RNA是一类广泛存在的极其重要的生物大分子,在生物体内执行多种功能。RNA可以分为两大类:编码RNA和非编码RNA。近年来随着测序技术的发展,多种非编码RNA(non-coding RNA,ncRNA)相继被发现。 1编码RNA 编码RNA是指能编码蛋白质的RNA,主要包括信使RNA(messengerRNA,mRNA)和核不均一RNA(heterogeneous nuclear RNA,hnRNA)。mRNA中的开放阅读框是编码蛋白质区域,可以将基因组DNA的遗传信息翻译成蛋白质,从而实现其生物学功能。hnRNA是mRNA的前体形式,是RNA转录酶以DNA为模板转录的直接产物。hnRNA经过一系列的加工,包括剪除内含子、5’端加帽和3’端加尾之后即为成熟的mRNA。 2非编码RNA 2.1核糖体RNA 核糖体RNA(ribosomal RNA,rRNA)是细胞中最为丰富的RNA,在分裂旺盛的细菌细胞中占80%以上。rRNA一般与核糖体蛋白结合在一起形成核糖体,如果把rRNA从核糖体上除掉,核糖体的结构就会发生塌陷。原核生物的rRNA分三类:5SrRNA(s为沉降系数)、16SrRNA和23SrRNA。真核生物的rRNA分四类:5SrRNA、5.8SrRNA、18SrRNA和28SrRNA。 2.2转运RNA 转运RNA(transfer RNA,tRNA)—般由70~90个核苷酸组成,具有三叶草型二级结构以及倒“L”型三级结构。主要功能是把细胞质中的氨基酸搬运到核糖体上。此外,tRNA还具有其他一些特异功能。 例如,在没有核糖体或其他核酸分子参与下,携带氨基酸转移至专一的受体分子,以合成细胞膜或细胞壁组分;作为反转录酶引物参与DNA合成;作为某些酶的抑制剂等。 2.3核内小分子RNA 核内小分子RNA(small nu-clear RNA,snRNA)的长度约为100~215个核苷酸,共分为7类,由于含碱基U丰富,故编号为U1~U7。通常snRNA不是游离存在的,而是与蛋白质结合成复合物,成为小核核糖核蛋白颗粒(Sn RNP)。snRNA的主要功能是在hnRNA加工成mRNA的过程中,参与mRNA的加工。 2.4核仁小RNA 核仁小RNA(small nucleolar RNAs,snoRNA)属于snRNA的一种,可对核糖体RNA或其他RNA进行化学修饰。根据保守序列和结构元件不同,snoRNAs可分为C/D box与H/ACAbox两种。前者的主要功能是对RNA的碱基进行甲基化修饰;后者则对其进行甲尿嘧啶化修饰。此外,少数snoRNA还参与rRNA前体的加工剪切,与rRNA的正确折叠和组装相关。 2.5胞质小分子RNA 胞质小分子RNA(small cytoplasmic RNA,scRNA)是真核生物细胞质中一类由100~300个核苷酸组成的小分子RNA。通常与蛋白质组成复合物,参与蛋白质的合成和运输。例如,信号识别体(SRP)颗粒就是一种由一个7S RNA和六种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。 2.6小干扰RNA 小干扰RNA(small interfering RNA,siRNA)也称为短干扰RNA或沉默RNA,是长度20~25个核苷酸的双链RNA,由Dicer(RNAase Ⅲ 家族中对双链RNA具有特异性的酶)加工而成。现有研究表明,siRNA是RNA干扰(RNAi)途径中的中间产物,是RNAi发挥生物学效应的必需因子。siRNA通过与靶标基因编码区或非翻译区完全配对来降解靶标基因,这是一种典型的负调控机制。 2.7双链RNA 双链RNA(double-stranded RNA,dsRNA)与siRNA类似,dsRNA也是RNAi过程中的产物,由其介导的RNAi现象是生物体普遍存在的调控机制。dsRNA的生成机制如下:siRNA作为RNAi过程中生成的双链RNA分子,不仅能引导RNA诱导的沉默复合体(RISC)切割同源单链mRNA,而且可作为引物与靶mRNA结合并在RNA聚合酶作用下生成dsRNA,新合成的dsRNA再由Dicer切割产生大量的次级siRNA,如此循环,从而使RNAi的作用进一步放大,最终将靶mRNA完全降解。现在RNAi技术作为一项高效的分子生物学工具,已经在基因的功能及调控通路领域得到广泛应用。 2.8微RNA 微RNA(microRNAs,miRNA)是一类长度为21~25个核苷酸的单链RNA片段,是在真核生物中广泛存在的转录后调控因子。成熟的miRNA是由较长的初级转录物经过一系列核酸酶的剪切加工而产生的,随后组装进RISC,通过碱基互补配对的方式识别靶mRNA。根据miRNA与靶基因mRNA序列互补的程度,其作用机制可分为对靶基因mRNA的切割和对翻译进行抑制两类。如果miRNA与靶基因mRNA完全互补,miRNA将通过切割方式来调控靶基因;如果miRNA与靶基因mRNA不完全互补,miRNA将通过翻译抑制的方式来调控靶基因。在动物体内,大部分miRNA不能与靶基因的mRNA完全互补,故被认为主要通过翻译抑制的方式来调控靶基因。研究表明:miRNA参与生物体内多种的调节途径,包括发育、病毒防御、造血过程、器官形成、细胞增殖和凋亡及脂肪代谢等。 2.9 piRNA piRNA(piwi-interacting RNA)是一类长度为26~31个核苷酸(大部分集中在29~30个核苷酸)的单链小RNA,主要存在于哺乳动物的生殖细胞和干细胞中。通过与Piwi亚家族蛋白结合形成piRNA复合物来调控基因沉默途径。对Piwi亚家族蛋白的遗传分析以及piRNA积累的时间特性研究发现,piRNA复合物在配子发生、维持生殖系和干细胞功能、保持mRNA的稳定性等方面发挥重要作用。 2.10重复相关siRNA 重复相关siRNA(repear-as-sociated siRNA,rasiRNA)是一类25~29个核昔酸长的小分子RNA。对果蝇卵巢的研究发现,Piwi蛋白在细胞核RNA沉默过程中通过与特定的rasiRNA相连来充当“切片机”,因此,引起的降解反应成为果蝇第三条新的基因沉默途径。 2.11引导RNA 引导RNA(guide RNA,gRNA)是引导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,以gRNA内部的序列作为模板进行转录物的校正。gRNA 3’端的oligo(U)尾可作为被添加的U的供体。例如,基因组编辑技术CRISPR/Cas9就是利用与目标序列互补的gRNA来引导Cas酶来定点切割DNA的。 2.12反义RNA 反义RNA(antisense RNA,atRNA)是指与mRNA互补的RNA分子,也包括与其他RNA互补的RNA分子。 根据反义RNA的作用机制可将其分为3类:Ⅰ类反义RNA直接作用于靶mRNA的SD序列或编码区,直接抑制翻译,或与靶mRNA结合形成双链RNA,从而被RNA酶Ⅲ降解;Ⅱ类反义RNA与mRNA的非编码区结合,引起mRNA构象变化,抑制其翻译;Ⅲ类反义RNA则直接抑制靶mRNA的转录。 ——李法君.生物学教学.2017年(第42卷)第1期
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