第三节　RNA的结构与功能

RNA在生命活动中的作用是与蛋白质共同负责基因的表达以及表达过程的调控。RNA的分子量较小，由数十个至数千个核苷酸组成。RNA通常以单链形式存在，经卷曲盘绕可形成局部双螺旋二级结构和三级结构。RNA的结构多种多样，其功能也各不相同。

一、转运RNA的结构与功能

转运RNA（transfer RNA，tRNA）是由74～95个核苷酸组成的小分子RNA，占细胞总RNA的10%～15%。其主要功能是在蛋白质生物合成中作为适配器，转运氨基酸。tRNA的结构特点如下：

1.tRNA分子中含有较多的稀有碱基，包括假尿嘧啶（Ψ，pseudouridine）、次黄嘌呤（I）、双氢尿嘧啶（DHU）和甲基化的嘌呤（如mG，mA）等。

2.tRNA分子均是单链多核苷酸，一些核苷酸序列通过互补配对形成局部双链结构，非互补的片段则膨出形成局部环状结构，这样的结构称为茎环结构（stem-loop structure）。这些茎环结构的存在使得tRNA的二级结构形成具有4个螺旋区、3个环和1个附加叉的三叶草（cloverleaf）结构（图3-10a）。4个螺旋区也称为4个臂。位于5′-端和3′-端的螺旋区称为氨基酸臂，由3′末端CCA序列中腺苷酸残基的羟基与氨基酸结合。3个环分别是DHU环、TΨC环和反密码子环。其中反密码子环中的三个核苷酸组成反密码子，能与mRNA上相应的密码子互补配对。DHU环、TΨC环则根据其含有的稀有碱基命名。

3.tRNA的三级结构呈倒L型（图3-10b），一端为氨基酸臂，另一端为反密码子。L型的拐角处是DHU环和TΨC环，空间上彼此靠近，各环的核苷酸序列差别较大。

4.在tRNA中碱基堆积力是稳定tRNA构型的主要因素。

二、信使RNA的结构与功能

DNA的遗传信息由RNA携带到细胞质，并以这一RNA作为蛋白质合成的模板，决定合成蛋白质的氨基酸排列顺序，这种传递DNA遗传信息的RNA称为信使RNA（messenger RNA，mRNA）。mRNA占总RNA的2%～5%，代谢非常活跃。真核生物细胞核内合成的mRNA初级产物是不均一核RNA（heterogeneous nuclear RNA，hnRNA），其分子量比成熟的mRNA大得多，经加工修饰后生成成熟的mRNA，并移位到细胞质。真核生物成熟mRNA的结构特点如下：

1.大多数真核细胞mRNA的5′-端都以7-甲基鸟苷三磷酸为起始，即形成m7GpppN的结构，称为帽子结构（cap sequence）（图3-11）。与帽子结构相邻的第1或第2个核苷酸的C-2′位也可发生甲基化，产生不同类型的帽子结构。mRNA的帽子结构可保护mRNA免受核酸酶从5′端的降解，并在翻译起始中起重要作用。

2.绝大多数真核细胞mRNA的3′-端有约30～200个腺苷酸构成的多聚腺苷酸结构，称为多聚腺苷酸（poly A）尾。poly A的加工修饰与转录终止是同时进行的过程（见第十二章）。目前认为3′ poly A和5′帽子结构共同负责调控mRNA的转运、调节蛋白质翻译的起始及维持mRNA的稳定性。

3.成熟的mRNA由编码区和非编码区组成。从5′-端的第一个AUG开始，每3个核苷酸为一组，决定肽链上的一个氨基酸，这3个一组的核苷酸称为三联体密码（triplet code）或密码子（codon）。起始密码子至终止密码子之间的核苷酸序列成为开放阅读框（open reading frame，ORF）或编码序列（coding sequences，CDS）（图 3-12）。

4.在 mRNA 编码区两侧还含有非编码区或非翻译区（untranslated region，UTR），分别称作 5′ UTR 和 3′UTR。

三、核糖体RNA的结构与功能

rRNA是细胞内含量最多的RNA，占RNA总量的75%～80%。rRNA与蛋白质共同构成核糖体（ribosome），或称为核蛋白体。核糖体由大亚基（large sununit）和小亚基（small subunit）所构成，是细胞内蛋白质生物合成的场所（见第十三章）。原核生物含有 3种 rRNA，即 5S、16S和 23S rRNA。其中 23S与 5S rRNA 存在于大亚基，16S存在于小亚基。真核生物含有4种rRNA，即5S、5.8S、18S和 28S rRNA。其中 28S、5.8S和 5S存在于大亚基，小亚基只含有18S一种。

各种rRNA的碱基组成无一定比率，不同来源的rRNA的碱基组成差别很大。除5S rRNA外，其他的rRNA均含有少量稀有碱基，主要是假尿嘧啶（Ψ）和各种碱基的甲基化衍生物。各种rRNA的碱基序列均已知晓，并已推测出其二级结构，均为茎环样结构（图3-13）。

核糖体在细胞内呈椭球型粒状小体，小体由大、小两个亚基组成，大小亚基之间形成的凹槽能容纳结合mRNA。

四、其他小分子RNA

随着对RNA分子研究的不断深入，陆续发现除了tRNA、mRNA、rRNA外，细胞内还存在多种小分子RNA，这些RNA种类繁多，功能多样，由此产生了RNA组学（RNomics）概念，即研究细胞内所有小分子RNA的种类、结构及其与蛋白质的相互作用。目前，将细胞内除mRNA外不编码蛋白质的RNA统称为非编码RNA（non-coding RNA，ncRNA）。根据 RNA 链的长短，将 ncRNA 分为：①短链非编码 RNA（small ncRNAs），含20～30个核苷酸；②中链非编码 RNA（intermediate-sized ncRNAs），含 31～200 个核苷酸；③长链非编码 RNA（long non-coding RNAs，lncRNAs），含200个以上核苷酸。大量ncRNA的发现及其功能的研究，提示ncRNA在RNA的转录后加工、编辑、修饰、转运及基因表达调控等方面起到非常重要的作用，并与某些疾病的发生、发展密切相关。表3-2列举了部分ncRNA及其主要功能。