備課素材：RNA的結(jié)構(gòu)、功能及應(yīng)用 高一下學(xué)期生物人教版必修二

RNA的結(jié)構(gòu)、功能及應(yīng)用RNA最早由FriedrichMiescher于1869年在細(xì)胞核中發(fā)現(xiàn)，被稱作“nuclein”（中譯名為“核素”）。１９世紀(jì)后半葉，科學(xué)家們不斷深入探索，將其與ＤＮＡ和蛋白質(zhì)區(qū)別開(kāi)來(lái)，最終定名為RNA。隨后，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者AlbrechtKossel純化得到RNA樣本。以此為基礎(chǔ)，RNA的化學(xué)結(jié)構(gòu)組成被逐步揭示，其由核糖、磷酸和堿基所構(gòu)成的核糖核苷酸通過(guò)磷酸二酯鍵縮合而成。不同RNA分子中腺嘌呤、鳥(niǎo)嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶等堿基的排列順序不同。RNA化學(xué)結(jié)構(gòu)的確定為其生物學(xué)功能探討奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。２０世紀(jì)中后期，與蛋白質(zhì)合成密切相關(guān)的信使RNA（ｍRNA）、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA（ｔRNA）和核糖體RNA（ｒRNA）分別被鑒定出來(lái)，不同類(lèi)型的RNA及其序列結(jié)構(gòu)在體內(nèi)、體外的合成方式得以闡明，而發(fā)現(xiàn)ｍRNA堿基排列順序決定氨基酸序列的對(duì)應(yīng)關(guān)系使人們認(rèn)識(shí)到，RNA是基因表達(dá)和生命遺傳的關(guān)鍵載體分子。20世紀(jì)末，分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了微小RNA（miRNA）、小干擾RNA（siRNA）、長(zhǎng)鏈非編碼RNA（lncRNA）及環(huán)狀RNA（circRNA）等的發(fā)現(xiàn)，這些新發(fā)現(xiàn)的RNA并不直接作為遺傳信息載體，而是通過(guò)調(diào)控基因表達(dá)等方式參與特定的細(xì)胞生命活動(dòng)。１.ｍRNA在細(xì)胞核內(nèi)，以DNA反義鏈為指導(dǎo)模板，RNA聚合酶將核苷三磷酸與ＤＮＡ分子的堿基配對(duì)連接，合成攜帶遺傳信息的RNA分子即為ｍRNA，這一過(guò)程稱為轉(zhuǎn)錄。ｍRNA序列形成的三聯(lián)體密碼子，指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成，因此也被稱為遺傳密碼。真核生物ｍRNA在轉(zhuǎn)錄過(guò)程中，５′端會(huì)添加７甲基鳥(niǎo)苷殘基形成帽子結(jié)構(gòu)，保護(hù)ｍRNA免遭核酸酶降解，該帽子結(jié)構(gòu)可被帽子結(jié)合蛋白識(shí)別，使ｍRNA與核糖體小亞基結(jié)合促進(jìn)翻譯起始。ｍRNA的３′端一般為poly（Ａ）尾巴結(jié)構(gòu)，能防止核酸外切酶對(duì)ｍRNA遺傳序列的降解，提高ｍRNA在細(xì)胞質(zhì)中的穩(wěn)定性。新近發(fā)現(xiàn)poly（Ａ）還可附著核輸出因子，促進(jìn)ｍRNA通過(guò)核孔轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)中。真核生物ｍRNA一般需要經(jīng)過(guò)修飾、剪接等轉(zhuǎn)錄后加工才能成熟為具有翻譯功能的ｍRNA，成熟的ｍRNA是單順?lè)醋?，一條ｍRNA鏈只編碼一種蛋白質(zhì)。原核生物ｍRNA在轉(zhuǎn)錄過(guò)程中，不生成５′端帽子結(jié)構(gòu)，３′端有較短的或沒(méi)有poly（Ａ）尾巴結(jié)構(gòu)。原核生物ｍRNA一般不需加工即可進(jìn)行蛋白質(zhì)的翻譯，其ｍRNA為多順?lè)醋?，一條ｍRNA鏈可同時(shí)編碼幾種不同的蛋白質(zhì)。由于ｍRNA是DNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生，采用ｍRNA反轉(zhuǎn)錄法可得到相應(yīng)的ｃDNA分子以進(jìn)行基因擴(kuò)增，基于此開(kāi)發(fā)的qPCR技術(shù)常用來(lái)檢測(cè)基因的表達(dá)水平，應(yīng)用于基因表達(dá)分析及疾病診斷。paul等采用qPCR方法分別檢測(cè)不同組嬰兒臍帶血中FZD4ｍRNA表達(dá)，結(jié)果顯示重癥缺氧缺血性腦病患兒中FZD4ｍRNA顯著高表達(dá)，因此FZD4ｍRNA可作為分娩時(shí)HLE嚴(yán)重程度的早期標(biāo)志物。近年來(lái)ｍRNA還被應(yīng)用于疫苗的研發(fā)。2020年12月2日，ｍRNACOVID19疫苗在英國(guó)獲得臨時(shí)緊急使用授權(quán)，該ｍRNA疫苗是由脂質(zhì)納米顆粒中經(jīng)核苷修飾的ｍRNA組成的，在宿主細(xì)胞中，ｍRNA被翻譯為SARSCOV２刺突蛋白，該蛋白在宿主細(xì)胞中表達(dá)，通過(guò)引起抗原的免疫反應(yīng)預(yù)防COVID。此外，ｍRNA降解規(guī)律的逐步闡明將為法醫(yī)工作者準(zhǔn)確判斷死者死亡時(shí)間提供新的科學(xué)證據(jù)。２.ｔRNAｔRNA是ｍRNA密碼子進(jìn)入翻譯的結(jié)合載體，也被稱為第二遺傳密碼。所有的ｔRNA分子均可排布成三葉草形二級(jí)結(jié)構(gòu)，包括４個(gè)雙螺旋區(qū)、３個(gè)環(huán)及１個(gè)附加叉。ｔRNA的３′末端螺旋區(qū)以CCAOH結(jié)束，是氨基酸結(jié)合位點(diǎn)，細(xì)胞質(zhì)中的氨基酸經(jīng)腺苷酸化后，通過(guò)腺苷酸的２′或３′羥基與對(duì)應(yīng)的ｔRNA３′端結(jié)合生成氨酰ｔRNA，后者轉(zhuǎn)運(yùn)到核糖體Ａ位點(diǎn)，然后ｔRNA反密碼子環(huán)中部的反密碼子與ｍRNA密碼子正確配對(duì)，進(jìn)一步在肽酰轉(zhuǎn)移酶作用下，將Ｐ位點(diǎn)ｔRNA上的肽鏈轉(zhuǎn)移至Ａ位點(diǎn)ｔRNA的氨基酸上，延伸肽鏈。依據(jù)功能不同，一般將ｔRNA分為起始和延伸ｔRNA、同工ｔRNA及校正ｔRNA等（表１）。作為基因表達(dá)的必要輔助元件，針對(duì)ｔRNA的檢測(cè)和分析在一定程度上可反映疾病的發(fā)生，Ｈani等通過(guò)高通量的ｔRNA分析方法，發(fā)現(xiàn)人乳腺癌細(xì)胞獲得轉(zhuǎn)移活性時(shí)，特定ｔRNA上調(diào)。此外，在合成生物學(xué)中，ｔRNA已被用于擴(kuò)展微生物的遺傳密碼，science上的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，將３個(gè)反密碼子殘基從大腸桿菌ｔRNAMet移植到ｔRNAVal，即可使ｔRNAVal的特異性識(shí)別從ValRS合成酶轉(zhuǎn)變?yōu)镸etRS合成酶，導(dǎo)致ｔRNAVal氨?；琢虬彼?。這種通過(guò)改造ｔRNA結(jié)構(gòu)擴(kuò)展遺傳密碼的方法可實(shí)現(xiàn)非天然氨基酸的編碼，幫助合成新功能蛋白。３.ｒRNAｒRNA約占細(xì)胞總RNA的80％，一般為含螺旋區(qū)的單鏈分子。原核生物有5S、16Ｓ和23ＳRNA，真核生物主要有5Ｓ、5.8Ｓ、18Ｓ和28ＳｒRNA。ｒRNA與核糖體蛋白結(jié)合形成大、小亞基，在肽鏈合成起始時(shí)進(jìn)一步裝配成核糖體。ｒRNA的功能尚未完全明了，目前認(rèn)為，ｒRNA從多方面參與蛋白質(zhì)翻譯，如與ｍRNA的前導(dǎo)序列互補(bǔ)結(jié)合，幫助ｍRNA與核糖體結(jié)合；為ｔRNA提供結(jié)合位點(diǎn)；具有肽酰轉(zhuǎn)移酶活性，催化肽鍵形成等。ｒRNA在物種進(jìn)化上較為保守，因此ｒRNA測(cè)序常用于物種鑒定。真核生物研究中常提取18ＳｒRNA，通過(guò)PCR擴(kuò)增、測(cè)序、NCBIblast序列比對(duì)，鑒定生物種屬；原核生物研究中常利用16ＳｒRNA來(lái)鑒定微生物種屬或分析遺傳變異位點(diǎn)。目前，ｒRNA測(cè)序的應(yīng)用已遍及環(huán)境科學(xué)、食品科學(xué)、生物工程及臨床醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。４.ｍiRNAmRNA是真核生物內(nèi)源性非編碼單鏈RNA分子，長(zhǎng)21—13nt，其主要通過(guò)結(jié)合ｍRNA的３′UTR區(qū)，降解或使靶ｍRNA不穩(wěn)定，從而抑制轉(zhuǎn)錄后翻譯。ｍiRNA的結(jié)合序列一般為2—8ntｎｔ，因此1條ｍiRNA可抑制多個(gè)基因。但最新研究表明，部分ｍiRNA也可能參與翻譯激活調(diào)節(jié)，如在哺乳動(dòng)物細(xì)胞有絲分裂靜止期（Ｇ０）翻譯起始不能正常進(jìn)行時(shí)，部分ｍiRNA和AGO２組成的復(fù)合物與ｍRNA的３′UTR結(jié)合，在其他細(xì)胞因子的協(xié)同參與下，切除polyＡ）以啟動(dòng)核糖體對(duì)目標(biāo)ｍRNA的翻譯。由于絕大部分ｍiRNA的表達(dá)具有高度組織和細(xì)胞特異性，因此ｍiRNA可應(yīng)用于疾病診斷和治療。如ｍiＲNA29已被認(rèn)為是癌癥診斷和預(yù)后的重要標(biāo)記分子。人肝臟中高表達(dá)的ｍiＲNA122已被證明是丙型肝炎病毒（HCV）感染的必需宿主因子，可以作為治療靶標(biāo)來(lái)降低HCV病毒載量。５.siRNAsiRNA為長(zhǎng)度20—25nt的RNA分子。外源性雙鏈RNA分子進(jìn)入細(xì)胞后，經(jīng)核酸內(nèi)切酶切割生成siRNA，后者與靶ｍRNA結(jié)合導(dǎo)致目標(biāo)ｍRNA降解，引發(fā)基因沉默，稱為RNA干擾。siRNA與miRNA均可抑制基因表達(dá)，但也存在明顯不同。利用siRNA的基因沉默功能，通過(guò)人工合成siRNA抑制基因表達(dá)探討基因功能的技術(shù)已成為當(dāng)前科學(xué)研究的常用方法。此外，由于siRNA與靶ｍRNA結(jié)合的高度特異性，設(shè)計(jì)沉默病毒復(fù)制關(guān)鍵因子表達(dá)的siRNA是新型精準(zhǔn)抗病毒藥物研發(fā)的熱點(diǎn)并展示出巨大的應(yīng)用前景。已有研究表明，靶向人乳頭瘤病毒E7ｍRNA的siRNA轉(zhuǎn)染Hela細(xì)胞，會(huì)顯著抑制HPV復(fù)制，Hela細(xì)胞存活率明顯升高。針對(duì)人膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的siRNA納米藥物已進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段，顯著提高了患者的存活率.６.lncRNAlncRNA是一類(lèi)長(zhǎng)度超過(guò)200nt的不編碼蛋白質(zhì)的RNA分子。與ｍRNA相比，lncRNA具有５′帽子、莖環(huán)結(jié)構(gòu)和３′poly（Ａ）尾巴，但缺乏開(kāi)放閱讀框。lncRNA可從多個(gè)層次調(diào)節(jié)基因表達(dá)或蛋白質(zhì)功能。在轉(zhuǎn)錄過(guò)程中，lncRNA可以通過(guò)調(diào)控增強(qiáng)子活性、競(jìng)爭(zhēng)轉(zhuǎn)錄因子或抑制RNA聚合酶與啟動(dòng)子結(jié)合等方式影響基因表達(dá)。lncRNA還可直接與靶ｍRNA序列互補(bǔ)配對(duì)形成RNA二聚體，參與ｍRNA的可變剪接、翻譯和降解等轉(zhuǎn)錄后調(diào)控。lncRNA還可通過(guò)控制miRNA間接影響ｍRNA靶基因的表達(dá)量，其上有多個(gè)區(qū)域可以與miRNA競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合，削弱miRNA對(duì)目的基因表達(dá)的抑制，使ｍRNA正常翻譯。某些特定的lncRNA還可招募染色質(zhì)重構(gòu)或修飾復(fù)合體到特定位點(diǎn)，促發(fā)劑量補(bǔ)償效應(yīng)、染色質(zhì)修飾以及基因組印記等，使基因表達(dá)發(fā)生可遺傳性改變。lncRNA在多種疾病的發(fā)生發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮著重要作用，針對(duì)過(guò)敏性鼻炎等頑癥的lncRNA分析正在開(kāi)展，有望為相關(guān)疾病的治療開(kāi)辟新方法。lncRNA還可作為生物標(biāo)記物應(yīng)用于癌癥治療方面，最新研究表明，lncRNALUCAT１在甲狀腺瘤中高表達(dá)，且LUCAT１表達(dá)升高的患者總生存期和無(wú)復(fù)發(fā)生存期較短，因此，可將LUCAT１作為甲狀腺癌等患者的預(yù)后標(biāo)志物。７.cirｃRNAcirｃRNA是一種閉合環(huán)狀RNA分子，這種結(jié)構(gòu)使其不易被核酸外切酶降解，表達(dá)更穩(wěn)定，并因此成為RNA領(lǐng)域研究的最新熱點(diǎn)。根據(jù)序列特征及轉(zhuǎn)錄來(lái)源不同，cirｃRNA主要分為３類(lèi)，即外顯子環(huán)化生成（占大多數(shù)）、內(nèi)含子套索生成及內(nèi)含子和外顯子共同轉(zhuǎn)錄生成。外顯子轉(zhuǎn)錄生成的cirｃRNA因含有ｍｉRNA結(jié)合位點(diǎn)原件，具有與lncRNA相似的miRNA海綿作用，通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合相應(yīng)的miRNA間接調(diào)控基因表達(dá)；內(nèi)含子轉(zhuǎn)錄生成的cirｃｃRNA多與RNA聚合酶Ⅲ結(jié)合促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄；細(xì)胞核內(nèi)的內(nèi)含子和外顯子共同來(lái)源的cirｃRNA可與小核糖體U1snRNP作用，形成的復(fù)合物在啟動(dòng)子區(qū)與RNA聚合酶Ⅱ結(jié)合促進(jìn)基因表達(dá)。cirｃRNA由特殊的可變剪切產(chǎn)生，大部分序列高度保守，少部分序列具有一定的組織和時(shí)序（如發(fā)育階段）特異性，因此其也是疾病診斷和治療的重要標(biāo)志物或靶標(biāo)。如cirｃRNAMTO１在肝癌組織中低表達(dá)，并且可以通過(guò)吸附MIＲ９促進(jìn)p21的表達(dá)，抑制細(xì)胞增殖，因此是肝癌不良預(yù)后的預(yù)測(cè)因子。基于cirｃRNA可以通過(guò)充當(dāng)miRNA海綿或者直接與RNA結(jié)合蛋白結(jié)合調(diào)節(jié)細(xì)胞自噬的分子機(jī)制，cirｃRNA可應(yīng)用于腫瘤