第二节　RNA的结构和功能

DNA是遗传物质，绝大多数基因通过其表达产物蛋白质起作用，但直接指导蛋白质合成的并不是DNA，而是RNA。

一、RNA组成

RNA和DNA都由四种核苷酸通过3′，5′-磷酸二酯键连接形成，但有以下不同。

1.构成RNA的核苷酸含核糖而不含脱氧核糖，含尿嘧啶（U）而几乎不含胸腺嘧啶（T）。因此，构成RNA的四种常规核苷酸是一磷酸腺苷（AMP）、一磷酸鸟苷（GMP）、一磷酸胞苷（CMP）和一磷酸尿苷（UMP）。

2.RNA含较多的稀有碱基（minor base），它们有各种特殊的生理功能。

稀有碱基形成机制：①甲基化：如胞嘧啶（C）→5-甲基胞嘧啶（5mC、m5 C、m C）。②脱氨基：如腺苷（A）→肌苷（I）。③硫代：如尿嘧啶（U）→4-硫尿嘧啶（s4 U）。④异构：如尿苷（U）→假尿苷（Ψ）。⑤还原：如尿苷（U）→二氢尿苷（D）。

3.RNA有较多2′-O-甲基核糖。

二、RNA结构

绝大多数RNA为线性单链结构，其构象少有DNA那样典型的双螺旋结构，但有以下特征。

1.线性单链RNA也形成右手螺旋结构。

2.RNA分子中某些片段具有序列互补性，因而可以通过自身回折形成茎环结构或发夹结构，其中茎环结构由一段短的互补双链区（茎）和一个有特定构象和功能的单链环（>10nt。nt为单链核酸长度单位。有些文献中并不区分茎环结构和发夹结构）构成（图1-9），互补双链区碱基配对原则是A对U、G对C，但可含非Watson-Crick碱基配对，特别是G-U碱基对，例如rRNA富含G-U、G-A碱基对。互补双链区可形成右手双螺旋结构。

3.各种RNA有复杂的三级结构。

4.许多RNA以核蛋白（nucleoprotein，蛋白质与DNA或RNA形成的复合物）形式存在，称为核糖核蛋白（RNP）。

三、RNA分类

人体一个细胞含RNA约10pg（含DNA约7pg）。与DNA相比，RNA种类繁多，分子量较小，含量变化大。RNA可根据结构和功能的不同分为信使RNA和非编码RNA。非编码RNA分为非编码大RNA和非编码小RNA。非编码大RNA包括核糖体RNA、长链非编码RNA（long noncoding RNA，lncRNA，300～1000nt）。非编码小RNA包括转移RNA、核酶、小分子RNA等。小分子RNA（20～300nt）包括miRNA、siRNA、piRNA、scRNA、snRNA、snoRNA等，细菌也有小分子RNA（50～500nt）。

（一）信使RNA

信使RNA（mRNA）最早发现于1960年，在蛋白质合成过程中负责传递遗传信息、直接指导蛋白质合成，具有以下特点（结构特点见第四章，90页）。

1.含量低　占细胞总RNA的1%～5%。

2.种类多　可达105种。不同基因表达不同的mRNA。

3.寿命短　不同mRNA指导合成不同的蛋白质，完成使命后即被降解。细菌mRNA的平均半衰期（又称半寿期，是指体内指定代谢物或药物、毒物等的总量减半所需的时间）约为1.5分钟。脊椎动物mRNA的半衰期差异极大，平均约为3小时。

4.长度差异大　哺乳动物mRNA长度为5×102～1×105　nt。

原核生物与真核生物的mRNA虽然在结构上有差异，但功能一样，都是指导蛋白质合成的模板（第四章，90页）。

（二）转移RNA

转移RNA（tRNA）在蛋白质合成过程中负责转运氨基酸、解读mRNA遗传密码。tRNA占细胞总RNA的10%～15%，绝大多数位于细胞质中。tRNA由Crick于1955年提出其存在，Zamecnik和Hoagland于1957年鉴定。

1.tRNA一级结构　具有以下特点：①是一类单链小分子RNA，长73～95nt（共有序列76nt），沉降系数4S。②是含稀有碱基最多的RNA，含7～15个稀有碱基（占全部碱基的15%～20%），位于非配对区。③5′末端碱基往往是鸟嘌呤。④3′端是CCA序列，其中的腺苷酸常称为A76，其3′-羟基是氨基酸结合位点。

2.tRNA二级结构　约50%碱基配对，形成四段双螺旋，与五段非配对序列形成三叶草形结构（图1-10①）。该结构中存在四臂四环：①氨基酸臂。②二氢尿嘧啶臂（DHU臂、D臂）和二氢尿嘧啶环（DHU环、D环），特征是含二氢尿嘧啶（DHU、D）。③反密码子臂和反密码子环，特征是反密码子环含反密码子（第四章，92页）。反密码子5′端与尿苷酸连接，3′端与嘌呤核苷酸连接。④TΨC臂（T臂）和TΨC环（Ψ环），特征是TΨC环含胸腺嘧啶核糖核苷酸T54-假尿苷酸Ψ55-胞苷酸C56。④额外环3～21nt。

3.tRNA三级结构　呈L形，氨基酸结合位点位于其一端，反密码子环位于其另一端，DHU环和TΨC环虽然在二级结构中位于两侧，但在三级结构中却相邻（图1-10②）

尽管各种tRNA的长度和序列不尽相同，但其三级结构相似，提示三级结构与其功能密切相关。

（三）核糖体RNA

核糖体RNA（rRNA）与核糖体蛋白构成一种称为核糖体（ribosome）的核蛋白颗粒，一个大肠杆菌中约有15000个核糖体。

1.核糖体组成和结构　原核生物和真核生物的核糖体都由一个大亚基和一个小亚基构成，两个亚基都由rRNA和核糖体蛋白构成。核糖体、核糖体亚基及rRNA的大小一般用沉降系数表示（表1-3）。

（1）初期研究认为大肠杆菌核糖体大亚基（又称50S亚基）有36条肽链，编号L1～L36。进一步研究表明，①L7是L12的Ser2乙酰化产物。②L26是小亚基（又称30S亚基）蛋白质S20，并不是大亚基蛋白质。③L8是两个L7/L12二聚体与L10形成的五聚体。因此，目前认为大肠杆菌核糖体大亚基有33种基因编码的36条肽链。

（2）真核生物18S、28S、5S rRNA分别与原核生物16S、23S、5S rRNA同源，5.8S rRNA则与23S rRNA 5′端同源。

（3）游离核糖体亚基与完整的核糖体形成解离平衡，该平衡受离子强度影响。研究表明，核糖体的形成依赖Mg2+，去除Mg2+则解离成游离亚基。

2.核糖体RNA特点　rRNA有以下特点。

（1）含量高　rRNA是细胞内含量最高的RNA，占细胞总RNA的80%～85%。

（2）寿命长　rRNA更新慢，寿命长。

（3）种类少　原核生物有5S、16S、23S三种rRNA，约占核糖体质量的66%（其中5S、23S rRNA占核糖体大亚基的70%，16S rRNA占核糖体小亚基的60%）；真核生物主要有5S、5.8S、18S、28S四种rRNA，另有少量线粒体rRNA、叶绿体rRNA。

大肠杆菌16S rRNA的3′端有一段保守序列ACCUCCU，可与mRNA中的SD序列互补结合（第四章，97页）。5S rRNA有两段保守序列也已被鉴定：①CGAAC，可以与tRNA的TΨC环的GTΨCG互补结合。②GCGCCGAAUGGUAGU，可以与23S rRNA中的一段序列互补结合。

3.核糖体种类　原核生物只有一类核糖体，真核生物则有位于细胞不同部位的以下几类核糖体：游离核糖体、内质网核糖体（又称附着核糖体）、线粒体核糖体和叶绿体核糖体（植物）。游离核糖体和内质网核糖体实际上是同一类核糖体，它们比原核生物核糖体大，所含的rRNA和蛋白质也多。线粒体核糖体和叶绿体核糖体比原核生物核糖体小。不过，这些核糖体的基本结构和功能一致。

（四）核酶

科学家在研究RNA的转录后加工时发现某些RNA有催化活性，可以催化RNA的剪接，这些由活细胞合成、起催化作用的RNA称为核酶（ribozyme）。许多核酶的底物也是RNA，甚至就是其自身，其催化反应也具有专一性。

已经阐明的天然核酶有锤头状核酶（hammerhead ribozyme）、发夹状核酶（hairpin ribozyme）、Ⅰ型内含子（groupⅠintron）、Ⅱ型内含子（groupⅡintron）、丁型肝炎病毒核酶（HDV ribozyme）、核糖核酸酶P（RNase P）、肽基转移酶（peptidyl transferase，即23S rRNA）等。

如何评价核酶的理论意义与实际意义，如何看待核酶与传统意义上的酶在代谢中的地位，都有待进一步研究。

1.核酶发现　核酶最早由Cech和Altman（1989年诺贝尔化学奖获得者）发现。1967年，Woese、Crick与Orgel等基于RNA二级结构的复杂程度提出其可能有催化活性；1982年，Cech在研究四膜虫（T.thermophila）rRNA前体剪接时发现其内含子有自我剪接活性；1983年，Altman在研究细菌tRNA前体时发现核糖核酸酶P中的M1 RNA参与tRNA前体转录后加工；1982年，Kruger等建议将有催化活性的RNA命名为“ribozyme（核酶）”。

2.核酶特点　到目前为止发现的各种核酶有以下特点。

（1）核酶的化学本质为RNA或RNA片段。有些核糖核蛋白也有催化作用，但活性中心位于其蛋白质成分上，并不属于核酶，例如端粒酶。然而，如果核糖核蛋白的RNA含活性中心，则该RNA组分就是核酶，例如核糖核酸酶P分子中的M1 RNA（第三章，74页）。

（2）核酶的底物种类比较少，大多数是自身RNA或其他RNA分子，并因此分为自体催化、异体催化两种类型。此外还有其他底物，例如肽基转移酶的底物是氨酰tRNA和肽酰tRNA（第四章，98页）。

（3）核酶的催化效率比酶低得多。

（4）核酶也具有专一性。例如，M1 RNA只剪切tRNA前体5′端的额外核苷酸（extranucleotides，第三章，75页），不剪切其3′端的额外核苷酸及其他序列。

（5）核酶所催化的反应都是不可逆的。

（6）核酶催化反应时需要Mg2+，Mg2+既维持核酶的活性构象，又参与催化反应。

（7）多数核酶在细胞内含量极低。

3.核酶意义　①核酶的发现和研究使我们对RNA的生理功能有了进一步的认识，即它既是遗传信息的载体，又是生物催化剂，兼有DNA和蛋白质两类生物大分子的功能。②核酶的发现动摇了所有生物催化剂都是蛋白质的传统观念。③核酶的发现对于了解生命进化过程具有重要意义，RNA或许是最早出现的生物大分子。

4.核酶应用　①基因治疗（第十五章，338页）；②特定RNA降解；③生物传感器；④功能基因组学；⑤基因发现。

进入21世纪以来，RNA组学成为分子生物学研究热点之一，其研究对象是非编码RNA （ncRNA）。它们广泛存在于原核细胞和真核细胞中。我们将在相关章节中介绍各种ncRNA，并在第十六章汇总。