核糖核酸RNA

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第842页（4360字）

核糖核酸是核酸的一种，因含核糖而得名。

它又可分为多种，细胞内含量较多的有信使RNA(mRNA)、核糖体RNA(rRNA)和转移RNA(tRNA)。它们的主要功能是参与蛋白质的生物合成。在RNA病毒和噬菌体内，RNA是遗传信息的载体。此外，还有核小分子RNA(snRNA)参与RNA前体加工；反义RNA是主要的调控物质。酶活性RNA(Ribozyme)的发现打破了“酶就是蛋白质”的经典概念。酶活性RNA以及根据反义RNA原理而设计的反义核酸在阻断有害基因表达方面的应用前景正日益宽广。

1957～1961年间，先后发现tRNA、rRNA和mRNA。1965年，霍利(R．W．Holley)等测出第1个核酸(酵母丙氨酸tRNA)的1级结构。

60年代中期，尼伦伯格(M．W．Nirenbery)等发现遗传密码。以后的10多年中，基本搞清楚RNA的转录过程、转录后加工过程、蛋白质生物合成过程、RNA的结构等。

80年代后，RNA的研究更趋活跃，新的发现层出不穷。真核生物的转录调控、转录后加工、蛋白质生物合成的研究正在不断深入。

tRNA在蛋白质生物合成中起着把mRNA的遗传信息翻译成氨基酸顺序的关键性作用(参见“转移核糖核酸”条)。核糖体是细胞合成蛋白质的唯一场所。早先的模型表明核糖体只有两个tRNA结合位点：A位即氨酰基tRNA结合位点，P位即肽酰tRNA位点。80年代末，尼尔豪斯(H．Nierhaus)等提出核糖体的3点模式，认为核糖体上有3个tRNA结合位点。

除A、P两个位点外，还有一个E位，即tRNA出口位。按新的模型，肽键形成时，原来在P位的空载tRNA并不立即从核糖体上解离下来，而是移位到E位。

当新的氨酰tRNA结合A位时，核糖体构象发生改变，E位的空载tRNA才解离下来。构象的改变提高了对氨酰tRNA的识别作用，从而提高了蛋白质合成的正确性。

蛋白质合成的整个过程涉及到200多个生物大分子的协同作用，各个蛋白质与RNA的具体作用目前尚不甚了解。大肠杆菌核糖体含有3种RNA(5S、16S、23S)和50多种蛋白质，它们的序列已全部被测定。诺勒(H．F．Noller)等提出一个被广泛接受的16S rRNA2级结构模型。嗜热杆菌核糖体结晶实验已获得成功，为核糖体高级结构的研究创造了条件。

赫尔(W．Herr)等认为大肠杆菌核糖体的两个亚基之间的结合主要靠16S和23S RNA之间的碱基配对来实现。实验资料表明，16S RNA的一个含790个核苷酸的环位于两个亚基相接触的平面上。

在16S RNA中有3个区域可因与tRNA的结合而被保护。它们是核糖体上mRNA和tRNA的结合部位，亦即核糖体解码部位。23S RNA的区域V与肽基转移酶有关。区V的中心环上，许多保守的核苷酸序列代表A位、P位和E位。

真核基因转录调控的研究正集中在顺式作用元件和反式作用因子以及它们的相互作用等方面。顺式作用元件包括转录起始位点及其上游约30bp处的TATA盒，上游几百bp处的CCAAT序列或GC盒，或其它特异基因的调控序列。有的基因中有增强子(enhanccr)和抑制子(silencer)。

反式作用因子分两类，结合TATA盒附近的称转录因子，有TFIIA、IIB、IID、IIE等；结合上游调控序列的称转录调控因子，如SPI、CTF、AP1、AP2、Oct－1、Oct－2、CRER等。已被分离纯化或鉴定的蛋白质因子有几百种，新的因子还在不断被发现。反式作用因子通过与顺式元件结合起调控作用。

激素的调控也是通过引发核酸与蛋白质、蛋白质与蛋白质间的相互作用完成。

许多真核生物核内mRNA前体的编码区是不连续的，它们被一个或数个间插序列(IVS)所分开。IVS通过剪接被除去。IVS来自基因中的内含子(intron)。

80年代中期夏普(P．A．Sharp)提出细胞核mRNA前体在剪接体上经过套环结构中间产物而进行剪接的机制。剪接体至少有U1、U2、U5、U4／6四种细胞核小分子RNA与蛋白质的复合体(snRNP)以及C1和C2两种细胞核不均一核蛋白体蛋白参与组装而成。

而线粒体RNA前体的剪接分属于Ⅰ型和Ⅱ型内含子的自我剪接。某些单基因的初始转录物可含有多个剪接位点，因而通过不同的剪接可以得到多种不同的蛋白。

mRNA的编辑是由伯恩(R．Benne)1986年发现的一种新的加工方式。锥体虫线粒体细胞色素C氧化酶亚基Ⅱ的mRNA中存在着不同于其DNA序列的阅读框架。

差异是由于初始转录物的某些位点被加入若干个尿嘧啶核苷酸引起的。实验结果表明，mRNA的编辑是3’向5’方向进行的，可以通过加尿苷酸、删尿苷酸将胞苷酸转换成尿苷酸或将尿苷酸转换成胞苷酸以及加鸟苷酸、或腺苷酸等多种方式来进行。

tRNA编辑也可能存在。mRNA的编辑可以发生在编码区、3’不翻译区、5’不翻译区和PolyA区，但没有发现所有上述区域均被编辑的。

编码区的编辑可以引起阅读框架的开放或关闭、移码、增加信息、改善mRNA与核糖体的结合状态、改变密码子的种类等功能。在锥体虫线粒体细胞色素氧化酶亚基Ⅱ的mRNA中，因编辑增加了376个核苷酸，占该mRNA总编码区长度的55%。

因此该基因被称为隐匿基因。近来在锥体虫中找到一些小于80核苷酸的指导RNA(gRNA)，它们是有其它基因编码的。

gRNA有5’锚式结构和3’寡聚尿苷酸结构。它被作为编辑的模板，反应的历程类似于四膜虫酶活性RNA的方式。

因此切赫(T．Cech)称RNA编辑可能是最小的插入顺序。其它几种编辑的机制还不清楚。

3’端的成熟有两种方式：组蛋白mRNA前体只需要切去3’端多余序列，其它mRNA前体则还需加上Poly A末端。

核糖体对起始密码的识别一般认为是核糖体亚基在mRNA上扫描完成的。

1988年索南伯格(N．Sonenberg)认为mRNA首先与eIF－4B结合，eIF－4B在mRNA5’端扫描发现起始密码子，然后43S起始复合物与mRNA结合。另有一些核糖体并不扫描mRNA的5’端区而直接与mRNA内部的起始密码子结合并开始翻译。

以往认为mRNA编码区内每3个核苷酸编码一个氨基酸，密码子间没有停顿间隔。80年代发现一些翻译过程中有跳跃现象。

最典型的是黄(W．M．Huang)等1988年发现T4噬菌体基因拓朴异构酶60中50个核苷酸在翻译过程中被跳过。

1969年，博勒(K．Bovre)等观察到入噬菌体DNA同一区段的双链都被转录。

与正链RNA互补的RNA即反义RNA。它是生物体内一种重要调控物质，可在转录、翻译等多层次上调控。

有迹象表明真核生物内亦有反义RNA，且主要在翻译水平上进行调控。根据反义RNA作用原理，可把反义基因导入细胞，在细胞内转录出反义RNA。

赞姆尼克(P．C．Zamecnik)等1978年用人工寡聚核酸(主要是DNA)直接导入生物体。这两种途径都可用于抑制有害基因的表达。

酶活性RNA也是反义RNA的一种。1982年切赫发现四膜虫rRNA前体的自我剪接(属剪接型ribozyem)，奥尔特曼(S．Altmen)等发现核糖核酸酶P的核酸部分(属剪切型ribozyme)即可催化tRNA前体5’端的成熟。西蒙斯(R．H．Symons)发现自我剪切的锤头结构并用人工合成的锤头ribozyme剪切其它RNA，促进了ribozyme用于抑制有害基因表达的研究。酶活性RNA的发现，表明RNA是一种既能携带遗传信息又有生物催化功能的生物大分子。1989年，多尔特纳(J．A．Doudna)和索尔斯得克(J．W．Szostak)用四膜虫ribozyme把几个寡聚RNA连接成与RNA模板互补的42聚RNA。这个实验资料证明RNA具有自我复制的功能。

今后RNA研究的热点将有：(1)RNA的结构研究。RNA结构比DNA复杂，所以RNA测序方法还不完善。

1990年鲁特(M．R．Rould)测出谷氨酰胺tRNA与合成酶、ATP的分辨率为2．8A的X－衍射图，人们将会了解更多有关蛋白质与核酸的相互作用的细节。(2)RNA转录的调控研究会推出各种调控模式，发现新的顺式元件和反式因子。(3)RNA转录后加工及转运的细节及其生理意义，特别是rRNA前体的成熟，因为它在核仁中进行，所以研究有相当的难度。(4)蛋白质生物合成的细节。

(5)核酸与蛋白质的相互作用，如snRNP、hnRNP、mRNP、剪接体、编辑体，真核生物核糖体的结构与功能等；(6)发现新的RNA品种及RNA的新功能。(7)RNA的应用研究。乌伦贝克(O．C．Uhlenbeck)1990年提出20世纪的90年代是RNA的10年。

。

【参考文献】：

1 Cech T R,et al. Cell, 1981,27:487～496

2 Guerrier-takada CAltman S. Science, 1984,223:285～286

3 Sharp P A. Science, 1987,235:766～771

4 Shaw J M,et al. Cell, 1988,53:401～ 411

5 Sonenberg N. Progress in Nucleic Acid Research and Mol-ecular Biology,1988,35:173～207

6 Huang W M,et al. Science,1988,239:1005～1012

7 Gnirke A,et al. J B C. 1989,264:7291 ～7301

(中国科学院上海生物化学研究所博士生导师金由辛撰)