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。

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(genome RNA) ,指一些病毒以RNA 为遗传物质。(6)指导RNA(guide RNA) , 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10Sa RNA 。(9) 小胞质RNA( small cytoplasmic RNA ,scRNA) , 存在于细胞质中的小RNA 分子。如信号识别颗粒(signal

recognition particle ,SRP) 组分中含有的7S RNA。(10) 小核RNA(small nuclear RNA ,snRNA) ,是剪接体的组分。(11) 核仁小RNA(small nucleolar RNA ,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(antisense RNA) , 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 （message RNA, 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 ）。 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 （transfer RNA, tRNA） [1]

转运RNA （transfer RNA, 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 （ribosomal RNA, 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) 。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[2]

子基础。

2.4核酶（ribonucleic acid enzyme, 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(varkud satellite) 核酶以及HDV(hepatitis delta virus)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（group Ⅰ intron）, Ⅱ型内含子(group Ⅱ intron)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 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, 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][4][4][3]. 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RNase P(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RNase P 核酶. 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.

2.5 tmRNA

tmRNA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。

2.5.1 tmRNA 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（open reading frame,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[8][7]

个碱基对和7nt 形成的环组成，类似tRNA 中的T ΨC 臂和T ΨC 环，称为“T ”环。

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。

[9]

2.5.2 tmRNA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)

2.6.1 snoRNA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/D snoRNA和box H/ACA snoRNA，均具有保守的特征二级结构，boxC/D snoRNA类能形成“发夹-铰链-发夹-尾部”状二级结构（图a ）。boxC/D snoRNA 其分子两端的box C,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/D snoRNA古细菌C/D snoRNA和H/ACA snoRNA以及rRNA ，U4 snRNA 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。

2.6.2 snoRNA的功能

大多数boxC/D snoRNA和box H/ACA snoRNA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 ）

2.7.1 miRNA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21~25 nt 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。

2.7.2 miRNA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 小干扰RNA （Small interfering RNA；siRNA ）有时称为短干扰RNA （short interfering RNA ）或沉默RNA （silencing RNA ）

2.8.1 siRNA的发现

1990年初，科学家在矮牵牛花中导入与花青素合成有关的查尔酮合成酶基因。原以为转基因的牵牛花会变得更鲜艳，结果却发现，一些花反而被漂白了。这种过度表达内源基因而引发的基因沉默被称为共阻遏。在上述研究的背景下，Fire 等[12]在进行线虫基因沉默研究中，分别注射肌肉蛋白的正义、反义和双链RNA ，结果表明双链RNA 的抑制效果是单链RNA 的10 到100 倍。他们将这种双链RNA 抑制基因表达的现象称为RNA 干扰(RNAi)，把引发RNA 干扰现象的RNA 称为干扰RNA 。他们因此获得了2006 年诺贝尔生理学或医学奖。

2.8.2 siRNA 的功能

siRNA 是长度20到25个核苷酸的双股RNA ，在生物学上有许多不同的用途。目前已知siRNA 主要参与RNA 干扰（RNAi ）现象，以带有专一性的方式调节基因的表达。此外，也参与一些与RNAi 相关的反应途径，例如抗病毒机制或是染色质结构的改变。其生理意义在于，生物的抗御机制，调控细胞分化与胚胎发育，维持基因组的稳定以及RNA 水平上的调控机制。

3. 小结

RNA 分子种类的多样性, 集信息分子和功能分子于一身, 促使人们对RNA 的地位作出新的思考。RNA 可能是具有最复杂演化历史的生物大分子, 它的转录后加工远比任何一类大分子合成后的加工都复杂, 拼接、编辑和干扰可以消除基因突变的危害, 增加遗传信息的多样性, 促进生物进化, 使生物体结构和功能不断完善。研究表明,RNA 可能也是学习, 记忆及某些获得性遗传的分子基础。有关RNA 的研究必将继续为科学界所关注。