核糖核酸
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mRNA的球棍模型 ,其中灰色小球代表碳原子 ,紅色小球代表氧原子,藍色小球代表氮原子 ,橘色小球代表磷原子
圖爲mRNA前體上的一段莖環 結構。含氮鹼基 以綠色表示,而磷酸-核糖骨架則以藍色表示。注意莖(雙鏈)結構是由一條RNA單鏈通過摺疊形成
核糖核酸 (英語:r ibon ucleic a cid ,縮寫:RNA )是一類由核糖核苷酸 通過3',5'-磷酸二酯鍵 聚合而成的線性大分子[ 1] 。自然界中的RNA通常是單鏈的,且RNA中最基本的四種鹼基 爲腺嘌呤 (A)、尿嘧啶 (U)、鳥嘌呤 (G)、胞嘧啶 (C)[ 註 1] ,相對的,與RNA同爲核酸的DNA 通常是雙鏈分子,且其含有的含氮鹼基中将 RNA的尿嘧啶 替换为胸腺嘧啶 (T)。
RNA有着多種多樣的功能,可在遺傳編碼 、轉譯 、調控、基因表達 等過程中發揮作用。按RNA的功能,可將RNA分爲多種類型。比如,在細胞生物中,mRNA (傳訊RNA)爲遺傳訊息的傳遞者,它能夠指導蛋白質 的合成。因爲mRNA有編碼蛋白質的能力,它又被稱爲編碼RNA。而其他沒有編碼蛋白質能力的RNA則被稱爲非編碼RNA (ncRNA)。它們經由催化生化反應,或透過調控或參與基因表達 過程發揮相應的生理功能。比如,tRNA (轉運RNA)在轉譯過程中起轉運RNA的作用,rRNA (核糖體RNA)於轉譯過程中起催化肽鏈 形成的作用,sRNA (小RNA)起到調控基因表達的作用。此外,RNA病毒 甚至以RNA作爲它們的遺傳物質。
RNA通常由DNA 經由轉錄 生成。RNA在細胞中廣泛分佈,真核生物的細胞核 、細胞質 、粒線體 中都有RNA[ 2] :36 。
與DNA的比較
RNA分子中的含氮鹼基
50S核糖體亞單位的3D結構示意圖。rRNA以土黃色表示,蛋白質以藍色表示。活性位點爲rRNA的一個小片段,以紅色標出
RNA的分子結構與DNA非常相似,但是,兩者有以下三個主要不同點:
與通常是雙鏈的DNA不同,RNA通常是單鏈的,而且長度一般比DNA短得多[ 3] [ 4] 。不過,單鏈RNA可以通過摺疊形成雙鏈結構(這樣的雙鏈結構亦被稱爲「莖 」),tRNA 中即有這樣的結構。
DNA中的戊糖爲脫氧核糖 ,而RNA中的戊糖爲核糖 [ 5] ,其區別在於,脫氧核糖的2位碳上連接的是氫原子,而核糖的2位碳上連接的是羥基 )。2位碳上的羥基降低了RNA的穩定性,因爲它使得RNA更易被水解。
在DNA中,與腺嘌呤(A)互補的含氮鹼基是胸腺嘧啶(T),而在RNA中,與腺嘌呤(A)互補的含氮鹼基是尿嘧啶(U),它比胸腺嘧啶少了一個甲基 [ 6] 。
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,但含有自我互補的序列,能使得它們能進行摺疊[ 7] ,形成互補雙鏈結構(莖)。對RNA的分析表明,它們有着相對更複雜的結構。和DNA不同,RNA的二級結構並不是單純的雙螺旋,而由一系列短的二級結構 構成。通過這些短的二級結構的組合,RNA甚至可以擁有與蛋白質相似的結構,並像酶 那樣催化化學反應(這樣的RNA被稱爲核酶 )[ 8] 。比如,對核糖體進行分析表明,其催化成肽反應的活性位點完全由RNA構成[ 9] 。
結構
siRNA (小干擾RNA)中的鹼基互補配對(圖中省略了氫原子)
RNA的單體爲核糖核苷酸 ,其中的戊糖爲核糖 ,依系統命名法 可將其中的碳原子從1'編號至5'。含氮鹼基與1'碳原子相連。RNA中最基本的四種鹼基分別爲A (腺嘌呤)、U (尿嘧啶)、G (鳥嘌呤)、C (胞嘧啶)。其中,腺嘌呤和鳥嘌呤爲雙環的嘌呤 ,尿嘧啶和胞嘧啶爲單環的嘧啶 。磷酸基團與一個核糖殘基的3'碳原子相連,與下一個核糖核苷酸的5'碳原子相連。磷酸基團在生理pH下,並不都能帶上負電荷,因而RNA在生理條件下是帶電荷分子(聚陰離子)。C和G、U和A、G和U之間能夠形成氫鍵[ 15] 。不過,鹼基之間也可能發生其他一些相互作用。比如,在一個凸出部分中,一群腺嘌呤可以互相連接[ 16] ,GNRA四環Tetraloop 中有一個G-A鹼基對[ 15] 。
RNA的分子結構
核糖的2位碳上連有羥基爲RNA的一個重要結構特點。這類羥基使得RNA雙鏈的結構應與A型構象 最接近[ 17] ,不過,在單鏈的某些二核苷酸環境下,也有極小的可能形成DNA最常見的B型螺旋構象 [ 18] 。A型構象使得RNA雙鏈的大溝狹窄而深,小溝淺而寬[ 19] 。在RNA分子的構象高度可變區域(即不生成雙鏈結構的區域),2'-OH還能攻擊附近的磷酸二酯鍵,使得核糖-磷酸鏈斷裂[ 20] 。
端粒酶RNA 的二級結構
通過轉錄,僅僅能使RNA鏈上帶A、U、G、C四種含氮鹼基[ 21] 不過,轉錄後修飾能夠通過多種途徑對RNA進行改造。比如,轉錄後修飾能夠將稀有鹼基假尿嘧啶 (Ψ)加到RNA鏈上。假尿嘧啶與核糖之間的化學鍵是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)[ 22] 。另外,次黃嘌呤 也是一種常見的稀有鹼基。次黃嘌呤爲腺嘌呤的脫氨 產物,含有次黃嘌呤的核苷被稱爲肌苷(I)。在基因編碼 的擺動假說 中,肌苷有重要的作用[ 23] 。
除以上列出的之外,經過編輯的核苷還有100多種[ 24] 。由修飾引發的結構性變化在tRNA 中最爲明顯[ 25] ,假尿嘧啶與經常在rRNA中出現2'-甲氧基核糖 是最常見的修飾產物[ 26] 。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,許多的轉錄後修飾發生在高度功能化的區域,比如肽基轉移酶催化中心以及亞基結合部位,似乎說明轉錄後修飾對RNA發揮正常功能來說相當重要[ 27] 。
具有催化功能的單鏈RNA分子,和蛋白質相類似,需要特殊的RNA三級結構 。通過分子內氫鍵形成的二級結構 原件構成了三級結構的框架。二級結構形成了許多可識別的「結構域」——比如莖環結構、膨大結構(bulges)、內環結構 [ 28] 。因爲RNA分子帶電荷,不少二級結構和三級結構需要Mg2+ 等金屬離子來進行穩定[ 29] 。
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RNA酶的耐受力要強得多[ 30] 。
合成與修飾
RNA的合成一般由RNA聚合酶催化。RNA聚合酶 以DNA爲模板,通過轉錄 合成RNA。轉錄起始於RNA聚合酶與啓動子的結合(啓動子一般位於基因的上游)。因爲RNA聚合酶自帶解旋酶 活性,僅依靠RNA聚合酶即可實現DNA雙鏈的解開。轉錄過程中,RNA聚合酶以3'端至5'端的方向讀取DNA模板鏈,並以5'端到3'端的方向合成與之反向平行互補的RNA鏈。轉錄的終止由終止子 介導。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形成二級結構即可終止轉錄,而後者在ρ因子 的作用下才可以使轉錄終止。真核生物的轉錄終止則與轉錄後修飾 密切相關[ 2] :323 [ 31] [ 32] :531-535 。
在真核生物中,RNA的初始轉錄物 通常會經過轉錄後修飾 。比如,真核生物的mRNA大都會被加上Poly(A)尾 (多腺嘌呤尾巴)以及5'端帽 ,mRNA前體中含有的內含子序列也會被剪接體 切除[ 32] :580-581 。
一些RNA是由RNA複製酶 (RNA依賴性RNA聚合酶)以RNA爲模板催化合成的。比方說,RNA病毒通過RNA複製酶複製其遺傳物質[ 33] 。另外,RNA複製酶亦參與了眾多生物體的RNA干涉 過程[ 34] 。
分類
在细胞 中,根據結構功能的不同,RNA主要分三類,即tRNA 、rRNA ,以及mRNA 。mRNA是依據DNA序列轉錄 而成的蛋白質 合成模板;tRNA是mRNA上遺傳密碼 的識別者和氨基酸 的轉運者;rRNA是組成核糖体 的部分,而核糖體是蛋白質合成的機械。
細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 ,負責rRNA 成型的snoRNA ,以及參與RNAi 作用的miRNA 與siRNA 等,可調節基因表現。而其他如I、II型内含子 、RNase P、HDV、核糖體RNA等等都有催化生化反應過程的活性,即具有酶 的活性,這類RNA被稱為核酶 。
调控RNA
許多種類的RNA,能夠透過與mRNA或DNA上的基因片段,部分互補的方式,來調降基因表現。例如在真核Heidi nt),能引發RNA干擾。miRNA與酵素複合體,會切碎mRNA,阻止該mRNA被轉譯,或加速其降解。[ 35] [ 36]
雖然小干擾RNA (siRNA; 20-25 nt)的產生,通常是由分解病毒RNA得到,然而也存在內源性的siRNA。[ 37] [ 38] 而siRNA引發RNA干擾的機制類似miRNA,有些miRNA和siRNA,能造成其目標基因被甲基化 ,從而促進 或抑制該基因的轉錄。.[ 39] [ 40] [ 41] 此外,在動物生殖細胞內,所活躍的Piwi-interacting RNA (piRNA; 29-30 nt),被認為能預防轉座子 ,並在配子的發生上,扮演重要角色。[ 42] [ 43]
許多的原核生物,具有CRISPR RNAs ,其作用機制類似於真核生物的RNA干擾。[ 44] 其中反義RNA(Antisense RNAs)是最常見的,大多數能調降基因表現,但也有少部分會活化轉錄進行。[ 45] 反義RNA的作用機制之一,是藉由與mRNA互補配對,來形成雙股RNA,而被酵素降解。[ 46] 此外,在真核細胞內,也許多能調控基因的非編碼RNA ,[ 47] 一個常見的例子是Xist,它會附在雌性哺乳動物的其中一個X染色體上,造成其去活化 。[ 48]
一段mRNA自身可能帶有調控元件,例如riboswitches,在其五端非轉譯區(5' untranslated region)或三端非轉譯區(3' untranslated region),包含有順式作用元件 (cis-regulatory elements)能夠調控該mRNA的活性。[ 49] 此外,非編碼區上也有可能帶有,能調控其它基因的調控元件。[ 50]
修饰其它RNA
一種的常見RNA 修飾,尿苷 (Uridine)被轉換成假尿苷(Pseudouridine)。
許多的RNA會幫助修飾其它RNA。如前信使RNA (pre-mRNA)中的內含子 ,會被含有許多核小RNA (snRNA)的剪接體 剪接 。[ 6] 或者RNA本身能作為核酶,剪接自己的內含子。[ 51]
RNA上的核苷酸也可能被修飾,變成非A、U、G、C的核苷酸。在真核細胞中,RNA上核苷酸的修飾,通常是由在細胞核 與卡哈爾體 中發現的,小核仁RNA (snoRNA; 60-300 nt)所主導。[ 52] snoRNA會連結酵素,並以鹼基對的方式,引導它們去接上RNA,之後酵素便開始RNA核苷酸的修飾。鹼基修飾廣泛發生於rRNA 與tRNA 中,然而snRNA 與mRNA 也有可能是鹼基修飾的目標。[ 53] [ 54] 此外,RNA也可能被甲基化。[ 55] [ 56]
RNA基因组
如同DNA,RNA也可以攜帶遺傳信息。RNA病毒 的基因組 由RNA組成,可以轉譯出多種蛋白質,其中一些負責基因組的複製,而其它的則作為保護構造,在病毒離開宿主細胞後,保護基因組。類病毒 是另一種類型的病原體,但它們僅由RNA組成,且該RNA並不會轉譯出任何蛋白質,並利用宿主的聚合酶來複製。[ 57]
逆转录
反轉錄病毒 藉由將RNA反轉錄 成為DNA,DNA副本再轉錄為RNA的方式,來複製他們的基因組。反轉錄轉座子 也利用此方法,來複製DNA與RNA,以完成轉座。[ 58] 此外,真核細胞內的端粒酶 ,也包含一個作為模板的RNA,利用它來延長染色體端粒。[ 59]
双链RNA
雙鏈RNA(dsRNA)是指具有兩個互補鏈的RNA,與細胞中的DNA結構相似,它也是某些病毒 (雙鏈RNA病毒)的遺傳物質。雙鏈RNA如病毒RNA或小干擾RNA (siRNA),可以觸發真核生物 的RNA干擾 ,以及脊椎動物 的干擾素 反應。[ 60] [ 61] [ 62] [ 63]
一般的双链RNA是一条RNA折叠互補的。
发现史
羅伯特·威廉·霍利 (左側)及其研究團隊合影。
與RNA相關的研究,造就了許多生物學的發現,以及諾貝爾獎。而核酸 於1868年由弗雷德里希·米歇爾 發現,當時他將該物質稱作「核素」,因為它是在細胞核中被找到的。[ 64] 但不久後,科學家也在沒有細胞核的原核生物中,也發現了核酸。此外,早在1939年就有人懷疑,RNA在蛋白質合成中所扮演的角色。[ 65] 塞韋羅·奧喬亞 與阿瑟·科恩伯格 ,因為在實驗室內發現了,能夠合成RNA的酵素,而獲得1959年的諾貝爾生理學或醫學獎 [ 66] 然而,之後的研究顯示,由他們所發現的酵素多核苷酸磷酸化酶 ,是負責RNA降解,而非RNA合成。
羅伯特·威廉·霍利 於1965年,發現酵母菌裡大小為77個核苷酸的tRNA序列,[ 67] 並於1968年與哈爾·葛賓·科拉納 以及馬歇爾·沃倫·尼倫伯格 共同獲得了諾貝爾生理或醫學獎。在1967年,卡爾·烏斯 推測RNA可能具有催化能力,並提出建議指出,最早的生命形式(自我複製的分子)可能依賴於RNA,來攜帶遺傳信息和催化生化反應,即RNA世界學說 。[ 68] [ 69]
反轉錄病毒 及反轉錄酶 ,於1970年代早期被發現的,使人們了解到RNA能被反轉錄為DNA(與中心法則 的一般情況,DNA轉錄為RNA相反)。 這項發現,使戴維·巴爾的摩 、羅納托·杜爾貝科 與霍華德·馬丁·特明 ,共同獲得了1975年的諾貝爾生理學或醫學獎。此外在1976年,瓦爾特·菲爾斯 以及他的團隊,首度確定了RNA病毒完整基因組的鹼基序列(噬菌體MS2)。[ 70]
在1997年,菲利普·夏普 與理察·羅伯茨 ,因為發現哺乳類動物病毒及細胞基因中,具有內含子 且會發生RNA剪接 ,而獲得1993年的諾貝爾生理學或醫學獎。具有催化功能的RNA(核酶 )在1980年代早期被發現,而使得托馬斯·切赫 與西德尼·奧爾特曼 ,獲得1989年的諾貝爾化學獎。而1990年所發現在碧冬茄屬 上,導入基因會靜默植物體自身相似的基因的現象,現今被認為是RNA干擾 的結果。[ 71] [ 72]
且大約在同時,大小約22個核苷酸的RNA(現在被稱為微RNA ),被發現在線蟲 的發育 上,扮演重要角色。[ 73] 而於RNA干擾的研究,讓安德魯·法厄 與克雷格·梅洛 ,獲得了2006年的諾貝爾生理學或醫學獎;而同年的諾貝爾化學獎,由羅傑·科恩伯格 獲得,得獎原因也與RNA相關(在RNA轉錄上的研究)。此外調控RNA的發現,促使了RNA藥物的開發,如利用小干擾RNA 來靜默目標基因。[ 74]
参见
註釋
^ 通過轉錄後修飾,RNA可能會帶上假尿嘧啶 (Ψ)這樣的稀有鹼基
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外部链接