核酸化学RNA的结构和特性

核酸化学RNA的结构和特性第1页/共66页1.RNA分子在糖基上比DNA分子多一个-OH基，位于2’位。A260nm/A280nm=2.0,

而DNA为1.8。RNA分子遇碱极易降解，而DNA则不。2.RNA分子一般为单链分子，因此容易形成自由能为最小的独特的二级结构,其双链部分符合Watson-Crick双螺旋模型。3.正因为独特的二级结构和2’羟基的存在,一些RNA分子具有自我切断、自我连接、或切断其他核酸分子、连接其他核酸分子的酶学活性，第一个可以自我复制的分子被认为是RNA分子。RNA分子第2页/共66页4.RNA分子的组成成分可以通过由酶(Ribonucleotidediphosphatereductase)催化的反应转化为DNA分子的组成成分。5.RNA分子在细胞中同时扮演着信息的媒介作用和执行者的作用，mRNA为前者，rRNA、tRNA和snRNA为后者。因此有人很自然的认为，生命的早期可以称为RNAworld。6.RNA比DNA分子更容易受到修饰，均有其作用，如mRNA的5’帽子能启动蛋白质的翻译，tRNA上的修饰可以增加tRNA的寿命。7.真核基因拥有令人吃惊的特点，顺序中插入了很多不编码氨基酸的“废物”（Introveningsequence,或叫内含子，intron），这些序列在转录后的mRNA成熟之前被除去。第3页/共66页RNA的空间结构与功能

RNA通常以单链形式存在，但也可形成局部的双螺旋结构。

RNA分子的种类较多，分子大小变化较大，功能多样化。主要的RNA种类有rRNA、mRNA、tRNA、HnRNA(不均一核RNA)、SnRNA(小核RNA)、SnoRNA(核仁RNA)、ScRNA(胞浆小RNA)等。

第4页/共66页RNA的功能1.遗传密码的中间担体(mRNA)2.mRNA剪接等加工的活性成份(snRNA，smallnuclearRNA)3.核糖体的骨架结构及与mRNA的识别(rRNA)4.活化氨基酸的担体(tRNA)*5.酶的活性成份(核酶)*6.病毒基因组的担体第5页/共66页gRNA[guide(导引)RNA]：mRNA编辑

snRNA（核内小分子RNA）：mRNA加工（剪接和成熟）

snoRNA（核仁小分子RNA）：rRNA加工（切割和修饰）

RNAP（RNA聚合酶）：tRNA加工

TelomeraseRNA：DNA复制

SRP（信号识别颗粒）-RNA：转运

Lin-4：发育控制反义RNA(miRNA,antisenceRNAfordevelopmentcontrol)

rps14：核糖体生物合成反义RNA（antisenceRNAforribosomebiogenesis）

dsRNA（双链RNA）：基因沉默（genesilence）

Xist(X-inactivespecifictranscript)&其反义RNATsix：X染色体失活第6页/共66页向导RNA(guideRNA,gRNAs)

引导RNA编辑的RNA分子，长度大约是60-80个核苷酸，是由单独的基因转录的，具有3’寡聚U的尾巴，中间有一段与被编辑mRNA精确互补的序列，5’端是一个锚定序列，它同非编辑的mRNA序列互补。在编辑时，形成一个编辑体(editosome)，以gRNAs内部的序列作为模板进行转录物的校正,同时产生编辑的mRNA。gRNA3‘端的oligo(U)尾可作为被添加的U的供体。端粒酶RNA，是染色体端粒的RNA序列，在具有端粒酶活性的细胞内，它的任务是作为反转录的模板然后加在端粒的末端以解决染色体因复制而变短的问题，这种酶在大多数细胞里是没有活性的，在某些肿瘤细胞，转化细胞，干细胞以及生殖细胞里活性较高。SRPRNA信号识别颗粒-RNA：实际上它是和多个多肽结合在一起行使功能的，这个核糖蛋白主要负责终止mRNA的翻译，同时它还能和内质网（ER）上的停泊蛋白结合使结合了mRNA的定位在内质网上，参与蛋白质转位。第7页/共66页Crick的中心法则DNA1957年转录RNA翻译ProteinDNA1970年反转录ProteinRNA第8页/共66页细胞中的RNA第9页/共66页mRNA1.原核生物mRNA结构的特点：（1）多顺反子；（2）mRNA5′端无帽子结构，3′端无多聚A尾；（3）mRNA一般没有修饰碱基。2.真核生物mRNA结构的特点：（1）5′端有帽子结构；（2）大多3′端有多聚A（polyA）尾；（3）分子中可能有修饰碱基：主要有甲基化；（4）分子中有编码区与非编码区。第10页/共66页原核生物的基因结构启动子转录起始结构基因1结构基因2结构基因3转录终止子转录终止DNA第11页/共66页大肠杆菌中的RNA聚合酶转录RNA第12页/共66页模板链与非模板链在病毒中两条链可以同时成为模板链，但密码不同的蛋白质第13页/共66页真核生物的基因结构内含子启动子外显子转录终止子第14页/共66页真核基因mRNA的形成第15页/共66页真核生物mRNA的剪接第16页/共66页mRNA前体剪接机制 mRNA拼接反应需要有核内小分子RNA参与（snRNA），它们与蛋白质形成的复合物称为小核糖核蛋白颗粒，snRNA分别被命名为U1、U2、U3、U4、U5和U6RNA。snRNA中的U2RNA有与内源右端拼接部位附近的UACUAA顺序高度互补，形成一个环状结构，由特定的酶来识别切除该环状结构，完成拼接过程。第17页/共66页第18页/共66页

真核生物

mRNA前体在剪接过程中，还可以形成套索样的结构，在内含子序列中常有一个分支部位的腺苷酸残基，它的2’-OH可以自动攻击内含子5’端与外显子1连接的磷酸二酯键，切开了外显子1，而腺苷酸原来已有3’,5’-磷酸二酯键相连的两个相邻的核苷酸残基，加上此3’,5’-磷酸二酯键连接后，在腺苷酸处出现了一个套索，已被切下的外显子1的3’-OH攻击内含子3’末端与外显子2之间的3’,5’-磷酸二酯键，键断裂后，内含子以套索的形式被节下来，此时外显子1和外显子2可以连接起来第19页/共66页第20页/共66页鸡卵清蛋白mRNA与它的基因杂交，intron存在的直观证据第21页/共66页真核生物mRNA的5’端和3’端5’-帽子结构3’-多聚腺苷酸(PolyA)7-甲基鸟苷三磷酸（m7GTP）第22页/共66页第23页/共66页5’capstructure

真核生物mRNA

5’端帽子结构的重要性在于它是mRNA作为翻译起始的必要的结构，对于核糖体对mRNA的识别提供了信号；这种帽子结构还可能增加mRNA的稳定性，保护mRNA

免遭5’外切核酸酶的攻击。第24页/共66页VerysoonafterRNAPolIIstartsmakingatranscript,andbeforetheRNAchainismorethan20-30ntlong,the5’-endischemicallymodifiedbytheadditionofa7-methylguanosine(m7G)residue.This5’modificationiscalledacapandthenucleotideisaddedtothenewRNAtranscriptinthereverseorientationcomparedwiththenormal3’-5’linkage,givinga5’-5’triphosphatebridge.Thereactioniscarriedoutbyanenzymecalledguanyltransferase(鸟苷酰转移酶）andtherecanbesubsequentmethylationsofthesugars

onthefirstandsecondtranscribednucleotides,particularlyinvertebrates.Cap0,Cap1andCap2.Thecapstructureformsabarrierto5'-exonucleasesandthusstabilizesthetranscript,butthecapisalsoimportantinotherreactionsundergonebypre-mRNAandmRNA,suchassplicing,nucleartransportandtranslation.第25页/共66页第26页/共66页第27页/共66页真核生物的mRNA多数接受5’加帽修饰5’帽子结构加帽过程第28页/共66页3’PolyA（3’-多聚A尾巴）

大多数真核mRNA都有3’端的多聚尾巴（A)，大约为200bp。polyA尾巴不是由DNA编码的，而是转录后在核内加上去的，受polyA聚合酶催化，该酶能识别mRNA

的游离3’-OH端，并加上约200个A残基。大多数真核基因的3’端有一个AATAA序列，这个序列是mRNA

3’端加polyA尾的信号。核酸酶在此信号下游10-15碱基外切断磷酸二酯键。有人推测polyA可能与mRNA从细胞核转送到细胞质有关，但是相当数量的没有polyA尾巴的mRNA如组蛋白mRNA，也照样通过核膜进入细胞质。也有人认为这种结构对真核mRNA的翻译效率具有某种作用，并能稳定mRNA结构，保持一定的生物半衰期。

第29页/共66页snRNASmallnuclearRNA核内存在是真核生物转录后加工过程中RNA剪接体（spilceosome）的主要成分，参与mRNA前体的加工过程。snRNA长度在哺乳动物中约为100-215个核苷酸。snRNA一直存在于细胞核中，与40种左右的核内蛋白质共同组成RNA剪接体，在RNA转录后加工中起重要作用。胞质中的小RNA为scRNA。

第30页/共66页snRNA参与内含子的剪接U1165N核质U2188N核质

U3216N核小体U4139N核质U5118N核质U6106N核质5’:(C/A)AG/GT(A/G)AGT3’:(T/C)11N(C/T)AG/GT第31页/共66页rRNA核糖体RNA原核生物：5S、16S、23S真核生物：5S、5.8S、18S、28S。原核生物核糖体的50S亚基（大亚基）由5S及23SrRNA和蛋白质组成；30S亚基（小亚基）由16SrRNA与蛋白质组成。真核生物核糖体的60S亚基（大亚基）由5S、5.8S及28SrRNA与蛋白质形成；40S亚基（小亚基）由18SrRNA与蛋白质组成第32页/共66页第33页/共66页核糖体，蛋白质和核酸的复合体第34页/共66页30S亚基的三维结构第35页/共66页核糖体上蛋白质合成过程中mRNA、tRNA的作用，及肽链的延伸示意图。mRNAtRNA核糖体第36页/共66页16SrRNA序列在细菌分类鉴定中的作用

细菌16SrRNA以其在进化上的特征性序列，已被广泛用于细菌分类和鉴定的分子指标。通过比较各类生物16SrRNA的基因序列，从序列差异计算它们之间的进化距离，可以绘出生物进化树。因此，16SrRNA序列分析技术的基本原理就是从微生物样本中16SrRNA的基因片段，通过克隆、测序或酶切、探针杂交获得16SrRNA序列信息，再与16SrRNA数据库中的序列数据或其他数据进行比较，确定其在进化树中位置，从而鉴定样本中可能存在的微生物种类。第37页/共66页tRNA1.单链小分子；2.含有稀有碱基或修饰碱基；3.5’端总是磷酸化，5’末端往往是pG；4.3’端是CpCpAOH序列；5.三叶草型二级结构；6.倒L型三级结构。第38页/共66页分析3300多种tRNA的全序列发现，tRNA均为74~95Nt组成的小分子，不同tRNA大小的变化在45和46位可变环的伸缩。第39页/共66页tRNA与氨基酸的连接氨基酸臂二氢尿嘧啶环TψC环反密码子环第40页/共66页三级结构呈倒L形结构单股tRNA链可通过自身折叠形成四个螺旋区和四个环的基本结构，类似一个三叶草。第41页/共66页tRNA碱基的修饰有83种，每个tRNA约含有10~15个稀有碱基，如ψ、甲基化的嘌呤和嘧啶核苷、DH、胸腺嘧啶(T)核苷和辫苷（Q）等。第42页/共66页3’端均为CCA-OH序列，氨基酸接在腺苷酸残基上，CCA-OH序列称为氨基酸接受臂(aminoacidacceptorarm)。3’-端第5~11位核苷酸与5’-端第1~7位核苷酸形成的螺旋区称氨基酸接受茎(aminoacidacceptorstem)。TψC环由7Nt组成,参与tRNA与核糖体表面的结合。额外环或可变环由3~18个不同种类和数量的碱基组成，高度可变，并富含稀有碱基。反密码子环由7Nt组成，处于34、35、36位的3个碱基为反密码子。二氢尿嘧啶环(D-loop)由8~12个碱基组成，含有1~3个修饰碱基(D)第43页/共66页

一条mRNA上可以有多个核糖体同时合成蛋白质原核生物基因转录与蛋白质的合成可以同步进行第44页/共66页真核生物蛋白质合成的起始第45页/共66页RNA的加工类型 1.Cleavage(切割）

2.Trimming（修剪）

3.Splicing（剪接）

4.Editing（编辑）

5.Modification（修饰）第46页/共66页第47页/共66页第48页/共66页卵清白蛋白基因mRNA的加工示意图第49页/共66页第50页/共66页RNA编辑（editing）

发生在mRNA水平上,多数为插入碱基第51页/共66页Crick的中心法则DNA1957年转录RNA翻译ProteinDNA1970年反转录ProteinRNA第52页/共66页

反转录病毒最早在20世纪初由Rous氏从邻居小孩抱来的一只得了肿瘤的鸡上分离到，命名为Roussarcomavirus。此后从鸡和小鼠上还分离到了多种反转录病毒。1962年Tamin预测该病毒中存在RNA反转录酶，但要到1970年才检测到。第53页/共66页miRNA(microRNA)

siRNA(smallinteferenceRNA)

asRNA(antisenseRNA)第54页/共66页

近年来，科学家在较高等的真核生物中发现了数种不会产生蛋白质的小RNA，如小核RNA(smallnuclearRNA)、小干扰RNA(smallinterferenceRNA，siRNA)、微小RNA(microRNA,miRNA)和反义RNA(antisenseRNA)。在发现它们功能的同时证明了真核生物的基因调控远比我们预期的要复杂得多，它们都能籍以与某种mRNA序列互补的专一性而达到其调控基因表达的目的。可以调控基因表达的小RNA在个体发育、细胞分化、细胞增生、细胞死亡、染色体结构、抗病毒反应以及致死基因的表达等方面担当重要角色。第55页/共66页MicroRNA（miRNA）

一类内生的、长度约20-24个核苷酸的小RNA，发夹结构的约70-90个碱基大小的单链RNA前体经过Dicer酶加工后生成。在细胞内具有多种重要的调节作用。每个miRNA可以有多个靶基因，而几个miRNAs也可以调节同一个基因。这种复杂的调节网络既可以通过一个miRNA来调控多个基因的表达，也可以通过几个miRNAs组合精细调控某个基因的表达。第56页/共66页第57页/共66页2010年的第一期Cell的封面留给了microRNA对基因表达的转录调控研究，来自德国弗赖堡大学植物生物技术系的科学家们以封面文章的形式发表了他们的最新研究进展文章TranscriptionalControlofGeneExpressionbyMicroRNAs。第58页/共66页RNA干扰

(RNAinterference，RNAi)

通过dsRNA介导特异性降解同源序列mRNA，从而特异抑制相应基因表达。早期通过导入全长dsRNA，在细胞内长双链被RNA酶Ⅲ相关的核酸酶(Dicer)处理，产生短的(21-25个核苷酸)双链RNA片断，发挥基因沉默作用。这种短的双链RNA片段称为小分子双链干涉RNA(smallinterferenceRNA，siRNA)，它通过与eIF2c、Gemin3、Gemin4等蛋白结合形成沉默复合体(RISC)介导序列特异的RNA降解。第59页/共66页RNA干扰(RNAi)

-原始的防御体系第60页/共66页a)沉默信号从脉杆传到叶片组织。绿色是绿色荧光蛋白；红色是叶绿素荧光，可以在绿色荧光蛋白被沉默后看出。b,c）通过实验，使得线虫的核中表达绿色荧光蛋白。实验者在左边加上对照dsRNA，右边加上绿色荧光蛋白的