M120110236-赵开彬
水产与生命学院
生物体内RNA 的种类和功能
摘 要:生物体内目前已发现的RNA 有十多种。RNA 可以作为病毒基因组; RNA 在蛋白质生物合成, 包括转录、转录后的加工、编辑、修饰中扮演了重要角色; 具有重要的催化和持家功能, 对基因表达和细胞功能进行调节, 并在生物进化中起重要作用. ＲＮＡ是一类极其重要的生物大分子，它不仅种类繁多，而且其结构也比ＤＮＡ要复杂得多。不同种类的ＲＮＡ其结构虽有共同之处，但也有着显著的差异。由于ＲＮＡ种类和结构的多样性，这就决定了ＲＮＡ具有多种生物学功能。关键词ＲＮＡ结构，ＲＮＡ功能ＲＮＡ是核糖核酸的缩写符号，绝大多数ＲＮＡ都是一条多核着酸单链。ＲＮＡ是种类繁多、结构复杂、功能多样的一类重要的生物大分子。ＩＲＮＡ种类信使ＲＮＡ（ｍＲＮＡ）、转移ＲＮＡ（ｔＲＮＡ）、和核糖体ＲＮＡ（ｒＲＮＡ）是细胞质中参与蛋白质合成的三类主要的ＲＮＡ。此外还有小分子细胞核ＲＮＡ（ｓｎＲＮＡ）、染色质ＲＮＡ（。ｈＲＮＡ）、反义ＲＮＡ、翻译控制ＲＮＡ（ｔＣＲＮＡ）、双链ＲＮＡ（ｄｓＲＮＡ）、细胞质小分子ＲＮＡ（ＳＣＲＮＡ）、具有催化活性的ＲＮＡ及各种病毒ＲＮＡ等。
关键词:RNA;种类; 功能
DNA 是遗传信息的主要载体, 生物体的生理功能主要由蛋白质来执行。在DNA 和蛋白质之间,RNA 起着中介作用。与DNA 相比,RNA 种类较多, 分子量相对较小, 在遗传信息表达和调控过程中各类RNA 分别发挥作用。这是我们对RNA 的
基本知识。随着研究的深入, 人们发现生物体内RNA 的种类和功能已远远超出从前对它的认识, 不仅仅是在基因表达时作为中介那样简单, 它在生命活动的各个方面和生物进化过程中起着相当重要的作用。现从生物体内RNA 的种类和功能两个方面作一概述。
一、生物体内RNA 的种类
目前看来, 生物体内有14 个种类的RNA: (1) 信使RNA(mRNA) ,携带从DNA 转录来的遗传信息。(2) 转运RNA(tR2NA) ,负责蛋白质合成时氨基酸的转运。(3) 核糖体RNA( rRNA) ,在核糖体中起装配和催化作用。(4) 具有催化作用的RNA ,即核酶(ribozyme) 和其它RNA 自我催化分子。(5) 基因组RNA(genome RNA) ,指一些病毒以RNA 为遗传物质。(6)指导RNA(guide RNA) ,是指导RNA 编辑的小RNA 分子。(7)mRNA 样非编码RNA ,其转录和加工方式同mRNA ,但不翻译 为蛋白质。已知这类RNA 有20 多种, 例如人的xistRNA 和X 染色体的XIST 结合, 使此X 染色体失去转录活性。(8) tmR2NA ,本身既是tRNA 又是mRNA ,翻译时一身二任。如大肠杆菌中的10Sa RNA。(9) 小胞质RNA( small cytoplasmic RNA ,scRNA) ,存在于细胞质中的小RNA 分子。如信号识别颗粒(signal
recognition particle ,SRP) 组分中含有的7S RNA。(10) 小核RNA(small nuclear RNA ,snRNA) ,是剪接体的组分。(11) 核仁小RNA(small nucleolar
RNA ,snoRNA) ,参与rRNA 的加工。(12) 端粒酶RNA ,是真核生物端粒复制的模板。(13) 反义RNA(antisense RNA) ,可通过与靶位序列互补而与之结合的RNA ,或直接阻止靶序列功能, 或改变靶部位构象而影响其功能[1 ] 。另外, 在DNA 复制过程中的引物也是RNA ,因其不单独存在并很快降解, 未将其作为一类。(14) 长片段非编码RNA, 这些ncRNA 能够通过多种遗传机制参与基因表达调控, 其中
Long noncoding RNA( lncRNA)是一类转录本长度超过200 nt的RNA 分子
二、生物体内RNA 的功能
迄今为止发现的RNA 的功能可以归纳为以下几个方面。
1. RNA 作为病毒基因组
在有些病毒中不含DNA ,而是以RNA 作为遗传信息的携带者。RNA 病毒的种类很多, 单链RNA 病毒(含有正链或负链RNA) ,双链RNA 病毒(含有正链和负链RNA) ,能通过复制合成出与自身相同的分子, 并产生子代。不同的RNA 病毒复制方式也不相同。逆转录病毒以RNA 为模板, 按照RNA 中的核苷酸顺序合成DNA ,在整合酶帮助下可整合到宿主DNA 内, 成为前病毒, 可随宿主染色体DNA 一起复制和转录。这类病毒侵染细胞后并不立即引起细胞死亡, 却可以使细胞发生恶性转化, 能使鸟类和哺乳类等动物患白血病或产生肉瘤或其它肿瘤。
以RNA 为基因组有其固有的弱点。胞嘧啶C 经氧化脱氨就成为尿嘧啶U ,与原来的U 将无法区分, 遗传物质的稳定性维持困难。迄今已知的RNA 生物都是基因组小, 结构简单的生物。DNA 基因组有T 无U ,即使发生C →U ,尿嘧啶DNA 糖苷酶可以灵敏地识别DNA 中的U 而随时将其剔除, 基因组保持稳定, 可以大幅度扩增, 生物体结构得以进化到高级、复杂的程度[2 ] 。所以, 随着生物的进化发生RNA 基因组向DNA 基因组的转变是必然的。
2. RNA 在蛋白质生物合成中起重要作用
蛋白质生物合成是生物体最重要也是最复杂的代谢过程,mRNA 起信使和模板的作用,tRNA 起转运氨基酸和信息转换的作用,rRNA 起核糖体装配和催化的作用。研究表明, 催化肽键形成的肽基转移酶活性由大亚基rRNA 所承担, 打破了以往认为rRNA 在核糖体中只起装配支架作用的看法。三类RNA 密切配合, 在许多
蛋白质因子参与下共同完成这一过程。
3. RNA 参与转录后加工、编辑和修饰
RNA 转录后加工、编辑和修饰依赖于各类小RNA 和其蛋白质复合物。在mRNA 前体的加工过程中, 要形成剪接体以除去内含子。snRNA 有U1 、U2 、U4 、U5 、U6 五种(U3 参与rRNA 前体加工) ,每种snRNA 分别和59 种蛋白质结合成小核糖核蛋白(snRNP) 。由snRNP 组装成的剪接体可对mRNA 前体的内含子进行正确的剪接。RNA 编辑是转录后通过断裂和再连接反应插入或删除若干核苷酸, 或通过酶促脱氨和氨基化反应改变碱基, 因而改变模板DNA 的编码信息。有些
生物线粒体mRNA 的编辑受指导RNA 的指导, 指导RNA 长50～70 个核苷酸,5′端有一段长十几个核苷酸的锚定区, 和mRNA 前体互补配对,3′端是寡聚U 尾, 可以和mRNA 前体编辑位点上游富含嘌呤的区域配对, 保持两者相互联系, 提高编辑效率。编辑由mRNA 前体的3′端向5′端进行, 数种指导RNA 溯流而上, 或各指导RNA 各管一段分别编辑。mRNA 前体分子上遇到和指导RNA 上的A 或G 不能配对的空缺, 则在mRNA 前体上添加U ,二者互补配对多余的U 则删去, 以求和指导RNA 互补。有人认为RNA 编辑与剪接过程类似, 可能也需要在被编辑的mRNA 分子上由指导RNA 和蛋白质装配成编辑体来完成编辑过程[3 ] 。snoRNA 与rRNA 前体的加工有关, 奇特的是snoRNA 不是由其单独的基因所编码, 而是由蛋白质基因切除的内含子片断加工而成。有些snoRNA 与rRNA 有区段性序列互补, 可与rRNA 前体共沉淀。失去或钝化某种snoRNA ,则rRNA 前体不能加工为成熟的rRNA 。另外,rRNA 中的碱基修饰包括甲基化、假尿嘧啶化都要由sn2oRNA 参加完成, 这种修饰可能与rRNA 折叠和核蛋白的结合有关。
4. RNA 具有重要的催化功能和其它持家功能
20 世纪80 年代初由Cech 和Altman 首先发现RNA 具有催化功能, 随后陆续发现一些RNA 分子在复制和转录后加工中具有酶活性。现在已知的核酶多数催化分子内反应, 它们是RNA 合成后加工的一种方式, 包括自我切割、自我剪接、自我环化等, 如Ⅰ型和Ⅱ型内含子的去除。催化分子间反应的核酶通常都与蛋白质结合, 形成核糖核蛋白复合体, 如RNase P、1 ,4 -α- 葡萄糖分支酶、马铃薯邻苯二酚氧化酶等, 从这些复合物中分离出的RNA ,有些单独即具有催化活性。另外, 核糖体、剪接体也可以看成是核糖核蛋白复合体。充分表明生物体存在多种RNA 催化方式。持家功能是指细胞的基本功能, 前面已介绍一些内容, 这里再说一下RNA 与染色体的关系。在原核和真核生物中RNA 参与染色体结构组成或装配。真核生物线性染色体的两个末端具有端粒, 能稳定染色体末端结构, 防止染色体间末端连接, 并可补偿滞后链5′末端在消除RNA 引物后造成的空缺。染色体复制时由端粒酶外加重复单位到5′末端上, 维持端粒一定长度, 但体细胞随着分化而逐渐失去端粒酶活性, 原因是编码催化亚基的基因表达受到阻遏。细胞继续分裂将使端粒不断缩短, 短到一定程度即引起细胞生长停止或凋亡。生殖细胞中由于端粒酶的存在, 端粒一直保持着一定的长度。端粒酶是一种含RNA 的逆转录酶, 也是一种RNA 复合体, 它以所含RNA 为模板合成DNA 。RNA 模板的5′末端识别DNA 的3′末端碱基并相互配对, 以RNA 为模板使DNA 链延伸, 合成一个重复单位酶向前移动一个单位。端粒的3′单链末端也可回折作为引物合成其互补链, 从而保证在DNA 半保留复制后, 前导链5′RNA 引物被切除后不会导致整个染色体DNA 末端出现缩短的结果。
5. RNA 对基因表达和细胞功能具有重要调节作用反义RNA 可以通过互补序列
与特定的靶序列结合, 结合位置包括mRNA 结合核糖体的SD 序列和起始密码子AUG, 从而抑制mRNA 的翻译。RNA 干扰是由双链RNA 介导的从而引起特异mRNA 的降解, 抑制有关基因的表达的现象。这两种基因表达的调节方式不仅有重大的理论意义, 而且有广阔的应用前景。有的科学家试图将反义RNA 的基因引入家
畜和农作物以获得抗病毒的新品种, 或利用反义RNA 抑制有害基因(如癌基因) 的表达。用RNA 干扰技术同样可以抑制特异基因的表达, 但在进行转基因研究时, 考虑的则是如何抑制细胞内RNA 干扰了。
大肠杆菌基因组编码数种小分子RNA ,其中10S RNA 条带由两种大小相同而结构功能迥然不同的10Sa 和10Sb RNA组成。10Sa RNA 共363 个核苷酸, 其结构很像tRNA ,3′端携带有丙氨酸, 当大肠杆菌一些缺陷蛋白质的翻译到达C 端时, 核糖体的P 位被10Sa RNA 占据, 把丙氨酸加在新生肽的生长点上, 核糖体转而把10Sa RNA 作为mRNA 继续翻译, 译出一个10 肽, 到达UAA 而终止, 成为具有11 个氨基酸残基的标签肽, 该标签肽即成为蛋白酶的攻击目标, 消除了潜在的有害多肽产物。10Sa RNA 因为兼有tRNA 和mRNA 的功能, 称为tmRNA 。另外, 紫细菌α亚群等20 种亲缘关系较远的真细菌和某些叶绿体都有tmRNA ,到目前为止, 在古细菌、各种真核生物和线粒体中尚未发现tmRNA[4 ] 。细胞中需要运输的蛋白质(运往分泌小泡、高尔基体、溶酶体、质膜等) 在合成时都含有一段氨基酸序列, 称为信号
肽, 其位置可以在新生肽的N 端, 也可位于多肽链的中部, 功能都是引导多肽至不同的转运系统。识别信号肽的是核蛋白体SRP ,由一分子7S RNA 和6 个不同的多肽分子组成。SRP 可识别新生肽链的信号肽部分并与之结合, 引导此肽链至内
质网膜上与SRP 受体结合(SRP 受体对7S RNA 有识别能力) ,肽链继续合成, 并进入内质网作进一步加工。SRP 被释放到胞质中可循环使用。
6. RNA 在生物进化中起重要作用核酶可以自身切割、剪接, 切割其它RNA ,合成肽键。体外实验中, 合成的RNA 分子已被证明可以进行其它相关的生物反应, 例如可以合成核糖核苷酸, 合成RNA 分子, 将RNA 结合的一个氨基酸转移到另一个氨基酸上形成二肽, 其方式与tRNA 的作用相似。RNA 既是信息分子又是功能分子, 表明最初的生化系统可能是以RNA 为核心的。但是折叠多肽的天然柔韧性与RNA 碱基配对的较大的刚性相比较, 显然蛋白质的催化更有效。由RNA 催化向蛋白质催化的转变要求RNA 功能的根本变化, 原RNA 基因组不再直接负责生化反应, 而成为编码分子, 其主要功能是特化催化蛋白质的结
构。目前还不清楚编码分子是由核酶转化来的, 还是由核酶催化产生的。结果都是RNA 原基因组失去它们擅长的酶的功能, 而选择了它们并不非常适合的编码功能, 这种不适合来自2 - OH 基团间接作用引起的RNA 磷酸二酯键的相对不稳定性。因此, 编码功能向更稳定的DNA 分子转移几乎是不可避免的, 也不是难以实现的。核糖核苷酸还原产生的脱氧核糖核苷酸通过反转录酶催化的反应被多聚化, 掺入到RNA 原基因组的拷贝中。尿嘧啶被其甲基化衍生物胸腺嘧啶取代, 使DNA 多核苷酸更加稳定, 而将DNA 双链作为编码分子使DNA 分子进一步稳定, 因其具有通过拷贝互补链来修补DNA 损伤的可能性。根据这种推测, 最初的DNA 基因组由许多分散的分子组成, 每一分子确定一种蛋白, 每个DNA 相当于一个单独的基因。这些基因连接到一起形成最初的染色体(可能发生在原基因组向DNA 转变之前或之后) ,促进了细胞分裂时基因分配的效率, 因为组织一些大的染色体平均分配要比平均分配许多分散的基因容易得多。人们对许多基因如何连接到一
起提出了若干种不同的机制, 在此就不详述了。在这些探讨的基础上, 一个由RNA 世界到RNA 蛋白质世界, 由RNA 蛋白质世界到DNA 世界的进化图景, 已经被科学界广泛接受。
7非编码RNA 是一类不编码蛋白质但具有功能的RNA 分子, 它们在生物体重要生命活动中发挥着极广泛的调控作用[6-7], 可以通过参与mRNA 的稳定和翻译水平的调节、参与蛋白质的运输、参与RNA 的加工和修饰、影响染色体的结构等机制, 调控生物体的胚胎发育、组织分化、器官形成等基本的生命活动, 并参与到一些重要疾病(如癌症、神经系统疾病等) 的病程相关过程中。对非编码RNA 进行研究, 对揭示基因表达调控机制、提高人类疾病防治能力及探索生物进化规律都有重要意义[8]。非编码RNA 依据长度可以分为两大类: 短片段非编码RNA (包括siRNA 、m iRNA、p iRNA)和长片段非编码RNA( lncRNA )。目前的研究主要集中于短片段ncRNA, 如m icroRNA 和siRNA, 并已有关于多种动植物基因组中m icroRNA 的研究报道。尽管如此, 当前对于长片段ncRNA 的报道也越来越多, 它们在生物体内同样发挥着重要的调控作用。lncRNA 广泛存在于各个物种中, 其中绝大多数由RNA 聚合酶II 转录并经可变剪接而来。lncRNA 种类繁多, 结构各异, 如目前研究较多的核质小分子RNA ( snRNA)、核仁小分子RNA
( snoRNA )、信号识别颗粒RNA ( SRPRNA )等。另外, 最近在基因组上发现一大类具有G 帽子和poly(A )尾结构, 但不编码蛋白质的ncRNA, 被称为mRNA like RNA(mlncRNA)。这些ncRNA 能够参与到生物体各种生命活动过程中, 发挥多种调控作用。笔者拟根据国内外研究的现状对lncRNA 的功能进行综述。 1 lncRNA与基因组印迹
基因组印迹是指来自父方和母方的等位基因在通过精子和卵子传递给子代时
发生了修饰, 使带有亲代印记的等位基因具有不同的表达特性, 这种修饰常为DNA 甲基化修饰, 也包括组蛋白乙酰化、甲基化等修饰。印迹基因在同源染色体上一般以基因簇的形式出现, 这些印迹基因簇所对应的染色体区域被称作印迹区( miprin tedregion)。印迹基因的表达或沉默是由印迹控制区( miprinting control regions, ICRs, 又称作印迹中心miprinting centers, ICs)通过顺式作用来调控的, ICR s的本质是一段差异甲基化区域( d ifferen tially methylated reg ions, DMRs), 它的调控作用可以覆盖很长的染色体区域。研究发现[9], 每个基因印迹区中至少 含有1个ncRNA 基因。
2 lncRNA与剂量补偿效应
剂量补偿作用( dosage compensation effect) 指的是在XY 性别决定机制的生物中, 使性连锁基因在两种性别中有相等或近乎相等的有效剂量的遗传效应。它是首先在果蝇中发现的, 随后发现哺乳动物中也存在。在果蝇中, 剂量补偿只发生在雄性异型配体( XY) 中, X 染色体上的所有基因上调2倍表达。哺乳动物中, 雌性所有体细胞同型配子(XX) 1条染色体完全沉默(X 失活) 。对于雌雄同体的线虫, 其同型配体( XX) 基因下调50%。研究发现[10], ncRNA 在剂量补偿的遗传调控中发挥关键作用。
3 lncRNA与表观遗传调控
表观遗传学是研究基因的核苷酸序列不发生改变的情况下, 基因表达可遗传变化的一门遗传学分支学科, 它与细胞的生长分化及肿瘤的发生都有直接的关系。近年来大量研究表明[11]ncRNA 在表观遗传学修饰中扮演了重要的角色, 能够在基因组水平及染色体水平对基因表达进行调控, 决定细胞分化的命运。表观遗传的现象很多, 已知的有DNA 甲基化, 基因组印迹( genom ic mi pr iting)和
ncRNA 调节等。最早发现被ncRNA 控制的H ox基因, 是一类含有同源框, 与发育相关的基因, 可通过其特异的时空表达模式决定细胞的定向分化与增殖。一旦H ox 基因或其转录调节蛋白功能异常, 则将直接影响细胞的增殖与分化。在不同物种的H ox 基因簇中发现了许多位于基因间区的mRNA like的ncRNA, 这些ncRNA 分子通过多种机制参与H ox基因的表达调控。
4 lncRNA在疾病治疗中的应用
大量的研究表明[12], 在肿瘤细胞中, 某些特定的lncRNA 的表达水平会发生改变。lncRNA 对编码蛋白基因的调控有利于对疾病的研究, 它的错误表达能解除对编码蛋白基因的调控, 这对临床研究有重要意义。
三、小结
RNA 分子种类的多样性, 集信息分子和功能分子于一身, 促使人们对RNA 的地位作出新的思考。RNA 可能是具有最复杂演化历史的生物大分子, 它的转录后加工远比任何一类大分子合成后的加工都复杂, 拼接、编辑和干扰可以消除基因突变的危害, 增加遗传信息的多样性, 促进生物进化, 使生物体结构和功能不断完善。研究表明,RNA 可能也是学习记忆及某些获得性遗传的分子基础。有关RNA 的研究必将继续为科学界所关注。
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