生命组学―RNA

生命组学—RNA生命起源哲学三大终极问题：我是谁？我从哪里来？要到哪里去？化学起源说：这一假说认为，地球上的生命是在地球温度逐步下降以后，在极其漫长的时间内，由非生命物质经过极其复杂的化学过程，一步一步地演变而成的。最初的关键分子是什么？生命起源RNARNA由A、U、G、C四种核糖核苷酸组成，多数为单链，是细胞主要生物大分子之一，具不可替代的重要生物学功能。RNA功能包括–编码蛋白质–参与催化和化学反应–调控基因表达和蛋白质翻译–能量代谢与调控–物质代谢与调控–在一些病毒中作为遗传物质RNA作为生命起源最初的关键分子的基础RNA1986年度诺贝尔化学奖获得者吉尔伯特（W.Gilbert）提出了“RNA世界”的假说。它指的是“在生命起源的某个时期，生命体仅由一种高分子化合物RNA组成。遗传信息的传递建立于RNA的复制，其复制机理与当今DNA复制机理相似，作为生物催化剂的、由基因编码的蛋白质还不存在”。RNA世界RNA世界原始RNA原始RNAProteinDNAProteinRNAPre-原始RNAPre-RNA-basedsystemsRNA-basedsystemsRNAandprotein-basedsystemsPresent-daycellsREPLACEMENTOFPRE-RNABYRNAEVOLUTIONOFRNAsTHATCANDIRECTPROTEINSYNTHESISEVOLUTIONOFNEWENZYMESTHATREPLICATEDNAANDMAKERNACOPIESFROMITThehypothesisthatRNAprecededDNAandproteinsinevolutionRNA生物学占居生物学发展的“核心舞台”引自于军老师pptDNAProteinRNARNA网络RNAhnRNAmRNAgRNAmiRNAAS-RNArasiRNAcirRNARNPrRNApiRNAscRNAsnRNAdsRNAsnoRNA端粒酶RNARNA网络tRNAhnRNA与mRNAhnRNA（核不均一RNA）：由DNA的一条链为模版转录而来，是DNA的初级转录产物，其中一部分可作为pre-mRNA。mRNA（信使RNA）：由pre-mRNA经转录后修饰得来，作为蛋白质合成模版，将遗传信息从DNA传递到蛋白质。动物与植物差别：以哺乳动物与高等植物（香菜）为例，高等植物hnRNA哺乳动物hnRNA哺乳动物mRNA高等植物mRNAmRNA是基因表达调控网络信息流的核心mRNA表观修饰（m(6)A）是操作流的一种体现tRNA功能（操作流）：结构特点：转运RNA小分子RNA，合成于细胞核，在细胞质中参与蛋白质合成,也能参与细胞内的其它反应。（1）5'磷酸（2）受体臂（3）CCA尾（4）D臂（5）反密码子臂（6）T臂（7）修饰碱基介导mRNA序列上密码子的识别，并且翻译成相应的氨基酸DNAProteinRNARNA网络RNAhnRNAmRNAgRNAmiRNAAS-RNArasiRNAcirRNARNPrRNApiRNAscRNAsnRNAdsRNAsnoRNA端粒酶RNARNA网络tRNAmiRNA定义：microRNA（miRNA）是，是一种长度约为20-23个核苷酸的非编码小分子RNA。植物miRNA长度多为21nt，而动物miRNA长度多为22,23nt，这源于Drosha与Dicer切割性能的差异。结构：1993年,Lee等[4]在秀丽新小杆线虫(Caenorhabditiselegan)中发现了第一个能时序调控胚胎后期发育的基因lin-4.时隔7年之后,Reinhart等[5]同样又在线虫C.elegans中发现了第二个异时性开关基因let-7,并将这类基因所编码的能时序调控发育进程,长度约为21个核苷酸(nt)的小分子RNA。miRNA功能：miRNA通过与靶mRNA的互补配对而在转录、转录后和翻译水平上对基因的表达进行负调控，导致mRNA的降解或翻译抑制,进而对多种生物学过程起调控作用。在植物和动物中，miRNA执行这种调控作用的机理却不尽相同。同时miRNA在动植物体内的形成过程也存在很多的不同之处。1、植物miRNA前体（pre-miRNA）的茎环结构(stem-loop)更大、更复杂，大约是动物中的3倍长。2、植物miRNA长度多为21nt，而动物miRNA长度多为22,23nt，这源于Drosha与Dicer切割性能的差异3、相对于动物miRNA,植物miRNA具有较高的进化保守性，因此，对植物miRNA目标基因的预测要相对简单4、植物miRNA5’端更偏向选择脲嘧啶U，植物中miRNA3′末端2nt突出的3-OH存在甲基化，而动物中无甲基化5、基因组上的存在位置不同动物miRNA广泛存在基因簇现象，而植物miRNA多数由单一pre-mRNA加工而来6、加工方式不同植物中，miRNA的形成过程是在细胞核中完成的；动物中，由细胞核到细胞质7、作用机制不同在动物中，多数miRNA以不完全互补方式与其靶mRNA的3‘端非翻译区的识别位点结合，植物中的miRNA与相应的靶mRNA近似完全配对环状RNA（CircularRNAS,circRNAs）CircRNAs是一类不具有5’端帽子和3’端poly(A)尾巴结构的共价闭合环状RNA分子，比线性RNA更稳定。环状RNA的产生方式主要有2种:①“直接反向剪接”，或称为“内含子配对驱动环化”;②“套索驱动环化”，也被称为“外显子跳读”。根据序列构成的差异，可将circRNA分为3类：外显子circRNA(ExoniccircRNA，ecRNA)、内含子circRNA(circularintronicRNA，ciRNA)、外显子－内含子circRNA(Exonic-introniccircRNA，ElciRNA)。不同类型circRNA的特征rasiRNA(RepeatassociatedsmallinterferingRNA)定义短非编码RNA,由长dsRNA前体随机产生,rasiRNA是通过定义可转座元件在内的重复位点来对应的。功能（操作流）在有义或反义定位之内对应于重复区域，由长dsRNA前体随机产生。参与RNA干扰(RNAi)途径。主要发现于哺乳动物，拟南芥和酵母中也有报导。反义RNA定义：反义RNA(antisenseRNA,AS-RNA)是指与靶RNA具有互补序列的非编码RNA分子，它通过与靶RNA进行碱基配对结合的方式参与基因表达的调控。功能：对真核mRNA前体拼接的影响影响mRNA前体的转移影响真核mRNA分子5’和3’端正常的修饰DNA甲基化水平的改变，组蛋白修饰引起的染色质构型重塑，以及其它非编码RNA的调控作用均与AS-RNA有着密切的关系。gRNA：GuideRNAgRNA是在称为RNA编辑的过程中指导U插入或缺失到动质体原生生物中的线粒体mRNA中的RNA。gRNA介导的mRNA编辑：锥虫原生动物和其他动质体生物目具有新的转录后线粒体RNA修饰过程，称为“RNA编辑”。这些细胞中的线粒体基因组由编码基因和“隐秘基因”（和一些gRNA）的20-50个大环以及编码gRNA的10-20,000个小环组成。所有这些分子连接成一个巨大的DNA网络，位于单个线粒体内部的鞭毛底部。由于序列中存在多个移码，大部分大环转录物不能被翻译成蛋白质。通过在精确的位点处插入和缺失尿苷残基进行转录后，这些移码被修正，所述位置产生可翻译成与来自其他细胞的线粒体蛋白同源的线粒体蛋白的开放阅读框。插入和缺失由短的指导RNA（gRNA）介导，其以互补序列（允许GU以及GC碱基对）的形式编码编辑信息。gRNA从大圆环和小圆环转录。gRNA介导的mRNA编辑过程DNAProteinRNARNA网络RNAhnRNAmRNAgRNAmiRNAAS-RNArasiRNAcirRNARNPrRNApiRNAscRNAsnRNAdsRNAsnoRNA端粒酶RNARNA网络tRNArRNA核糖体RNA，与多种核糖体蛋白质共同构成核糖体，是细胞中含量最多的一类RNA。组成：rRNA（1）具有肽酰转移酶的活性。（2）为tRNA、蛋白质因子提供结合位点。（3）参与蛋白质合成起始（4）参与发挥核糖体的主要功能功能（操作流）：TypeSizeLargesubunit（LSU）Smallsubunit（SSU）原核生物70S50S(5S,23S)30S(16S)真核生物80S60S(5S,5.8S,28S)40S(18S)组成：piRNA(Piwi-interactingRNA)定义短非编码RNA,大小在24-32个核苷酸之间,从哺乳动物生殖细胞中分离得到，以高度特异链的方式对应于基因组特异性地在动物生殖细胞中表达的一类RNA。功能（操作流）结合PIWI蛋白，对于维持生殖系DNA完整、抑制转座子转录、抑制翻译、参与异染色质的形成、执行表观遗传调控和生殖细胞发生等起重要作用。存在于哺乳动物生殖细胞piRNA在果蝇生殖细胞中的发展dsRNA定义：双链RNA（double-strandedRNA,dsRNA）是一种有互补链的RNA，与细胞中发现的DNA相似，dsRNA构成了一些病毒（双链RNA病毒）的基因组。像病毒RNA或siRNA之类的双链RNA能够促发真核细胞中的RNA干扰，引起脊椎动物中的干扰素反应。dsRNA功能：几分子的双链RNA能够完全阻断一个细胞内同源基因的表达，具有诱导同源mRNA高效特异性降解作用。过程：dsRNA→siRNA→组装RISC（RNA诱导的沉默复合体）→siRNA正义链降解，反义链保留→反义链与mRNA互补配对→mRNA被RNA酶切割→基因沉默snRNA:smallnuclearRNA•发现于真核生物细胞核中，富含尿嘧啶•snRNA包括U1、U2、U4、U5、U6•GU-AG内含子剪接装置中心组分•小核核糖核蛋白（snRNP）和其他蛋白质因子附着到转录物上形成一系列复合物最终形成一个剪接体，剪接反应在剪接体中进行•U4、U5、U6具有催化活性核仁小分子RNA(smallnucleolarRNA,snoRNA)SnoRNA是一类小分子非编码RNA，大小约为60－400nt，且多富集于核仁，它们主要参与rRNA、snRNA、tRNA的转录后修饰。根据结构元件，snoRNA可分为3大类：boxC/DsnoRNA、boxH/ACAsnoRNA和MRPRNA（较少）。SnoRNA的生物学功能A.与真核细胞核糖体的生物合成密切相关B.scaRNA(Cajalbody-specificsmallRNA,scaRNA)指导snRNA的核苷酸修饰C.脊椎动物的端粒酶是一个boxH/ACAsnoRNP复合体D.孤儿snoRNA(orphansnoRNA)BoxH/ACAsnoRNA结构示意图N代表A、T、G、C中任一碱基;ψ表示假尿嘧啶化位点BoxC/DsnoRNA结构示意图核仁小分子RNA(smallnucleolarRNA,snoRNA)SnoRNA的基因组织形式：独立基因编码的snoRNA见(图a)、多顺反子snoRNA基因簇(见图b)、内含子编码的snoRNA(见图c)和内含子编码的snoRNA基因簇(见图d)。区别：大多数脊椎动物的snoRNA产生于蛋白质基因的内含子中，植物snoRNA基因多以基因簇的形式存在，大部分酵母snoRNA由独立基因编码，锥体虫snoRNA以多顺反子形式存在，果蝇snoRNA基因都位于宿主基因的内含子中(见下表)。snoRNA基因组织形式小胞浆RNA（smallcytoplasmicRNA,scRNA）定义：scRNA长约300个核苷酸，主要存在于细胞浆中，是蛋白质定位合成于粗面内质网上所需的信号识别体(signalrecognizationparticle)的组成成分。在天然状态下与蛋白质相结合，称为scRNP。功能：参与蛋白质的合成和运输，如SRP颗粒就是一种由一个7SRNA和蛋白质组成的核糖核蛋白体颗粒，主要功能是识别信号肽，并将核糖体