备课素材：RNA的结构、功能及应用 高一下学期生物人教版必修二.docx

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1、RNA的结构、功能及应用RNA最早由Friedrich Miescher于1869年在细胞核中发现，被称作“nuclein” （ 中译名为“ 核素”）。 世纪后半叶，科学家们不断深入探索，将其与 和蛋白质区别开来，最终定名为 RNA。随后，诺贝尔奖获得者AlbrechtKossel纯化得到 RNA样本。 以此为基础，RNA 的化学结构组成被逐步揭示，其由核糖、磷酸和碱基所构成的核糖核苷酸通过磷酸二酯键缩合而成。 不同 RNA 分子中腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶等碱基的排列顺序不同。RNA 化学结构的确定为其生物学功能探讨奠定了坚实基础。 世纪中后期，与蛋白质合成密切相关的信使 RNA（RNA

2、）、转运 RNA（RNA）和核糖体 RNA（RNA）分别被鉴定出来，不同类型的 RNA 及其序列结构在体内、体外的合成方式得以阐明，而发现 RNA 碱基排列顺序决定氨基酸序列的对应关系使人们认识到，RNA 是基因表达和生命遗传的关键载体分子。 20世纪末，分子生物学技术的发展推动了微小 RNA（miRNA）、小干扰 RNA（siRNA）、长链非编码 RNA（lncRNA） 及环状 RNA（circRNA）等的发现，这些新发现的 RNA 并不直接作为遗传信息载体，而是通过调控基因表达等方式参与特定的细胞生命活动。 .RNA在细胞核内，以DNA反义链为指导模板，RNA 聚合酶将核苷三磷酸与 分子的

3、碱基配对连接，合成携带遗传信息的 RNA 分子即为 RNA，这一过程称为转录。 RNA 序列形成的三联体密码子，指导蛋白质的合成，因此也被称为遗传密码。真核生物 RNA 在转录过程中，端会添加甲基鸟苷残基形成帽子结构，保护 RNA 免遭核酸酶降解，该帽子结构可被帽子结合蛋白识别，使 RNA与核糖体小亚基结合促进翻译起始。 RNA 的 端一般为poly（）尾巴结构，能防止核酸外切酶对 RNA 遗传序列的降解，提高 RNA 在细胞质中的稳定性。 新近发现poly（）还可附着核输出因子，促进RNA通过核孔转移到细胞质中。 真核生物 RNA 一般需要经过修饰、剪接等转录后加工才能成熟为具有翻译功能的R

4、NA，成熟的 RNA 是单顺反子，一条 RNA 链只编码一种蛋白质。原核生物 RNA 在转录过程中，不生成 端帽子结构，端有较短的或没有poly（）尾巴结构。 原核生物 RNA一般不需加工即可进行蛋白质的翻译，其RNA 为多顺反子，一条 RNA 链可同时编码几种不同的蛋白质。由于 RNA是DNA转录产生，采用 RNA 反转录法可得到相应的 DNA分子以进行基因扩增，基于此开发的qPCR技术常用来检测基因的表达水平，应用于基因表达分析及疾病诊断。 paul等采用qPCR方法分别检测不同组婴儿脐带血中FZD4RNA 表达，结果显示重症缺氧缺血性脑病患儿中FZD4RNA 显著高表达，因此FZD4RN

5、A 可作为分娩时HLE严重程度的早期标志物。 近年来 RNA 还被应用于疫苗的研发。 2020年12月2日，RNACOVID19疫苗在英国获得临时紧急使用授权，该 RNA 疫苗是由脂质纳米颗粒中经核苷修饰的 RNA 组成的，在宿主细胞中，RNA 被翻译为SARSCOV 刺突蛋白，该蛋白在宿主细胞中表达，通过引起抗原的免疫反应预防COVID。此外，RNA 降解规律的逐步阐明将为法医工作者准确判断死者死亡时间提供新的科学证据。. RNARNA 是 RNA密码子进入翻译的结合载体，也被称为第二遗传密码。 所有的 RNA 分子均可排布成三叶草形二级结构，包括个双螺旋区、个环及个附加叉。 RNA 的 末

6、端螺旋区以CCAOH结束，是氨基酸结合位点，细胞质中的氨基酸经腺苷酸化后，通过腺苷酸的 或 羟基与对应的 RNA 端结合生成氨酰 RNA，后者转运到核糖体 位点，然后 RNA 反密码子环中部的反密码子与 RNA 密码子正确配对，进一步在肽酰转移酶作用下，将 位点 RNA 上的肽链转移至 位点 RNA 的氨基酸上，延伸肽链。 依据功能不同， 一 般将 RNA 分为 起 始 和 延 伸RNA、 同 工RNA及校正RNA 等（表 ）。作为基因表达的必要辅助元件，针对 RNA 的检测和分析在一定程度上可反映疾病的发生，ani等通过高通量的 RNA 分析方法，发现人乳腺癌细胞获得转移活性时，特定 RNA

7、 上调。 此外，在合成生物学中，RNA 已被用于扩展微生物的遗传密码，science上的一项研究发现，将个反密码子残基从大肠杆菌RNAMet移植到 RNA Val，即可使 RNA Val 的特异性识别从ValRS 合成酶转变为MetRS 合成酶，导致 RNA Val氨酰化甲硫氨酸。 这种通过改造 RNA 结构扩展遗传密码的方法可实现非天然氨基酸的编码，帮助合成新功能蛋白。. RNARNA 约占细胞总 RNA 的80，一般为含螺旋区的单链分子。 原核生物有5S、 16 和 23 RNA，真核生物主要有5、 5.8、18 和28 RNA。 RNA 与核糖体蛋白结合形成大、小亚基，在肽链合成起始时进

8、一步装配成核糖体。RNA 的功能尚未完全明了，目前认为，RNA 从多方面参与蛋白质翻译，如与 RNA 的前导序列互补结合，帮助 RNA 与核糖体结合；为 RNA 提供结合位点；具有肽酰转移酶活性，催化肽键形成等。RNA 在物种进化上较为保守，因此 RNA 测序常用于物种鉴定。 真核生物研究中常提取18RNA，通过PCR扩增、测序、NCBIblast序列比对，鉴定生物种属；原核生物研究中常利用 16RNA来鉴定微生物种属或分析遗传变异位点。目前，RNA 测序的应用已遍及环境科学、食品科学、生物工程及临床医学等多个领域。. iRNAmRNA 是真核生物内源性非编码单链 RNA 分子，长2113nt

9、，其主要通过结合RNA 的UTR区，降解或 使 靶RNA不稳定， 从而抑制转录后翻译。iRNA 的结合序列一般为28nt，因此1条iRNA 可抑制多个基因。 但最新研究表明，部分iRNA 也可能参与翻译激活调节，如在哺乳动物细胞有丝分裂静止期（） 翻译起始不能 正常进行时， 部分iRNA 和AGO 组成的复合物与 RNA 的 UTR结合，在其他细胞因子的协同参与下，切除 poly） 以启动核糖体对目标 RNA 的翻译。由于绝大部分iRNA 的表达具有高度组织和细胞特异性，因此iRNA 可应用于疾病诊断和治疗。 如iNA29已被认为是癌症诊断和预后的重要标记分子。 人肝脏中高表达的iNA122已

10、被证明是丙型肝炎病毒（HCV） 感染的必需宿主因子，可以作为治疗靶标来降低HCV病毒载量。.siRNAsiRNA 为长度2025nt 的 RNA 分子。 外源性双链 RNA分子进入细胞后， 经核酸内切酶切割生成siRNA，后者与靶 RNA 结合导致目标 RNA 降解，引发基因沉默，称为 RNA干扰。siRNA 与 miRNA 均可抑制基因表达，但也存在明显不同。利用siRNA 的基因沉默功能， 通过人工合成siRNA抑制基因表达探讨基因功能的技术已成为当前科学研究的常用方法。 此外，由于siRNA 与靶 RNA结合的高度特异性，设计沉默病毒复制关键因子表达的siRNA 是新型精准抗病毒药物研发

11、的热点并展示出巨大的应用前景。 已有研究表明，靶向人乳头瘤病毒E7RNA的siRNA转染Hela细胞，会显著抑制HPV复制，Hela细胞存活率明显升高。 针对人胶质母细胞瘤的siRNA纳米药物已进入临床试验阶段，显著提高了患者的存活率.lncRNAlncRNA是一类长度超过 200nt的不编码蛋白质的 RNA 分子。 与RNA相比，lncRNA 具有帽子、茎环结构和poly（ ）尾巴， 但缺乏开放阅读框。lncRNA 可从多个层次调节基因表达或蛋白质功能。在转录过程中，lncRNA 可以通过调控增强子活性、竞争转录因子或抑制 RNA 聚合酶与启动子结合等方式影响基因表达。lncRNA 还可直接

12、与靶 RNA 序列互补配对形成RNA二聚体，参与 RNA 的可变剪接、翻译和降解等转录后调控。lncRNA还可通过控制miRNA间接影响 RNA 靶基因的表达量，其上有多个区域可以与 miRNA 竞争性结合，削弱 miRNA对目的基因表达的抑制，使 RNA 正常翻译。 某些特定的lncRNA还可招募染色质重构或修饰复合体到特定位点，促发剂量补偿效应、染色质修饰以及基因组印记等，使基因表达发生可遗传性改变。lncRNA在多种疾病的发生发展过程中发挥着重要作用，针对过敏性鼻炎等顽症的lncRNA分析正在开展，有望为相关疾病的治疗开辟新方法。lncRNA还可作为生物标记物应用于癌症治疗方面，最新研究

13、表明，lncRN ALUCAT 在甲状腺瘤中高表达，且LUCAT表达升高的患者总生存期和无复发生存期较短，因此，可将 LUCAT作为甲状腺癌等患者的预后标志物。.cirRNAcirRNA 是一种闭合环状 RNA 分子，这种结构使其不易被核酸外切酶降解，表达更稳定，并因此成为RNA 领域研究的最新热点。 根据序列特征及转录来源不同，cirRNA 主要分为 类，即外显子环化生成（占大多数）、内含子套索生成及内含子和外显子共同转录生成。 外显子转录生成的cirRNA因含有 RNA结合位点原件，具有与lncRNA 相似的 miRNA 海绵作用，通过竞争性结合相应的 miRNA 间接调控基因表达；内含子

14、转录生成的cirRNA多与 RNA聚合酶结合促进基因转录；细胞核内的内含子和外显子共同来源的cirRNA可与小核糖体U1snRNP作用，形成的复合物在启动子区与 RNA 聚合酶结合促进基因表达。cirRNA 由特殊的可变剪切产生，大部分序列高度保守，少部分序列具有一定的组织和时序（如发育阶段）特异性，因此其也是疾病诊断和治疗的重要标志物或靶标。 如cirRNA MTO在肝癌组织中低表达，并且可以通过吸附 MI 促进p21的表达，抑制细胞增殖，因此是肝癌不良预后的预测因子。 基于cirRNA可以通过充当 miRNA 海绵或者直接与 RNA 结合蛋白结合调节细胞自噬的分子机制，cirRNA 可应用于肿瘤及非肿瘤的靶向药物的研究和开发。. 其他种类 RNA目前已知的 RNA 还包括小核RNA（snRNA）、 端粒酶RNA、 核酶RNA、 被认为是RNA前体的核不均一RNA、 与 PIWI蛋 白质结合的 RNA等。 这些 RNA 由于细胞含量较少、序列较短或代谢较快等原因，人们对其作用的研究还处于基础阶段，它们在细胞中的作用机制及生物学功能尚未得到充分挖掘，但随着生物学科研仪器不断精密化以及研究方法的不断创新和发展，人们对RNA 组学的研究还将进一步深入。学科网（北京）股份有限公司