RNA结构与功能

RNA的空间结构和功能第二节RNA是DNA的转录产物。编码RNA：核苷酸序列可以翻译成蛋白质非编码RNA：不编码蛋白质组成性非编码RNA:确保实现基本生物学功能，丰度基本恒定调控性非编码RNA:具有调控基因表达的作用，其丰度随外界环境和细胞性状发生改变RNA编码RNA非编码RNAmRNA组成性非编码RNA调控性非编码RNAtRNArRNAsnRNAsnoRNAscRNAlncRNAmiRNAcircRNAsiRNApiRNA一、mRNA是蛋白质合成的模板信使RNA(messengerRNA,mRNA)：蛋白质生物合成的模板仅占细胞RNA总重量的2～5％约有105个不同种类大小、丰度和稳定性差异巨大。真核生物mRNA比原核生物mRNA更复杂。(一)真核细胞mRNA的5´-端有帽结构真核生物mRNA的5-端是一个通过5-5连接、在N7位甲基化的鸟嘌呤，称为5-帽结构（5-cap）。5-帽结构可以与帽结合蛋白(capbindingprotein)结合。5-帽结构与蛋白质的翻译起始和mRNA的稳定性密切有关。75’5’(二)真核生物mRNA的3´-端有多聚腺苷酸尾的结构真核生物mRNA的3-端有一段长度约为20-250腺苷酸，称为多聚腺苷酸尾(poly-Atail)。多聚A尾结构可以与多聚A结合蛋白(polyAtailbindingprotein)结合。该结构与mRNA从核内向胞质的转移以及mRNA的稳定性有关。PPiATP断裂点聚合腺苷酸富UG区多聚腺苷信号Y=嘧啶切割(三)hnRNA经过修饰成为成熟mRNA细胞核内新生成的mRNA初级产物被称为不均一核RNA(heterogeneousmRNA，简称hnRNA)。hnRNA有外显子（exon）和内含子（intron）。外显子是编码氨基酸的序列，内含子是非编码序列。hnRNA经过剪接和加工过程，剔除内含子，连接外显子，成为成熟mRNA。hnRNA转录首尾修饰索套形成mRNA剪接DNA1872nt7564bp成熟mRNAA–G为内含子。可读框起始密码子终止密码子5-非翻译区3-非翻译区遗传密码子AUG成熟mRNA的结构特征二、tRNA是蛋白质合成中氨基酸的载体转运RNA(transferRNA,tRNA)：氨基酸的载体参与多肽链合成约占RNA总量的15%100多种tRNA长度为70～95nt结构非常稳定（一）tRNA含有多种稀有碱基10%-20%稀有碱基；在转录后修饰而成双氢尿嘧啶（DHU）假尿嘧啶（）7甲基鸟嘌呤（m7G）51（二）tRNA具有特定的空间结构tRNA的3´-端永远是CCA。局部的核苷酸碱基互补形成了茎环(stem-loop)结构或发卡(hairpin)结构。DHU环；TψC环；反密码子环氨基酸接纳臂二级结构酷似三叶草形状。反密码子环DHU环TψC环3’5’氨基酸接纳臂可变臂TψC环DHU环反密码子环氨基酸接纳臂5’3’tRNA的倒L形空间结构（三）tRNA的3´-端连接着氨基酸氨基酸在相对应的氨基酰合成酶催化下连接在3´-端A的C3´-OH上。一种tRNA只能携载一种氨基酸;一种氨基酸可以被多种tRNA所携载。连接在tRNA上的氨基酸才可以用来进行蛋白质的生物合成。酪氨酸-tRNA:Tyr-tRNATyr（四）tRNA的反密码子能够识别mRNA的密码子反密码子环中的三个核苷酸构成了一个反密码子（anti-codon）。反密码子与mRNA的密码子通过Watson-Crick碱基互补配对识别。5’mRNA5’三、以rRNA为主要成分的核糖体是蛋白质合成的场所核糖体RNA(ribosomalRNA，rRNA)：与核糖体蛋白共同组成了蛋白质生物合成的场所-核糖体(ribosome)。细胞内含量最多的RNA：~80％稳定的结构保守的核苷酸序列原核生物真核生物小亚基rRNA蛋白质30S16S1542个核苷酸21种占总重的40%40S18S1874个核苷酸33种占总重的50%大亚基rRNA蛋白质50S23S2490个核苷酸5S120个核苷酸31种占总重的30%60S28S4718个核苷酸5.8S160个核苷酸5S120个核苷酸49种占总重的35%核糖体的分子组成70S核糖体30S小亚基50S大亚基23SrRNA+5SrRNA16SrRNA21种蛋白质31种蛋白质原核生物核糖体的分子组成5SrRNA16SrRNA5’5’3’3’原核生物rRNA的二级结构5’3’原核生物肽链合成的示意图合成中的肽链的N-末端5’3’氨基酰-tRNA进位5’3’肽链延长5’3’核糖体转位5’3’tRNA退位四、组成性非编码RNA是基因表达中不可缺少的因子真核细胞中还有其他类型的组成性非编码RNA。这些RNA作为关键因子参与了RNA的剪接和修饰、蛋白质的转运以及调控基因表达。组成性非编码RNA种类催化小RNA：也称为核酶（ribozyme）；具有催化特定RNA降解的活性；在RNA合成后的剪接修饰中具有重要作用。核仁内RNA（smallnucleolarRNA，简称snoRNA）：snoRNA定位于核仁；参与rRNA的加工，如tRNA的核糖C2´的甲基化和假尿嘧啶化修饰。核内小RNA（smallnuclearRNA，简称snRNA）：snRNA富含尿嘧啶，故命名为U-snRNA。参与真核细胞mRNA的成熟过程，如U1、U2、U4、U5、U6和U7。它们的作用是识别hnRNA上的外显子和内含子的结点，切除内含子。这些snRNA的5´-端有一个与mRNA相类似的5´-帽结构。胞质小RNA（smallcytoplasmicRNA，简称scRNA）：scRNA存在细胞质中；与蛋白质结合形成复合体后发挥生物学功能，如SRP-RNA与六种蛋白质共同形成信号识别颗粒，引导含有信号肽的蛋白质进入内质网进行合成。五、调控性非编码RNA参与了基因表达调控调控性非编码RNA不编码蛋白质具有重要的生物学功能：转录调控、RNA剪切和修饰、mRNA的翻译、蛋白质的稳定和转运、染色体的形成和结构稳定等参与了胚胎发育、组织分化、信号转导、器官形成等基本的生命活动中以及疾病（如肿瘤、神经性疾病等）的发生和发展调控性非编码RNA种类短链非编码RNA（smallnon-codingRNA,简称sncRNA）长链非编码RNA（longnon-codingRNA,简称lncRNA）环状RNA（circularRNA，简称circRNA）（一）短链非编码RNA种类微小RNA（microRNA,简称miRNA）小干扰RNA（smallinterferingRNA,简称siRNA）与PIWI蛋白家族成员结合的小RNA（piwi-interactingRNA，简称piRNA）微小RNA编码miRNA的基因转录生成长度为几千个碱基的初级转录本pri-miRNA。细胞核内，pri-miRNA在蛋白复合体Drosha的作用下生成60～70nt、具有发夹结构的miRNA前体（pre-miRNA）。细胞质中，RNaseIII酶家族成员Dicer对pre-miRNA的茎环结构进行剪切，在细胞质内形成大约20碱基对长的miRNA:miRNA*双链。微小RNAmiRNA与靶基因mRNA的开放阅读框中的序列形成完全互补的RNA双链，miRNA将双链中的mRNA降解，沉默基因表达。miRNA与靶基因mRNA的3´-UTR形成非完全互补的杂交双链，miRNA结合在杂交双链上，抑制基因表达。miRNA参与细胞的生长、分化、衰老、凋亡、自噬、迁移、侵袭等多种过程。小干扰RNA内源性siRNA是由细胞自身产生的。外源性siRNA是外源入侵的双链RNA，经Dicer切割所产生的具有特定长度（21-23bp）和特定序列的小片段RNA。这些siRNA可以与AGO蛋白结合，诱导靶mRNA的降解。piRNA哺乳动物生殖细胞中分离得到的~30nt的小RNA。5′端具有强烈的尿嘧啶倾向性（约86%）。piRNA与PIWI蛋白家族成员相结合才能发挥调控作用。piRNA在染色体上的分布不均匀，piRNA的表达具有组织特异性，调控着生殖细胞和干细胞的生长发育。对piRNA的研究尚处于初级阶段，具体的功能尚在研究当中。（二）长链非编码RNA长度为200-100000核苷酸的RNA分子；具有类似于mRNA的结构：polyA尾巴和启动子，但不存在开放阅读框；来源于蛋白质编码基因、假基因或编码基因间的DNA序列；由RNA聚合酶Ⅱ转录，经剪切加工后生成；具有强烈的组织特异性与时空特异性。lncRNA作用机制结合在编码基因启动子区，干扰下游基因的表达；与编码基因的转录本形成互补双链，形成不同的剪切形式；与编码基因的转录本形成互补双链，产生内源性siRNA；与特定蛋白质结合，lncRNA转录本可调节相应蛋白的活性；结合到特定蛋白质上，改变该蛋白质的细胞定位；抑制RNA聚合酶或介导染色质重构，影响下游基因的表达。（三）环状RNA几乎完全定位于细胞核中不受RNA外切酶的影响，表达更稳定，不易降解或来自外显子，或兼有外显子和内含子的部分具有序列的高度保守性；具有一定的组织、时序和疾病特异性。环状RNAcircRNA分子富含miRNA的结合位点，在细胞中起到miRNA海绵（miRNAsponge）的作用；通过结合miRNA，解除miRNA对其靶基因的抑制作用，上调靶基因的表达，产生相应的生物学效应。