生命组学—RNA.pptx

生命组学RNA 生命起源 哲学三大终极问题：我是谁？我从哪里来？要到哪里去？ 化学起源说：这一假说认为，地球上的生命是在地球温度逐步下降以后，在极 其漫长的时间内，由非生命物质经过极其复杂的化学过程，一步一步地演变而成 的。 最初的关键分子是什么？ 生命起源 RNA RNA由A、U、G、C四种核糖 核苷酸组成，多数为单链，是细 胞主要生物大分子之一，具不可 替代的重要生物学功能。 RNA功能包括 编码蛋白质 参与催化和化学反应 调控基因表达和蛋白质翻译 能量代谢与调控 物质代谢与调控 在一些病毒中作为遗传物质 RNA作为生命起源最 初的关键分子的基础 RNA 1986年度诺贝尔化学奖获得者吉尔伯特（W. Gilbert）提出了“RNA世界” 的假说。它指的是“在生命起源的某个时期，生命体仅由一种高分子化合 物RNA组成。遗传信息的传递建立于RNA的复制，其复制机理与当今DNA复制 机理相似，作为生物催化剂的、由基因编码的蛋白质还不存在”。 RNA世界 RNA世界 原始RNA 原始RNAProtein DNAProteinRNA Pre-原始RNA Pre-RNA-based systems RNA-based systems RNA and protein-based systems Present-day cells REPLACEMENT OF PRE-RNA BY RNA EVOLUTION OF RNAs THAT CAN DIRECT PROTEIN SYNTHESIS EVOLUTION OF NEW ENZYMES THAT REPLICATE DNA AND MAKE RNA COPIES FROM IT The hypothesis that RNA preceded DNA and proteins in evolution RNA生物学占居生物学发展的“核心舞台 ” 引自于军老师 ppt DNAProteinRNA RNA网络 RNA hnRNA mRNA gRNA miRNA AS-RNA rasiRNA cirRNA RNP rRNA piRNA scRNA snRNA dsRNA snoRNA 端粒酶RNA RNP RNA网络 tRNA hnRNA与mRNA hnRNA（核不均一RNA）：由DNA的一条链为模版转录而来，是DNA的初级转录产物，其中一部 分可作为pre-mRNA。 mRNA（信使RNA）：由pre-mRNA经转录后修饰得来，作为蛋白质合成模版，将遗传信息从DNA 传递到蛋白质。 动物与植物差别：以哺乳动物与高等植 物（香菜）为例， 高等植物hnRNA哺乳动物hnRNA 哺乳动物mRNA高等植物mRNA mRNA是基因表达调控网络信息流的核心 mRNA 表观修饰（m(6)A）是操作流的一种体现 tRNA 功能（操作流）： 结构特点： 转运RNA 小分子RNA，合成于细胞核，在 细胞质中参与蛋白质合成,也能参 与细胞内的其它反应。 （1）5磷酸 （2）受体臂 （3）CCA尾 （4）D臂 （5）反密码子臂 （6）T臂 （7）修饰碱基 介导mRNA序列上密码子的 识别，并且翻译成相应的氨 基酸 DNAProteinRNA RNA网络 RNA hnRNA mRNA gRNA miRNA AS-RNA rasiRNA cirRNA RNP rRNA piRNA scRNA snRNA dsRNA snoRNA 端粒酶RNA RNP RNA网络 tRNA miRNA 定义：microRNA（miRNA）是，是一种长度约为20-23个核苷酸的非编码 小分子RNA。植物miRNA长度多为21 nt，而动物miRNA长度多为22,23 nt ，这源于Drosha与Dicer切割性能的差异。 结构： 1993 年, Lee 等4 在秀丽新小杆线虫( Caenorhabditis elegan) 中发现 了第一个能时序调控胚胎后期发育的基因lin-4. 时隔7 年之后,Reinhart 等5 同样又在线虫C. elegans 中发现了第二个 异时性开关基因 let-7 , 并将这类基因所编码的能时序调控发育进程, 长度 约为21 个核苷酸(nt) 的小分子RNA。 miRNA 功能：miRNA通过与靶mRNA的互补配对而在转录、转录后和翻译水平上对基因的表达进行负调控，导致 mRNA 的降解或翻译抑制,进而对多种生物学过程起调控作用。在植物和动物中，miRNA 执行这种调控作用的 机理却不尽相同。同时miRNA 在动植物体内的形成过程也存在很多的不同之处。 1、植物miRNA前体（pre-miRNA）的茎环结构(stem-loop)更大、更复杂，大约是动物中的3 倍长。 2、植物miRNA长度多为21 nt，而动物miRNA长度多为22,23 nt，这源于Drosha与Dicer切割性能的差异 3、相对于动物miRNA,植物miRNA具有较高的进化保守性，因此，对植物miRNA 目标基因的预测要相对简单 4、植物miRNA 5端 更偏向选择脲嘧啶U，植物中miRNA3末端2nt突出的3-OH存在甲基化，而动物中无甲基化 5、基因组上的存在位置不同 动物miRNA广泛存在基因簇现象，而植物miRNA多数由单一pre-mRNA 加工而来 6、加工方式不同 植物中，miRNA的形成过程是在细胞核中完成的；动物中，由细胞核到细胞质 7、作用机制不同 在动物中，多数miRNA以不完全互补方式与其靶mRNA 的3 端非翻译区的识别位点结合，植物中的miRNA 与 相应的靶mRNA近似完全配对 环状 RNA（Circular RNAS,circRNAs） CircRNAs是一类不具有5端帽子和3端poly(A)尾巴结构的共价闭合环状 RNA 分子，比线性RNA更稳 定。 环环状RNA的产产生方式主要有2种: “直接反向剪接”，或称为“内含子配对驱动环 化”; “套索驱动 环化”，也被称为“外显子跳读”。 根据序列构成的差异，可将circRNA 分为3类：外显子circRNA(Exonic circRNA，ecRNA)、内含子 circRNA(circular intronic RNA，ciRNA)、外显子内含子circRNA(Exonic-intronic circRNA，ElciRNA)。 不同类型circRNA的特征 rasiRNA (Repeat associated small interfering RNA) 定义 短非编码RNA,由长dsRNA前体随机产生, rasiRNA是通过定义可转座元件在内的重复 位点来对应的。 功能（操作流） 在有义或反义定位之内对应于重复区域，由长dsRNA前体随机产生 。 参与RNA干扰(RNAi)途径。 主要发现于哺乳动物，拟南芥和酵母中也有报导。 反义RNA 定义： 反义RNA(antisense RNA, AS-RNA)是指与靶RNA具有互补序列的非编码 RNA分子，它通过与靶RNA进行碱基配对结合的方式参与基因表达的调 控。 功能： 对真核mRNA前体拼接的影响 影响mRNA前体的转移 影响真核mRNA分子5和3端正常的修饰 DNA 甲基化水平的改变，组蛋白修饰引起的染色质构型重塑，以及 其它非编码RNA 的调控作用均与AS-RNA有着密切的关系。 gRNA：Guide RNA gRNA是在称为RNA编辑的过程中指导U插入或缺失到动质体原生生物中的线粒体 mRNA中的RNA。 gRNA介导的mRNA编辑： 锥虫原生动物和其他动质体生物目具有新的转录后线粒体RNA修饰过程，称为 “RNA编辑”。这些细胞中的线粒体基因组由编码基因和“隐秘基因”（和一些gRNA）的 20-50个大环以及编码gRNA的10-20,000个小环组成。所有这些分子连接成一个巨大的 DNA网络，位于单个线粒体内部的鞭毛底部。 由于序列中存在多个移码，大部分大环转录物不能被翻译成蛋白质。通过在精确 的位点处插入和缺失尿苷残基进行转录后，这些移码被修正，所述位置产生可翻译成 与来自其他细胞的线粒体蛋白同源的线粒体蛋白的开放阅读框。插入和缺失由短的指 导RNA（gRNA）介导，其以互补序列（允许GU以及GC碱基对）的形式编码编辑信 息。 gRNA从大圆环和小圆环转录。 gRNA介导的mRNA编辑过程 DNAProteinRNA RNA网络 RNA hnRNA mRNA gRNA miRNA AS-RNA rasiRNA cirRNA RNP rRNA piRNA scRNA snRNA dsRNA snoRNA 端粒酶RNA RNP RNA网络 tRNA rRNA 核糖体RNA，与多种核糖体蛋白质共同构成核糖体，是细胞中含量最多的一类RNA 。 组成： rRNA （1）具有肽酰转 移酶的活性。 （2）为tRNA、蛋白质因子提供结合位点。 （3）参与蛋白质合成起始 （4）参与发挥核糖体的主要功能 功能（操作流）： TypeSizeLarge subunit（LSU） Small subunit（SSU） 原核生物70S50S (5S, 23S)30S (16S) 真核生物80S60S (5S, 5.8S, 28S)40S (18S) 组成： piRNA(Piwi-interacting RNA) 定义 短非编码RNA,大小在24-32个核苷酸之间 ,从哺乳动物生殖细胞中分 离得到，以高度特异链的方式对应于基因组特异性地在动物生殖细胞中 表达的一类RNA 。 功能（操作流） 结合PIWI蛋白，对于维持生殖系DNA完整、抑制转座子转录、抑制 翻译、参与异染色质的形成、执行表观遗传调控和生殖细胞发生等起重 要作用 。 存在于哺乳动物生殖细胞 piRNA在果蝇生殖细胞中的发展 dsRNA 定义： 双链RNA（double-stranded RNA, dsRNA）是一种有互补链的RNA，与细胞 中发现的DNA相似，dsRNA构成了一些病毒（双链RNA病毒）的基因组。像病 毒RNA或siRNA之类的双链RNA能够促发真核细胞中的RNA干扰，引起脊椎动物 中的干扰素反应。 dsRNA 功能： 几分子的双链RNA能够完全阻断一个细胞内同源基因的表达，具有诱导同 源mRNA高效特异性降解作用。 过程： dsRNAsiRNA 组装RISC（RNA诱导的沉默复合体） siRNA正义链降解， 反义链保留反义链与mRNA互补配对mRNA被RNA酶切割基因沉默 snRNA:small nuclear RNA 发现于真核生物细胞核中，富含尿嘧啶 snRNA包括U1、U2、U4、U5、U6 GU-AG内含子剪接装置中心组分 小核核糖核蛋白（snRNP）和其他蛋白质因子附着到转录物上形 成一系列复合物最终形成一个剪接体，剪接反应在剪接体中进行 U4、U5、U6具有催化活性 核仁小分子RNA(small nucleolar RNA, sno RNA) Sno RNA是一类小分子非编码 RNA，大小约为60400 nt，且多富集于核仁，它们 主要参与rRNA、 snRNA、tRNA的转录后修饰。 根据结构元件，sno RNA 可分为3大类： box C /D snoRNA、box H /ACA snoRNA和 MRP RNA（较少）。 Sno RNA 的生物学功能 A.与真核细胞核糖体的生物合成密切相关 B.sca RNA(Cajal body-specific small RNA, sca RNA)指导sn RNA的核苷酸修饰 C.脊椎动物的端粒酶是一个 box H/ACA sno RNP复合体 D.孤儿 sno RNA(orphan sno RNA) BoxH /ACA snoRNA结构示意图 N代表A、T、G、C中任一碱基;表示假尿嘧啶化位点 BoxC /D snoRNA结构示意图 核仁小分子RNA(small nucleolar RNA, sno RNA) Sno RNA的基因组织形式：独立基因编码的snoRNA见(图a)、多顺反子snoRNA基因 簇(见图b)、内含子编码的snoRNA(见图c)和内含子编码的snoRNA基因簇(见图d)。 区别：大多数脊椎动物的snoRNA产生于蛋白质基因的内含子中，植物snoRNA基 因多以基因簇的形式存在，大部分酵母snoRNA由独立基因编码，锥体虫snoRNA 以多顺反子形式存在，果蝇snoRNA基因都位于宿主基因的内含子中(见下表)。 snoRNA基因组织形式 小胞浆RNA（small cytoplasmic RNA,scRNA） 定义： scRNA长约300个核苷酸，主要存在于细胞浆中，是蛋白质定位合成于粗 面内质网上所需的信号识别体(signal recognization particle)的组成成分。在天然 状态下与蛋白质相结合，称为scRNP。 功能： 参与蛋白质的合成和运输，如SRP颗粒就是一种由一个7SRNA和蛋白质组 成的核糖核蛋白体颗粒，主要功能是识别信号肽，并将核糖体引导到内质 网。scRNA的缺失可以引起蛋白质合成的alpha-amylase(戊糖化)或者beta- lactamase（乳糖化），指导细胞死亡。 现在研究甚热的在GramPositive bacterium Bacillus subtilis（枯草杆菌）中 发现的scRNA与人信号识别体 7S RNA、E.coli 4.5S RNA的功能类似。 端粒酶RNA 定义： 端粒酶RNA成分也称为TERC，是一种在真核生物中发现的ncRNA，是端 粒酶的一种成分。 功能： 用于延长端粒的酶，TERC作为端粒酶复制（逆转录）的模板。 结构： 端粒酶RNA在脊椎动物，纤毛虫和酵母菌之间的序列和结构上差异很 大，但是它们在模板序列附近具有5假结构。 lncRNA 定义： 长度在200-100000 nt之间的RNA分子 不编码蛋白 lncRNA参与细胞内多种过程调控 种类、数量、功能都不明确 分类: lncRNA功能动物 lncRNA功能植物 一. coding RNA RNA 主要特点 mRNA 信使RNA,携带遗传 信息的能指导蛋白质合成的一类单链 核糖核酸 hnRNA 不均一核RNA,是mRNA的未成熟前体 总结：RNA类型与主要特点 二. noncoding RNA RNA 主要特点 rRNA 核糖体RNA,与多种蛋白质结合成核糖体，作为蛋白质生物合成的“装配机” tRNA 转运RNA,主要是携带氨基酸进入核糖体，在mRNA指导下合成蛋白质 snRNA小核RNA,主要功能是在hnRNA