第二节　RNA的结构和功能

DNA是遗传物质，其直接作用是指导合成RNA。结构上RNA与DNA明显不同之处是其几乎都呈单链状态。单链结构赋予RNA结构复杂性和功能多样性。RNA是唯一既可储存和传递遗传信息，又有催化活性的大分子，因而被推测为地球上最早出现的生命物质。核酶的发现也改变了酶的传统定义，即不限于蛋白质。

生物体内核酸都与蛋白质形成核蛋白（nucleoprotein），其中RNA形成的核蛋白称为核糖［核酸］核蛋白（ribonucleoprotein，RNP），有些RNP结构极其复杂，其RNA成分有的起结构作用，有的起催化作用。

一、RNA组成

RNA由四种核苷酸通过3'，5'-磷酸二酯键连接形成，与DNA有以下不同。

1.组成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，组成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（unusual base，minor base），各种稀有碱基几乎都有其特殊功能。

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，因而可通过自身回折形成茎环结构（即发夹结构）。茎环结构由一段短的互补双链区（茎，又称臂）和一个有特定构象和功能的单链环构成（图1-10），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三级结构复杂，直接决定其生理功能。

三、RNA分类

人体一个细胞约含10pg RNA（约含7pg DNA）。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可根据组织特异性和水平稳定性及编码基因不同分为管家RNA（housekeeping RNA，组成［性］非编码RNA）和调控RNA（调节RNA，regulatory RNA，调控［性］非编码RNA）；也可根据大小分为非编码大RNA（large noncoding RNA）和非编码小RNA（small noncoding RNA，sncRNA，＜200nt；nt，nucleotide，用作单链核酸长度单位，较短的也用mer）（表1-2）；还可根据分子长度、结构特征、分子伴侣、亚细胞定位等综合分类（表1-3）。

人体内已有23000种功能RNA被鉴定。

（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、直接编码一条或几条肽链，具有以下特点（结构特点见第四章，99页）。

1.含量低　占细胞总RNA的1%～5%。不同RNA含量不一，可相差104倍。

2.种类多　可达105种。不同基因编码不同的mRNA。

3.寿命短　mRNA指导合成蛋白质，合成完毕即被降解。细菌mRNA的平均半衰期（又称半寿期）约为1.5分钟。脊椎动物mRNA半衰期长短不一，平均约为3小时。

4.长度差异大　细菌mRNA平均长度1.2×103nt，不同真核生物mRNA平均长度1×103～ 3×103nt，哺乳动物mRNA长度5×102～1×105nt。

原核生物和真核生物的mRNA虽然有结构差异，但功能一样，均为指导蛋白质合成的模板（第四章，99页）。

（二）转运RNA

转运RNA（转移RNA，tRNA）在蛋白质合成过程中的作用是负载氨基酸、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F. Crick于1955年提出其存在，P. Zamecnik和M. Hoagland于1957年鉴定，R. Holley于1965年完成了酵母丙氨酸tRNA（tRNAAla）测序（第一种被测序的核酸分子）。以下介绍细胞质tRNA。线粒体、叶绿体有自己的tRNA，它们都比细胞质tRNA小。

1. tRNA一级结构　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%），位于非碱基对区。③5'末端多为5'-GMP。④3'端均为CCA序列，其中的AMP常称为A76，其3'-羟基是氨基酸结合位点。

tRNA稀有碱基中有些是A、U、C、G的甲基化、二甲基化修饰物。甲基化有些是为了避免配对错误，有些赋予tRNA局部疏水性，以便与氨酰tRNA合成酶或核糖体结合。

2. tRNA二级结构　约50%碱基配对，形成四段双螺旋臂（arm，stem，类似于A-DNA），与五段非配对序列形成三叶草形结构（图1-11①）：①氨基酸臂（amino acid arm）长7bp。②二氢尿嘧啶臂（D arm，D［HU］臂）长4bp（个别3bp），末端有二氢尿嘧啶环（D［HU］环），特征是含2或3个二氢尿嘧啶（D［HU］）。③反密码子臂（anticodon arm）长5bp，末端有7nt反密码子环，中间3nt组成反密码子（第四章，102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（TΨC arm，T臂）长5bp，末端有TΨC环（Ψ环），特征是TΨC环含胸腺嘧啶核糖核苷T54-假尿苷Ψ55-胞苷C56。⑤额外臂（extra arm，可变臂，variable arm）长3～21nt，仅较大的tRNA含有。

3. tRNA三级结构　呈扭曲的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1-11②）。

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（r-protein）构成核糖体（ribosome），一个大肠杆菌约有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均由一个大亚基和一个小亚基构成，两个亚基均由rRNA和核糖体蛋白构成。它们的大小一般用沉降系数（S）表示（表1-4）。

（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含有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与23S rRNA 5'端同源。

（3）核糖体与核糖体亚基形成解离平衡，Mg2+抑制解离。

2.核糖体RNA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占核糖体大亚基质量的70%，16S rRNA占核糖体小亚基质量的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（共有序列AGGAGGU，第四章，107页）。5S rRNA有两段保守序列：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。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，RNA酶，RNA enzyme）。许多核酶的底物也是RNA，甚至就是其自身，其催化反应具有专一性。

已阐明的天然核酶有锤头状核酶（斧头状核酶）、发夹状核酶、Ⅰ型内含子、Ⅱ型内含子、丁型肝炎病毒核酶、核糖核酸酶P（RNase P）、肽酰转移酶（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蛋白质酶在代谢中的地位，都有待进一步研究。

1.核酶发现　核酶最早由T. Cech和S. Altman（1989年诺贝尔化学奖获得者）发现。1967年，C. Woese、F. Crick与L. 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，T. Cech团队在研究单细胞真核生物四膜虫rRNA前体剪接时（从6.4kb中剪除413nt，得到26S rRNA）发现其内含子有自我剪接活性；1983年，S. Altman在研究细菌tRNA前体时发现RNase P中的M1 RNA参与tRNA前体转录后加工；1982年，K. Kruger等建议将有催化活性的RNA命名为“ribozyme（核酶）”。迄今已发现超过1500种这类内含子，广泛存在于真核生物甚至细菌中（但脊椎动物无），统称Ⅰ型内含子（大多数需要自我剪接）。

2.Ⅰ型内含子自我剪接机制　Ⅰ型内含子含一段内部指导序列（internal guide sequence）与上游外显子3'末端序列形成双链结构，并使其定向靠近下游外显子5'末端。①鸟苷（或GMP、GDP、GTP）作为辅助因子先结合于RNA的G结合位点。②鸟苷3'-羟基亲核攻击内含子5'剪接位点磷酸基，使上游外显子3'-羟基游离。③上游外显子3'-羟基亲核攻击内含子3'剪接位点，释放Ⅰ型内含子（413nt）（图1-12）。

3.核酶特点　到目前为止鉴定的各种核酶有以下特点。

（1）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组分是核酶，例如RNase P所含的M1 RNA（第三章，82页）。

（2）底物种类比较少，大多数是自身RNA或其他RNA分子，并因此将核酶分为自体催化、异体催化两类。此外还有其他底物，例如核糖体肽酰转移酶的底物是氨酰tRNA和肽酰tRNA（第四章，104页）。

（3）催化效率比蛋白质酶低得多。

（4）具有专一性。例如，M1 RNA只切割tRNA前体5'端的额外核苷酸（extranucleotides，第三章，91页），不切割其3'端的额外核苷酸及其他序列。

（5）均催化不可逆反应。

（6）催化反应时需要Mg2+，Mg2+既维持其活性构象，又参与催化反应。

（7）多数核酶在细胞内含量极低。

4.核酶意义　①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纠正了所有生物催化剂均为蛋白质的传统认知。③对于了解分子进化具有重要意义，RNA或许是先于DNA和蛋白质出现的生物大分子。

5.核酶应用　①基因治疗（第十五章，369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。