示。活性位點(diǎn)為rRNA的一個(gè)小片段，以紅色標(biāo)出

RNA的分子結(jié)構(gòu)與DNA非常相似，但是，兩者有以下三個(gè)主要不同點(diǎn)：

與DNA相似，大部分有生物活性的RNA，包括mRNA、tRNA、rRNA、snRNA，以及其他一些非編碼RNA，雖然是單鏈，但含有自我互補(bǔ)的序列，能使得它們能進(jìn)行折疊 ，形成互補(bǔ)雙鏈接構(gòu)（莖）。對(duì)RNA的分析表明，它們有著相對(duì)更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。和DNA不同，RNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)并不是單純的雙螺旋，而由一系列短的二級(jí)結(jié)構(gòu)構(gòu)成。通過這些短的二級(jí)結(jié)構(gòu)的組合，RNA甚至可以擁有與蛋白質(zhì)相似的結(jié)構(gòu)，并像酶那樣催化化學(xué)反應(yīng)（這樣的RNA被稱為核酶） 。比如，對(duì)核糖體進(jìn)行分析表明，其催化成肽反應(yīng)的活性位點(diǎn)完全由RNA構(gòu)成 。

結(jié)構(gòu)

 siRNA（小干擾RNA）中的堿基互補(bǔ)配對(duì)（圖中省略了氫原子）

RNA的單體為核糖核苷酸，其中的戊糖為核糖，依系統(tǒng)命名法可將其中的碳原子從1"編號(hào)至5"。含氮堿基與1"碳原子相連。RNA中最基本的四種堿基分別為A（腺嘌呤）、U（尿嘧啶）、G（鳥嘌呤）、C（胞嘧啶）。其中，腺嘌呤和鳥嘌呤為雙環(huán)的嘌呤，尿嘧啶和胞嘧啶為單環(huán)的嘧啶。磷酸基團(tuán)與一個(gè)核糖殘基的3"碳原子相連，與下一個(gè)核糖核苷酸的5"碳原子相連。磷酸基團(tuán)在生理pH下，并不都能帶上負(fù)電荷，因而RNA在生理?xiàng)l件下是帶電荷分子（聚陰離子）。C和G、U和A、G和U之間能夠形成氫鍵 。不過，堿基之間也可能發(fā)生其他一些相互作用。比如，在一個(gè)凸出部分中，一群腺嘌呤可以互相連接 ，GNRA四環(huán)中有一個(gè)G-A堿基對(duì) 。

  RNA的分子結(jié)構(gòu)

核糖的2位碳上連有羥基為RNA的一個(gè)重要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。這類羥基使得RNA雙鏈的結(jié)構(gòu)應(yīng)與A型構(gòu)象最接近 ，不過，在單鏈的某些二核苷酸環(huán)境下，也有極小的可能形成DNA最常見的B型螺旋構(gòu)象 。A型構(gòu)象使得RNA雙鏈的大溝狹窄而深，小溝淺而寬 。在RNA分子的構(gòu)象高度可變區(qū)域（即不生成雙鏈接構(gòu)的區(qū)域），2"-OH還能攻擊附近的磷酸二酯鍵，使得核糖-磷酸鏈斷裂 。

  端粒酶RNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)

通過轉(zhuǎn)錄，僅僅能使RNA鏈上帶A、U、G、C四種含氮堿基 不過，轉(zhuǎn)錄后修飾能夠通過多種途徑對(duì)RNA進(jìn)行改造。比如，轉(zhuǎn)錄后修飾能夠?qū)⑾∮袎A基 假尿嘧啶 （ 英語 ： Pseudouridine ） （Ψ）加到RNA鏈上。假尿嘧啶與核糖之間的化學(xué)鍵是C-C鍵而不是尿嘧啶（U）的C-N鍵。胸腺嘧啶加到RNA鏈上的情形也很常見（最典型的例子是tRNA的TΨC環(huán)） 。另外，次黃嘌呤也是一種常見的稀有堿基。次黃嘌呤為腺嘌呤的脫氨產(chǎn)物，含有次黃嘌呤的核苷被稱為肌苷（I）。在基因編碼的擺動(dòng)假說中，肌苷有重要的作用 。

除以上列出的之外，經(jīng)過編輯的核苷還有100多種 。由修飾引發(fā)的結(jié)構(gòu)性變化在tRNA中最為明顯 ，假尿嘧啶與經(jīng)常在rRNA現(xiàn) 2"-甲氧基核糖 （ 英語 ： 2"-O-methylation ） 是最常見的修飾產(chǎn)物 。這些修飾的具體作用還沒有完全闡明。不過，值得注意的是，在rRNA中，許多的轉(zhuǎn)錄后修飾發(fā)生在高度功能化的區(qū)域，比如肽基轉(zhuǎn)移酶催化中心以及亞基結(jié)合部位，似乎說明轉(zhuǎn)錄后修飾對(duì)RNA發(fā)揮正常功能來說相當(dāng)重要 。

具有催化功能的單鏈RNA分子，和蛋白質(zhì)相類似，需要特殊的 RNA三級(jí)結(jié)構(gòu) （ 英語 ： Nucleic acid tertiary structure ） 。通過分子內(nèi)氫鍵形成的二級(jí)結(jié)構(gòu)原件構(gòu)成了三級(jí)結(jié)構(gòu)的框架。二級(jí)結(jié)構(gòu)形成了許多可識(shí)別的“結(jié)構(gòu)域”——比如莖環(huán)結(jié)構(gòu)、膨大結(jié)構(gòu)（bulges）、 內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu) （ 英語 ： internal loop ） 。因?yàn)镽NA分子帶電荷，不少二級(jí)結(jié)構(gòu)和三級(jí)結(jié)構(gòu)需要Mg 等金屬離子來進(jìn)行穩(wěn)定 。

自然界中的RNA均是由D-核糖核苷酸聚合而成的D-RNA。使用L-核糖核苷酸則可合成L-RNA。L-RNA對(duì)RNA酶的耐受力要強(qiáng)得多 。

合成與修飾

RNA的合成一般由RNA聚合酶催化。RNA聚合酶以DNA為模板，通過轉(zhuǎn)錄合成RNA。轉(zhuǎn)錄起始于RNA聚合酶與啟動(dòng)子的結(jié)合（啟動(dòng)子一般位于基因的上游）。因?yàn)镽NA聚合酶自帶解旋酶活性，僅依靠RNA聚合酶即可實(shí)現(xiàn)DNA雙鏈的解開。轉(zhuǎn)錄過程中，RNA聚合酶以3"端至5"端的方向讀取DNA模板鏈，并以5"端到3"端的方向合成與之反向平行互補(bǔ)的RNA鏈。轉(zhuǎn)錄的終止由終止子介導(dǎo)。原核生物的終止子有兩類：簡單終止子與ρ因子依賴性終止子。簡單終止子僅靠RNA形成二級(jí)結(jié)構(gòu)即可終止轉(zhuǎn)錄，而后者在ρ因子的作用下才可以使轉(zhuǎn)錄終止。真核生物的轉(zhuǎn)錄終止則與轉(zhuǎn)錄后修飾密切相關(guān) 。

在真核生物中，RNA的 初始轉(zhuǎn)錄物 （ 英語 ： Primary transcript ） 通常會(huì)經(jīng)過轉(zhuǎn)錄后修飾。比如，真核生物的mRNA大都會(huì)被加上Poly(A)尾（多腺嘌呤尾巴）以及5"端帽，mRNA前體中含有的內(nèi)含子序列也會(huì)被剪接體切除 。

一些RNA是由RNA復(fù)制酶（RNA依賴性RNA聚合酶）以RNA為模板催化合成的。比方說，RNA病毒通過RNA復(fù)制酶復(fù)制其遺傳物質(zhì) 。另外，RNA復(fù)制酶亦參與了眾多生物體的RNA干涉過程 。

分類

在細(xì)胞中，根據(jù)結(jié)構(gòu)功能的不同，RNA主要分三類，即tRNA、rRNA，以及mRNA。mRNA是依據(jù)DNA序列轉(zhuǎn)錄而成的蛋白質(zhì)合成模板；tRNA是mRNA上遺傳密碼的識(shí)別者和氨基酸的轉(zhuǎn)運(yùn)者；rRNA是組成核糖體的部分，而核糖體是蛋白質(zhì)合成的機(jī)械。

細(xì)胞中還有許多種類和功能不一的小型RNA，像是組成剪接體（spliceosome）的snRNA，負(fù)責(zé)rRNA成型的snoRNA，以及參與RNAi作用的miRNA與siRNA等，可調(diào)節(jié)基因表達(dá)。而其他如I、II型內(nèi)含子、RNase P、HDV、核糖體RNA等等都有催化生化反應(yīng)過程的活性，即具有酶的活性，這類RNA被稱為核酶。

調(diào)控RNA

許多種類的RNA，能夠透過與mRNA或DNA上的基因片段，部分互補(bǔ)的方式，來調(diào)降基因表達(dá)。例如在真核生物細(xì)胞內(nèi)，所發(fā)現(xiàn)的微RNA(miRNA; 21-22 nt)，能引發(fā)RNA干擾。miRNA與酵素復(fù)合體，會(huì)切碎mRNA，阻止該mRNA被翻譯，或加速其降解。

雖然小干擾RNA(siRNA; 20-25 nt)的產(chǎn)生，通常是由分解病毒RNA得到，然而也存在內(nèi)源性的siRNA。 而siRNA引發(fā)RNA干擾的機(jī)制類似miRNA，有些miRNA和siRNA，能造成其目標(biāo)基因被甲基化，從而促進(jìn)或抑制該基因的轉(zhuǎn)錄。. 此外，在動(dòng)物生殖細(xì)胞內(nèi)，所活躍的Piwi-interacting RNA(piRNA; 29-30 nt)，被認(rèn)為能預(yù)防轉(zhuǎn)座子，并在配子的發(fā)生上，扮演重要角色。

許多的原核生物，具有CRISPR RNAs，其作用機(jī)制類似于真核生物的RNA干擾。 其中反義RNA(Antisense RNAs)是最常見的，大多數(shù)能調(diào)降基因表達(dá)，但也有少部分會(huì)激活轉(zhuǎn)錄進(jìn)行。 反義RNA的作用機(jī)制之一，是借由與mRNA互補(bǔ)配對(duì)，來形成雙股RNA，而被酵素降解。 此外，在真核細(xì)胞內(nèi)，也許多能調(diào)控基因的非編碼RNA， 一個(gè)常見的例子是Xist，它會(huì)附在雌性哺乳動(dòng)物的其中一個(gè)X染色體上，造成其去激活。

一段mRNA自身可能帶有調(diào)控元件，例如riboswitches，在其五端非翻譯區(qū)(5" untranslated region)或三端非翻譯區(qū)(3" untranslated region)，包含有順式作用元件(cis-regulatory elements)能夠調(diào)控該mRNA的活性。 此外，非編碼區(qū)上也有可能帶有，能調(diào)控其它基因的調(diào)控元件。

修飾其它RNA

  一種的常見RNA修飾，尿苷(Uridine)被轉(zhuǎn)換成假尿苷(Pseudouridine)。

許多的RNA會(huì)幫助修飾其它RNA。如前信使RNA(pre-mRNA)中的內(nèi)含子，會(huì)被含有許多核小RNA(snRNA)的剪接體剪接。 或者RNA本身能作為核酶，剪接自己的內(nèi)含子。

RNA上的核苷酸也可能被修飾，變成非A、U、G、C的核苷酸。在真核細(xì)胞中，RNA上核苷酸的修飾，通常是由在細(xì)胞核與卡哈爾體中發(fā)現(xiàn)的，小核仁RNA(snoRNA; 60-300 nt)所主導(dǎo)。 snoRNA會(huì)連結(jié)酵素，并以堿基對(duì)的方式，引導(dǎo)它們?nèi)ソ由蟁NA，之后酵素便開始RNA核苷酸的修飾。堿基修飾廣泛發(fā)生于rRNA與tRNA中，然而snRNA與mRNA也有可能是堿基修飾的目標(biāo)。 此外，RNA也可能被甲基化。

RNA基因組

如同DNA，RNA也可以攜帶遺傳信息。RNA病毒的基因組由RNA組成，可以翻譯出多種蛋白質(zhì)，其中一些負(fù)責(zé)基因組的復(fù)制，而其它的則作為保護(hù)構(gòu)造，在病毒離開宿主細(xì)胞后，保護(hù)基因組。類病毒是另一種類型的病原體，但它們僅由RNA組成，且該RNA并不會(huì)翻譯出任何蛋白質(zhì)，并利用宿主的聚合酶來復(fù)制。

逆轉(zhuǎn)錄

逆轉(zhuǎn)錄病毒借由將RNA逆轉(zhuǎn)錄成為DNA，DNA副本再轉(zhuǎn)錄為RNA的方式，來復(fù)制他們的基因組。逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子也利用此方法，來復(fù)制DNA與RNA，以完成轉(zhuǎn)座。 此外，真核細(xì)胞內(nèi)的端粒酶，也包含一個(gè)作為模板的RNA，利用它來延長染色體端粒。

雙鏈RNA

雙鏈RNA(dsRNA)是指具有兩個(gè)互補(bǔ)鏈的RNA，與細(xì)胞中的DNA結(jié)構(gòu)相似，它也是某些病毒(雙鏈RNA病毒)的遺傳物質(zhì)。雙鏈RNA如病毒RNA或小干擾RNA(siRNA)，可以觸發(fā)真核生物的RNA干擾，以及脊椎動(dòng)物的干擾素反應(yīng)。

發(fā)現(xiàn)史

  羅伯特·威廉·霍利(左側(cè))及其研究團(tuán)隊(duì)合影。

與RNA相關(guān)的研究，造就了許多生物學(xué)的發(fā)現(xiàn)，以及諾貝爾獎(jiǎng)。而核酸于1868年由弗雷德里?！っ仔獱?Friedrich Miescher)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)他將該物質(zhì)稱作“核素”，因?yàn)樗窃诩?xì)胞核中被找到的。 但不久后，科學(xué)家也在沒有細(xì)胞核的原核生物中，也發(fā)現(xiàn)了核酸。此外，早在1939年就有人懷疑，RNA在蛋白質(zhì)合成中所扮演的角色。 塞韋羅·奧喬亞(Severo Ochoa de Albornoz)與阿瑟·科恩伯格(Arthur Kornberg)，因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)室內(nèi)發(fā)現(xiàn)了，能夠合成RNA的酵素，而獲得1959年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng) 然而，之后的研究顯示，由他們所發(fā)現(xiàn)的酵素多核苷酸磷酸化酶 (英語) ，是負(fù)責(zé)RNA降解，而非RNA合成。

羅伯特·威廉·霍利（Robert W. Holley）于1965年，發(fā)現(xiàn)酵母菌里大小為77個(gè)核苷酸的tRNA序列， 并于1968年與哈爾·葛賓·科拉納（Har Gobind Khorana）以及馬歇爾·沃倫·尼倫伯格（Marshall Warren Nirenberg）共同獲得了諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。在1967年，卡爾·烏斯推測RNA可能具有催化能力，并提出建議指出，最早的生命形式（自我復(fù)制的分子）可能依賴于RNA，來攜帶遺傳信息和催化生化反應(yīng)，即RNA世界學(xué)說。

逆轉(zhuǎn)錄病毒及逆轉(zhuǎn)錄酶，于1970年代早期被發(fā)現(xiàn)的，使人們了解到RNA能被逆轉(zhuǎn)錄為DNA(與中心法則的一般情況，DNA轉(zhuǎn)錄為RNA相反)。 這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，使戴維·巴爾的摩(David Baltimore)、羅納托·杜爾貝科(Renato Dulbecco)與霍華德·馬丁·特明(Howard Temin)，共同獲得了1975年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。此外在1976年，瓦爾特·菲爾斯 (英語) 以及他的團(tuán)隊(duì)，首度確定了RNA病毒完整基因組的堿基序列(噬菌體MS2)。

在1997年，菲利普·夏普(Philip Sharp)與理察·羅伯茨(Richard Roberts)，因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)哺乳類動(dòng)物病毒及細(xì)胞基因中，具有內(nèi)含子且會(huì)發(fā)生RNA剪接，而獲得1993年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。具有催化功能的RNA(核酶)在1980年代早期被發(fā)現(xiàn)，而使得托馬斯·切赫(Thomas Cech)與西德尼·奧爾特曼(Sidney Altman)，獲得1989年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。而1990年所發(fā)現(xiàn)在碧冬茄屬上，導(dǎo)入基因會(huì)靜默植物體自身相似的基因的現(xiàn)象，現(xiàn)今被認(rèn)為是RNA干擾的結(jié)果。

且大約在同時(shí)，大小約22個(gè)核苷酸的RNA(現(xiàn)在被稱為微RNA)，被發(fā)現(xiàn)在線蟲的發(fā)育上，扮演重要角色。 而于RNA干擾的研究，讓安德魯·法厄(Andrew Fire)與克雷格·梅洛(Craig Mello)，獲得了2006年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)；而同年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，得獎(jiǎng)原因也與RNA相關(guān)(在RNA轉(zhuǎn)錄上的研究)，由羅杰·科恩伯格(Roger Kornberg)獲得。此外調(diào)控RNA的發(fā)現(xiàn)，促使了RNA藥物的開發(fā)，如利用小干擾RNA來靜默目標(biāo)基因。

參見

脫氧核糖核酸(DNA)

核苷酸

核酸

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