ncRNA(非编码RNA)的知识

ncRNA(非编码RNA)的知识z2010-07-3110:36:54|分类：Biology|标签：rna|举报|字号订阅目录一、核糖核酸（RNA）二、转运RNA(tRNA)三、信使RNA(mRNA)四、核糖体RNA（rRNA）五、小核RNA（snRNA）六、RNA干扰（RNAi）七、反义RNA（atRNA）八、核仁小分子RNA（snoRNA）九、细胞质小分子RNA(scRNA)十、不均一核RNA（hnRNA）十一、干扰mRNA的互补RNA(miRNA)十二、非编码RNA（ncRNA）十三、短发夹RNA(shRNA)十四、短干扰RNA(siRNA)十五、核酸酶（RNase）十六、核糖核酸酶抑制剂（RNasin）十七、向导RNA（gRNA）一、核糖核酸（RNA）1概述核糖核酸(RiboNucleicAcid)，简称RNA。由至少几十个核糖核苷酸通过磷酸二酯键连接而成的一类核酸，因含核糖而得名。RNA普遍存在于动物、植物、微生物及某些病毒和噬菌体内。RNA和蛋白质生物合成有密切的关系。在RNA病毒和噬菌体内，RNA是遗传信息的载体。RNA一般是单链线形分子，也有双链的如呼肠孤病毒RNA；环状单链的如类病毒RNA，1983年还发现了有支链的RNA分子。在RNA病毒中，RNA是遗传物质，植物病毒总是含RNA。近些年在植物中陆续发现一些比病毒还小得多的浸染性致病因子，叫做类病毒。类病毒是不含蛋白质的闭环单链RNA分子，此外，真核细胞中还有两类RNA，即不均一核RNA（hnRNA）和小核RNA（snRNA）。hnRNA是mRNA的前体，snRNA参与hnRNA的剪接（一种加工过程）。自1965年酵母丙氨酸tRNA的碱基序列确定以后，RNA序列测定方法不断得到改进。目前除多种tRNA、5SrRNA、5.8SrRNA等较小的RNA外，尚有一些病毒RNA、mRNA及较大RNA的一级结构测定已完成，如噬菌体MS2RNA含3569个核苷酸。1982年以来，研究表明：不少RNA，如I、II型内含子，RNaseP，HDV，核糖体大亚基RNA等等有催化生化反应过程的活性，即具有酶的活性，这类RNA被称为核酶（ribozyme）。20世纪90年代以来，又发现了RNAi（RNAinterference，RNA干扰）等等现象，证明RNA在基因表达调控中起到重要作用。2种类在生物体内发现主要有三种不同的RNA分子在基因的表达过程中起重要的作用，它们是信使RNA（messengerRNA，mRNA）、转移（tranferRNA，tRNA）、核糖体RNA（ribosomalRNA，rRNA）。RNA含有四种基本碱基，即腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶，此外还有几十种稀有碱基。3结构1965年R.W.霍利等测定了第1个核酸──酵母丙氨酸转移核糖核酸的一级结构即核苷酸的排列顺序。此后，RNA一级结构的测定有了迅速的发展。到1983年,不同来源和接受不同氨基酸的tRNA已经弄清楚一级结构的超过280种,5SRNA175种，5.8SRNA也有几十种，以及许多16SrRNA、18SrRNA、23SrRNA和26SrRNA。在mRNA中，如哺乳类珠蛋白mRNA、鸡卵清蛋白mRNA和许多蛋白质激素和酶的mRNA等也弄清楚了。此外还测定了一些小分子RNA，如snRNA和病毒感染后产生的RNA的核苷酸排列顺序。类病毒RNA也有5种已知的一级结构，它们都是环状单链；MJS2RNA、烟草花叶病毒RNA、小儿麻痹症病毒RNA是已知结构中比较大的RNA。RNA的一级结构主要是由AMP、GMP、CMP和UMP四种核糖核苷酸通过3'，5'磷酸二酯键相连而成的多聚核苷酸链。天然RNA的二级结构，一般并不像DNA那样都是双螺旋结构，只有在一些区段可发生自身回折，使部分A-U、G-C碱基配对，从而形成短的不规则的螺旋区。不配对的碱基区膨出形成环，而被排斥在双螺旋之外。例如：tRNA的三叶草结构。RNA的三级结构，其中研究得最清楚的是tRNA，1974年用X射线衍射研究酵母苯丙氨酸tRNA的晶体，已确定它的立体结构呈倒L形。RNA中双螺旋结构的稳定因素，也主要是碱基的堆砌力，其次才是氢键。每一段双螺旋区至少需要4～6对碱基对才能保持稳定。在不同的RNA中，双螺旋区所占比例不同。细胞内有三类主要的核糖核酸，即：mRNA、rRNA、tRNA。它们各有特点。在大多数细胞中RNA的含量比DNA多5～8倍。RNA一级结构的测定常利用一些具有碱基专一性的工具酶，将RNA降解成寡核苷酸,然后根据两种(或更多)不同工具酶交叉分解的结果，测出重叠部分,来决定RNA的一级结构。举例如下：9核苷酸AGUCGGUAG工具酶牛胰核糖核酸酶高峰淀粉酶核糖核酸酶T1(RNaseA)(RNaseT1)降解结果AGU+C+GGU+AGAG+UCG+G+UAG结果分析1、牛胰核糖核酸酶是一个内切核酸酶，专一地切在嘧啶核苷酸的3′-磷酸和其相邻核苷酸的5′-羟基之间，所以用它来分解上述9核苷酸，得到AGU、C、GGU和AG4个产物。2、核糖核酸酶T1是一个专一地切在鸟苷酸的3′-磷酸和其相邻核苷酸的5′-羟基之间的内切核酸酶，它作用于上述9核苷酸，则得到AG、UCG、G和UAG4个产物。因此，根据产物的性质，就可以排列出9核苷酸的一级结构。除上述两种核糖核酸酶外，还有黑粉菌核糖核酸酶(RNaseU2)，专一地切在腺苷酸和鸟苷酸处，和高峰淀粉酶核糖核酸酶T1联合使用,可以测定腺苷酸在RNA中的位置。多头绒孢菌核糖核酸酶(RNasePhy)除了CpN以外的二核苷酸都能较快地水解，因此和牛胰核糖核酸酶合用可以区别Cp和Up在RNA中的位置。4功能20世纪40年代，人们从细胞化学和紫外光细胞光谱法观察到凡是RNA含量丰富的组织中蛋白质的含量也较多,就推测RNA和蛋白质生物合成有关。RNA参与蛋白质生物合成过程的有3类RNA，分别是：转移核糖核酸(tRNA)、信使核糖核酸(mRNA)和核糖体核糖核酸(rRNA)。不同的RNA有其不同的功能，其中rRNA是核糖体的组成成分，由细胞核中的核仁合成，而mRNA、tRNA在蛋白质合成的不同阶段分别执行着不同功能。mRNA是以DNA的一条链为模板，以碱基互补配对原则，转录而形成的一条单链，主要功能是实现遗传信息在蛋白质上的表达，是遗传信息传递过程中的桥梁。tRNA的是携带符合要求的氨基酸，以连接成肽链，再经过加工形成蛋白质。二、转运RNA(tRNA)1概述转运RNA（transferribonucleicacid），简称tRNA，是具有携带并转运氨基酸功能的一类小分子核糖核酸。绝大多数tRNA由七十几至九十几个核苷酸组成，分子量为25000～30000，沉降常数约为4S（个别tRNA的沉降常数为3S，含63个核苷酸）。曾用名有联接RNA、可溶性RNA、pH5RNA等。2种类一种tRNA只能携带一种氨基酸，如丙氨酸tRNA只携带丙氨酸，但一种氨基酸可被不止一种tRNA携带。同一生物中，携带同一种氨基酸的不同tRNA称作“同功受体tRNA”。组成蛋白质的氨基酸有20种，而tRNA可以有六七十种或更多。携带同一种氨基酸的细胞器tRNA与细胞质tRNA也不一样。生物体发生突变后，校正机制之一是通过校正基因合成一类校正tRNA，以维持翻译作用译码的相对正确性。可以有多种校正tRNA携带同一种氨基酸。3结构tRNA的分子由一条长70~90个核苷酸并折叠成三叶草形的短链组成的。上图中有两种不同的分子，苯丙氨酸tRNA和天冬氨酸tRNA。tRNA链的两个末端在图上方指出的L形结构的末端互相接近，氨基酸在箭头示意的位置被连接，在这条链的中央形成了L形臂，如图下方所示，露出了形成反密码子的三个核苷酸。三叶草结构的其余两环被包裹成肘状，在那里它们提供整个分子的结构。四个常见RNA碱基---腺嘌呤、尿嘧啶、鸟嘌呤和胞嘧啶显然不能提供足够的空间以形成一个坚固的结构，因为这些碱基大部分被修饰过以延长它们的结构。但是，有两个奇特的例子，看37号反密码子相邻的碱基，位于甲硫氨酸tRNA（1yfg）或苯丙氨酸tRNA(4tna和6tna)的起始部位。一般情况下，二级结构具有以下几个共同点：①5’末端具有G（大部分）或C。②3’末端都以ACC的顺序终结。③有一个富有鸟嘌呤的环。④有一个反密码子环，在这一环的顶端有三个暴露的碱基，称为反密码子（anticodon）.反密码子可以与mRNA链上互补的密码子配对。⑤有一个胸腺嘧啶环。自从1965年R．W．霍利等首次测出酵母丙氨酸tRNA的一级结构即核苷酸排列顺序以来，到1983年已有200多个tRNA（包括不同生物来源、不同器官、细胞器的同功受体tRNA以及校正tRNA）的一级结构被阐明。按照A－U、G－C以及G－U碱基配对原则，除个别例外，tRNA分子均可排布成三叶草模型的二级结构（图1）。它由3个环，即D环〔因该处二氢尿苷酸（D）含量高〕、反密码环（该环中部为反密码子）和TΨC环〔因绝大多数tRNA在该处含胸苷酸（T）、假尿苷酸（Ψ）、胞苷酸（C）顺序〕，四个茎，即D茎（与D环联接的茎）、反密码茎（与反密码环联接）、TΨC茎（与TΨC环联接）和氨基酸接受茎〔也叫CCA茎，因所有tRNA的分子末端均含胞苷酸（C）、胞苷酸（C）、腺苷酸（A）顺序，CCA是连接氨基酸所不可缺少的〕，以及位于反密码茎与TΨC茎之间的可变臂构成。不同tRNA的可变臂长短不一，核苷酸数从二至十几不等。除可变臂和D环外，其他各个部位的核苷酸数目和碱基对基本上是恒定的。图1也示出tRNA分子中出现的保守或半保守成分，这些成分对维系tRNA的三级结构是很重要的。tRNA的结构特征之一是含有较多的修饰成分，如上面提到的D、T、Ψ等；核酸中大部分修饰成分是在tRNA中发现的。修饰成分在tRNA分子中的分布是有规律的，但其功能不清楚。1974年用X射线晶体衍射法测出第一个tRNA——酵母苯丙氨酸tRNA晶体的三维结构，分子全貌象倒写的英文字母L，呈扁平状，长60埃，厚20埃（图2），它是在tRNA二级结构基础上，通过氨基酸接受茎与TΨC茎以及D茎与反密码茎间折叠成右手反平行双螺旋。tRNA三级结构由保守或半保守成分与构成二级结构的核苷酸之间形成氢键（称三级结构氢键）维系。其他tRNA晶体的三维结构类似酵母苯丙氨酸tRNA，只是某些参数有所不同。tRNA在溶液中的构型与其晶体结构一致。4功能tRNA的功能主要是携带氨基酸进入核糖体，在mRNA指导下合成蛋白质。即以mRNA为模板，将其中具有密码意义的核苷酸顺序翻译成蛋白质中的氨基酸顺序。tRNA与mRNA是通过反密码子与密码子相互作用而发生关系的。在肽链生成过程中，其中第一个进入核糖体与mRNA起始密码子结合的tRNA叫起始tRNA，其余tRNA参与肽链延伸，称为延伸tRNA，按照mRNA上密码的排列，携带特定氨基酸的tRNA依次进入核糖体。形成肽链后，tRNA即从核糖体释放出来，整个过程叫做tRNA循环（图3）。tRNA靠反密码子与mRNA识别，但并非一种反密码子只能识别一种密码子。例如反密码子CIG（I是次黄嘌呤核苷酸）能识别三种密码子。一般反密码子中的稀有核苷酸因配对不严格而能识别多种密码子，这种现象在生物学中称为“摆动性”。tRNA是通过分子中3′端的CCA携带氨基酸的。然后氨基酸连接在腺苷酸的2′或3′OH基上，携带了氨基酸的tRNA叫氨酰tRNA，例如，携带甘氨酸的tRNA叫甘氨酰tRNA。氨基酸与tRNA的结合由氨酰tRNA合成酶催化，分二步进行：①氨基酸+ATP→氨酰-AMP+焦磷酸；②氨酰-AMP＋tRNA→氨酰-tRNA＋AMP。与一种氨基酸对应的至少有一种tRNA和一种氨酰-tRNA合成酶。tRNA还具有其他一些特异功能，例如，在没有核糖体或其他核酸分子参与下，携带氨基酸转移至专一的受体分子，以合成细胞膜或细胞壁组分；作为反转录酶引物参与DNA合成；作为某些酶的抑制剂等。有的氨酰-tRNA还能调节氨基酸的生物合成。在许多植物病毒RNA分子中发现有类似于t