RNA的种类与功能的多样性

论文：RNA种类和功能的多样性RNA种类和功能的多样性引言DNA是遗传信息的主要载体,生物体的生理功能主要由蛋白质来执行。在DNA和蛋白质之间,RNA起着中介作用。与DNA相比,RNA种类较多,分子量相对较小,在遗传信息表达和调控过程中各类RNA分别发挥作用。这是我们对RNA的基本知识。随着研究的深入,人们发现生物体内RNA的种类和功能已远远超出从前对它的认识,不仅仅是在基因表达时作为中介那样简单,它在生命活动的各个方面和生物进化过程中起着相当重要的作用。现从生物体内RNA的种类和功能的多样性作一概述。摘要：生物体内目前已发现的RNA有十多种。RNA可以作为病毒基因组;RNA在蛋白质生物合成,包括转录、转录后的加工、编辑、修饰中扮演了重要角色;具有重要的催化和持家功能,对基因表达和细胞功能进行调节,并在生物进化中起重要作用。关键词：RNA;种类;功能2生物体内RNA的种类目前看来,生物体内有14个种类的RNA:(1)信使RNA(mRNA),携带从DNA转录来的遗传信息。(2)转运RNA(tRNA),负责蛋白质合成时氨基酸的转运。(3)核糖体RNA(rRNA),在核糖体中起装配和催化作用。(4)具有催化作用的RNA,即核酶(ribozyme)和其它RNA自我催化分子。(5)基因组RNA(genomeRNA),指一些病毒以RNA为遗传物质。(6)指导RNA(guideRNA),是指导RNA编辑的小RNA分子。(7)mRNA样非编码RNA,其转录和加工方式同mRNA,但不翻译为蛋白质。已知这类RNA有20多种,例如人的xistRNA和X染色体的XIST结合,使此X染色体失去转录活性。(8)tmRNA,本身既是tRNA又是mRNA,翻译时一身二任。如大肠杆菌中的10SaRNA。(9)小胞质RNA(smallcytoplasmicRNA,scRNA),存在于细胞质中的小RNA分子。如信号识别颗粒(signalrecognitionparticle,SRP)组分中含有的7SRNA。(10)小核RNA(smallnuclearRNA,snRNA),是剪接体的组分。(11)核仁小RNA(smallnucleolarRNA,snoRNA),参与rRNA的加工。(12)端粒酶RNA,是真核生物端粒复制的模板。(13)反义RNA(antisenseRNA),可通过与靶位序列互补而与之结合的RNA,或直接阻止靶序列功能,或改变靶部位构象而影响其功能。（14）小RNA,包括miRNA和siRNA。2.1信使RNA（messageRNA,mRNA）信使RNA属于唯一的编码RNA，是编码蛋白的转录产物。其作为基因与蛋白质生物合成的之间的“信使”，可通过密码三联子翻译生成特定的蛋白质序列，从而起着遗传信息由DNA表现到蛋白质的中间传递者的核心作用。相对而言，mRNA在细胞中的含量很少，并且寿命很短，完成任务以后便被降解而非持续存在。mRNA的降解在它发挥调控功能的过程中起着重要作用。贮存在DNA上的遗传信息通过mRNA传递到蛋白质上，mRNA与蛋白质之间的联系是通过遗传密码的破译来实现的。mRNA上每3个核苷酸翻译成蛋白质多肽链上的一个氨基酸，这3个核苷酸就称为密码，也叫三联子密码即密码子（codon）[1]。mRNA与核糖体结合后作为蛋白质合成的模板，其上的密码子与tRNA上的反密码子相互作用，多肽链依次延长，最后形成完整的多肽链再经进一步变化成为蛋白质。举个例子：如果把DNA比作大学里的导师，（显然二者同样在各自的小圈子里处于核心支配地位）那么可以把实验成果比喻为蛋白质，导师一般不必亲自做实验，而可以通过比如手下的博士生（相当于mRNA）向研究生或其他学生提供思路和方向（信息）。在试验台（相当于核糖体或rRNA）上直接做实验的学生（相当于tRNA）按照要求投入实验原料（看做氨基酸），并最终得到实验结果。当然，例子不尽完善，所体现出来的RNA功能也只是很浅层次的，实际上RNA具有其他许多保障完成使命的其他功能。2.2转运RNA（transferRNA,tRNA）转运RNA（transferRNA,tRNA），负责特异性读取mRNA中包含的遗传信息，并将信息转化成相应氨基酸后连接到多肽链中。tRNA为每个密码子翻译成氨基酸提供了结合体，同时还准确地将所需AA运送到核糖体上。鉴于tRNA在蛋白质合成中的关键作用，又把tRNA称作第二遗传密码。tRNA具有三叶草型二级结构以及“L”型三级结构，这些高级结构是适用于tRNA的生物功能的，并为我们提供了研究线索。tRNA的不同种类及数量可对蛋白质合成效率进行调节。2.3核糖体RNA（ribosomalRNA,rRNA）核糖体RNA是细胞中最为丰富的RNA，在活跃分裂的细菌细胞中占80%以上。他们是核糖体的组分，并直接参与核糖体中蛋白质的合成。核糖体是rRNA提供了一个核糖体内部的“脚手架”，蛋白质可附着在上面。这种解释很直接很形象，但是低估了rRNA在蛋白质合成中的主动作用。较后续的研究表明，rRNA并非仅仅起到物理支架作用，多种多样的rRNA可起到识别、选择tRNA以及催化肽键形成等多种主动作用。例如：核糖体的功能就是,按照mRNA的指令将氨基酸合成多肽链。而这主要依靠核糖体识别tRNA并催化肽键形成而实现。可以说核糖体是一个大的核酶(ribozyme)[2]。而核糖体的催化功能主要是由rRNA来完成的,蛋白质并没有直接参与。此外，在物种研究方面rRNA也有用途：rRNA结构既具保守性又具高变性，保守性反映生物物种的亲缘关系，高变性则揭示生物物种的特征核酸序列，是属种鉴定的分子基础[3]。2.4核酶（ribonucleicacidenzyme,简称ribozyme）2.4.1核酶的发现与分类从人类认识到酶的存在开始到20世纪80年代初期,酶的本质是蛋白质这一概念根深蒂固。但是美国科罗拉多大学的Cech等人的出色工作却从根本上改变了人们的这一认识。美国科罗拉多大学（Boulder分校）cech实验室首先发现了RNA具有酶活性，因此Cech与Altman分享了1989年的诺贝尔化学奖.根据一级序列的大小不同,核酶可以被分成小分子核酶和大分子核酶.小分子核酶包括锤头核酶、发卡核酶、VS(varkudsatellite)核酶以及HDV(hepatitisdeltavirus)核酶,它们的序列长度都在200个核苷酸以下.大分子核酶包括RNaseP,Ⅰ型内含子（groupⅠintron）,Ⅱ型内含子(groupⅡintron)以及核糖体，它们的序列长度从几百到几千核苷酸不等.2.4.2核酶的功能核酶在自然界中广泛存在,在三界生物中都被发现并参与多种多样的生物学反应.小核酶主要存在于病毒、类病毒和微卫星的RNA基因组中,加工滚环复制获得的中间产物到基因组长度[4]Ⅰ型和Ⅱ型内含子在低等真核生物和植物的细胞器基因组中富集存在[4],它们的准确剪接对其宿主基因所编码的RNA的成熟至关重要[5.6].目前为止,发现两类核酶在三界生物中普遍存在,起看家功能.一类是负责加工tRNA成熟的核糖核酸酶RNaseP(ribonucleaseP),它由蛋白质和RNA共同组成,但其催化功能由RNA组分独立完成,因此称为RNaseP核酶[7].另外,在生物体最重要的生物学过程——多肽的合成中,肽键的形成是由核糖体RNA的肽酰转移酶活性催化的,这意味着核糖体也是一个核酶[8].2.5tmRNAtmRNA是一类普遍存在于各种细菌及细胞器（如叶绿体，线粒体）中的稳定小分子RNA。它具有mRNA分子和tRNA分子的双重功能，它在一种特殊的翻译模式——反式翻译模式中发挥重要作用。同时，它与基因的表达调控以及细胞周期的调控等生命过程密切相关，是细菌体内蛋白质合成中起“质量控制”的重要分子之一。2.5.1tmRNA的结构tmRNA主要包括12个螺旋结构（helix1-helix12,H1-H12）和4个“假结”结构（pseudoknots,pK1-pK4），同时还包括一个可译框架（openreadingframe,ORF）序列的单链RNA结构。tmRNA中H1由5’端和3’端两个末端形成，与tRNA的氨基酸受体臂相似。H1和H2的5’部分之间有一个由10-13nt形成的环，类似tRNA中的二氢尿嘧啶环，称为“D”环。H3和H4，H6和H7，H8和H9，H10和H11之间分别形成Pk1，pK2，pK3，pK4。H4和H5之间则由一段包含编码标记肽ORF的单链RNA连接。H12由5个碱基对和7nt形成的环组成，类似tRNA中的TΨC臂和TΨC环，称为“T”环[9]。tmRNA结构按照功能进行划分可分为tRNA类似域（TLD）和mRNA类似域（MLD），TLD主要包括H1,H2,H12,“D”环和“T”环，MDL则包括ORF和H5，这两部分分别具有类似tRNA和mRNA的功能。2.5.2tmRNA的功能2.5.2.1反式翻译当一个正常的翻译过程将要结束时，可能由于遇到该mRNA缺少正常的终止密码子，该核糖体依然会滞留在该mRNA上，这时就需要tmRNA结合到该核糖体上，在不完整的新生多肽链上连接一段能被某些特异性蛋白水解酶降解的标记肽，并使核糖体的两个亚基分离开，使其能迅速下一轮翻译过程。2.5.2.2基因表达调控tmRNA通过与包括LacI和其它调节蛋白在内的DNA结合蛋白相互作用，以减少这些调节因子在生物体内的自由含量，从而降低其调节活性，实现对基因的表达调控。2.5.2.3细胞周期调控tmRNA的活性对于细胞从G1-S期的过渡是必需的，表明在DNA复制时期，可能需要一条依赖tmRNA的信号通道。2.6核仁小RNA(snoRNA)2.6.1snoRNA的结构snoRNA是细胞核内的一类高丰度的小分子非编码RNA按其结结构与功能特点，绝大多snoRNA可归为两类boxC/DsnoRNA和boxH/ACAsnoRNA，均具有保守的特征二级结构，boxC/DsnoRNA类能形成“发夹-铰链-发夹-尾部”状二级结构（图a）。boxC/DsnoRNA其分子两端的boxC,boxD以及末端配对序列能形成保守的“茎-内环-茎”状二级结构，称为“K-turn”结构（图b,c）[10]。目前，在真核生物C/DsnoRNA古细菌C/DsnoRNA和H/ACAsnoRNA以及rRNA，U4snRNA中都发现了“K-turn”结构，说明它是一种在RNA中保守存在的与蛋白质相互作用的二级结构。2.6.2snoRNA的功能大多数boxC/DsnoRNA和boxH/ACAsnoRNA分别具有指导rRNA，snRNA或tRNA前体中特定核苷2’-O-核糖甲基化修饰与假尿嘧啶化修饰的功能；少部分snoRNA参与rRNA前体的加工剪切，与rRNA的正确折叠和组装相关。2.7微RNA（microRNAs；miRNA，又译小分子RNA）2.7.1miRNA的结构miRNA广泛地存在于多重真核生物中，从低等生物到人类都有其存在的痕迹。它是一类长度为21~25nt的单链RNA分子片段，属于非蛋白编码RNA。miRNA和siRNA都是经Dicer作用而形成的产物，也称为Dicer产物。miRNA有一个很有趣的共同特点,就是它的序列存在于茎环结构中的茎上。这种茎环结构通常是由70多个核苷酸组成的不完全的发夹结构,上面有一些凸起和环状结构。茎部形成双链RNA,但不是严格互补,可存在错配和GU摆动配对。2.7.2miRNA的功能miRNA基因是一类高度保守的非编码基因大家族，它在基因调节方面具有巨大的潜力。据其作用模式的不同可以分为三类：第一类如lin4，与mRNA不完全互补，当miRNA与靶mRNA不完全配对结合时，主要影响其翻译过程而对mRNA的稳定性无影响。第二类如miR39和miR171，与其靶mRNA完全互补，当其与mRNA完全配对结合后，分裂切割靶mRNA。第三类作用模式如let7，当其与靶RNA完全互补配对时，直接靶向切割mRNA，而不完全互补配对时起调节基因表达的作用[11]。2.8