RNA及RNA二级结构的理论知识

1、 RNA及RNA二级结构的理论 -CAL-FENGHAI.-(YICAI)-CompanyOne1 ?CAL-本页仅作为文档封面，使用请直接删除知识(总7页) 第2旗RNA及RNAZL级结构的理论知识 RNA的生物知识 RNA基本单位 在动植物、微生物、一些病毒以及噬菌体内都有RNA分子，它是一种以磷酸二 酯键连接的儿十种核糖核昔酸的形式存在的核酸，核昔酸是构成RNA的基本单位。 从本质上看，多个单核昔酸聚在一起形成的多聚核昔酸构成了核酸。核昔酸山核酸 经大M水解得到；而核昔和磷酸山对核昔酸的水解得到；同样的，对核昔再进行水解就可得到含氮碱基和戍糖；含氮碱基包括嚓吟碱和喀唏碱，戍糖经过分解形成

2、核 糖与脱氧核糖。 RNA的化学构成 RNA主链山核糖与磷酸二酯键构成，与之相连的四个碱基以一些特殊次序排成 一个多核昔酸序列，从若干个数据库一宜到成千上万个基地。研究表明，核昔酸的 碱基的主要构成是含氮杂环化合物，这些化和物质主要有喀唏衍生物和嘴吟衍生物 两类。其中喘唳生物包括胞喀唳C、尿喘唏U和胸腺喘唳T;嚓吟生物包括鸟票吟G、腺嚓吟鸟嚓吟、腺嚓吟和胞喀唳同样存在与DNA分子中，但胸腺喀唳只存在 Guanlnc A.dcninc Purines 与DNA中。他们相应的化学结构如图。 1liyminc(DNA) NH, 图核昔酸各碱基的化学组成通过对上图的综合分析，我们发现RNA的化学结构并

3、不非常复杂，都是通过氢键分别将A和U、C和G连起来， 形成互补碱基配对， 不同的地方是连接氢键个数的差别，即A和U之间最多形成两个氢键；G和C之间最多形成3个氢键，如图所示。 除了一些小的RNA病毒，大部分RNA的主要以单链形式存在，但这种单链形式 的产生不是偶然，而是在碱基堆积作用下，使单链结构其中个别区段借助碱基的互 补配对，将自身折叠并且形成一个短的双螺旋区。这种RNA短双螺旋结构和单一的 未配对链结构，与DNA双链双螺旋结构进行对比，具稳定性明显差很多。但正是这 一稳定的特点，使RNA能形成更复杂的三维结构。除了“A丑和G三C配对之外， 还存在一些非典型的配对，如3封配对等。在热力学方

4、面，3旬配对有稳定性的特点，即同上面两个典型Waston-Crick配对很接近，因此“G=U配对乂称为晃动配对。那么，如果从稳定性上将上述配对放一起做比较的话，通常情况应为“G三C“A=U“G=Uo RNA二级结构的特征 生物RNA的分子结构分别有一级、二级、三级和四级四种，其中四级结构最复 杂。同时，RNA分子结构具有跟蛋白质类似的种类繁多、结构复杂的特点。 生物RNA分子中共有四种不同的核昔酸，它们按照不同顺序排列在一起就形成 RNA的一级结构。 RNA分子存在很多山互补碱基对构成的单链区结构、茎环结构，以及双链结构等各种不同的组件形成的平面结构，并通过这些结构来进行自我折叠运动，所构成

5、的结构就是RNA二级结构。 RNA二级结构的组成 上文提到，RNA二级结构是RNA分子在自然条件下对自身进行各种形式的回折， 在不同的碱基互补对茎区之间，以非匹配的环区形式和最顶部单链形式两者交替出 现的茎环结构。这些茎环结构乂能分出一些子结构，也叫做RNA二级结构的结构元件，正是这些按一定规律组合在一起的元件才构成了各种RNA完整的二级分子结构。 这个复杂的形成过程里面，有三对碱基作为研究的重点，即AU碱基对、GC碱基对 和GU碱基对。常见的RNA二级结构如图所示。baekt chain H图碱基配对中的氢键构成H 90 图常见的RNA二级结构示意图 （?表示碱基对，数字表示碱基的序列号）

6、所谓的茎区结构就是我们通过RNA二级结构示意图会发现有一部分双螺旋区域 是山两方面组织，一部分是碱基互补对的形式构建起来的，另一部分是其 在双螺旋区域之外且没有碱基对的单链则形成了环结构。 所谓环结构，在RNA二级结构示意图中，我们根据图形与实物的比较,找80 A- A CCA I) 吗UA5 余被隔离 很容易 如图所示。 出儿种形象的环形结构，它们有：发卡环、膨胀环、内环和多分支环等 图茎区及环的示意图 RNA二级结构中还有两个重要的组成部分，一个叫做多分支环，它是着RNA分子结构各个区域没有实现配对的各个发卡环；另一个叫做自山单RNA分子结构排序组合最顶端没有形成配对的单链。 假结， 在R

7、NA分子结构中一般包含两种假结的形式： 一种叫做平面假结，RNA分子结构中环结构上和环结构外区域的碱基配对，能够以平面图形的式假结形式；跟前者相反的另外一种情况被称为非平面假结。 RNA二级结构的模体是山RNA分子基本单元按照一定的排列组合而构成图所示：内环 连接链，它是 是在表示的形 的。如 OG 二级结构模型以及其个结构单元关系 IJ前，关于RNA二级结构的研究依然是RNA分子结构领域当中的重点和难点。 其第一个原因是RNA二级结构是RNA分子从一级结构到三级结构跨越必不可少的桥 梁。第二个原因是通过弄清RNA二级结构的预测结果，就可以在大范圉内确定RNA 三级结构的问题。并且，当研究者的

8、意见都归于一致时，在RNA分子结构当中，对于各个组成方面所具有的生物学意义与其碱基序列的组成相比意义更大，这个对比 对非编码的RNA或者DNA同样适用。止匕外，RNA的分子结构还有一个相似性的特点，就是在各同源RNA当中，通常它的二级结构都是不自觉接受或相像；但是相似存在这个特性儿乎不会出现在一级结构上。并且，RNA的同源性和保守型特征都是建立 在二级结构的基础上而不是一级结构的保守序列上的。因此，当对莫种RNA基本情 况有所了解后，研究者就可根据给出的RNA二级结构问题做出相对准确的预测。简 单来说，就是通过用计算机手段和有关数学方法，对给定的RNA分子碱基序列按照一些方法来计算，从而最大可

9、能地来测出该RNA分子多具备的二级结构。 RNA二级结构预测方法的发展 VonHeijne总结并叙述了预测RNA二级结构的各种方法,Tinocoetal第一次大概算出了有关二级结构的能他通过研究小分子和利用外推法来预测最稳定的大分子 结构。这个预测包括了双链区里堆叠碱基对有关的稳态能M跟未配对区域不稳定的 影响，帕帕和麦克马洪研发的程序能够列出tRNA序列里所有有可能的螺旋区。他们 采用改良版的威士顿克里克碱基配对原则，利用排列组合适出的螺旋得到所有可 能的二级结构，且测算了任何一个可能结构的全部自山能。斯洛伐克设计出一种能 够使合适的双链区相加就获得能M最适合结构的方法。马丁内斯列出了可能双

10、链区， 并利用计算波磁慢函数给出之前所指区域在它平衡常M里的比例，这里的是这些区 域里的白山能，r为气体常数，t是温度。用蒙特卡洛的办法折叠RNA分子，这个方法当中的每个起始区域都是经一个加权集合里任意选择的，这跟用余吉不思取样的办法是差不多的。 多分支 假设每一个可能的双链区用袋子里的弹珠来表示。每种类型了弹珠用博磁慢概率给与权重，这样能M越稳定的区域对应的弹珠就越有可能被选中。另外可能区域的选择可通过权重进一步进行，一宜到不能再加了。这个方法产生了一系列的通过能M加权的可能结构，但没有考虑到未配对区域不稳定的影响。博磁慢概率函数现在已经被用作找寻最有可能的二级结构了。 二级结构预测基本原理

11、 分子里的碱基相互配对形成了RNA二级结构。碱基配对有三种形式：G-C.A?U、G-U,他们中间分别有3个，2个跟1个氢键。碱基之间连续不断的配对形成了螺旋区，对RNA二级结构有着稳定作用来降低整体结构的自山能，而RNA分子中没有配对的部分形成“发卡环，内部换，膨胀环跟多分支环”等环装结构，不利于稳定结构和升高结构的自山能，RNA二级机构就是在这种矛盾之间的平衡中形成的。在各种可能结构之间找最小自山能结构是预测RNA二级结构最常用的方法，而通过研究体外 少核昔酸稳定性可以得到基本结构的自III能数据。最常用的白山能数据是萨尔泽跟瘤 能M积分系统，但在这两组数据中没有提到多分支环的能M计算，口前

12、一般将之作 内部处理，或用公式计算：+单链碱基数+螺旋区数山有了这些数据，就能够评价RNA二级结构的稳定性，通过这种方法可以得到近似稳定能M的结构和最可靠预测结构。在有关序列当中发现的序列变异也能用来预测可能在每个分子里都存在的碱基配对。预测一组可能形成一种特殊结构的序列是RNA二级结构预测方法的刃外一种形式。 从序列来预测RNA三维结构的方法还在发展当中。还有一种常见的RNA二级结构的 预测方法考虑到碱基配对的保守形式，这些形式在一定的ma分子进化过程中是相对 保守的。发现序列中碱基配对的区域在ma分子进化的同时发生改变，使结构的完整 度能以维持。例如，如果在一个给定类型的序列中两个位置（G

13、和C形成一个碱基对），则在相应的位置上保留了G和C、A和U或U和A的序列被认为是可能的匹配。RNA分子中这些协同变异模式是RNA二级机构的一种表现，课件预测结构。计算上遇到的挑战是如何在其他序列变化的背景中发现这些协同变M的位置。 RNA二级结构的表示 RNA二级结构的表示方法很多，如半圆表示、圆形表示、点阵表示。山峰表示。 正多边形表示等，其中以正多边形表示最为宜观形象，便于分子生物学家观察，研究RNA二级结构特征，但是利用这种方法来比较不同的结构是较为困难的, 因为利用这种表示方式时，常导致许多结构的重叠，为此，人们不得不借助于旋转 的办法来克服重叠现象，这样以来，即使是对同一结构，可能山

14、于在不同的地方旋 转或在同一地方旋转的角度不同而导致结构形状的变化。U前，再现结构对结构进 行比较的最好方法是树状表示方法，这种方法是从图论的角度来考虑的，与上述方 法不同，在RNA二级结构中，每个配对碱基用一个点表示，然后用一条有向线段将点按顺序连接起来，便可获得RNA二级结构的树状表示，在这种显示中，环区碱基等信息将被丢失。 最小白山能 RNA的二级结构被划分为茎区，外环，凸环，内环，发卡环以及多分枝环等。 Zuker,Turner等人详细地给出了各个部分结构的能M计算方法，到H前为止，有些能M值还在不断地被修正和补充。其中较有影响的软件Mfold采用的就是最近邻能 M规则，也被称为环依赖的能M规则。环依赖的能M规则在如下三个方面做了约定：（1）二级结构中不允许讯在一个碱基和两个以上碱基同时配对的情形。 （2）发卡环的长度必须大于等于3。 （3）二级结构中不允许讯在假结，即任意两茎区之间只能是嵌套关系或顺次关系。 假结和三碱基配对的情形的能山于H前实验手段的限制， 和数据不足两方面的原因而无法给出其准确的能M计算公式。 碱基