核糖核酸

核糖核酸。RNA有著多種多樣的功能，可在遺傳編碼、轉譯、調控、基因表達等過程中發揮作用。按RNA的功能，可將RNA分為多種型別。比如，在細胞生物中，mRNA起到調控基因表達的作用。此外，RNA病毒甚至以RNA作為它們的遺傳物質。RNA通常由DNA經由轉錄生成。RNA在細胞中廣泛分佈，真核生物的細胞核、細胞質、粒線體中都有RNA:36。與DNA的比較.RNA的分子結構與DNA非常相似，但是，兩者有以下三個主要不同點：與DNA相似，大部分有生物活性的RNA，包括mRNA、tRNA、rRNA、snRNA，以及其他一些非編碼RNA，雖然是單鏈，但含有自我互補的序列，能使得它們能進行摺疊，形成互補雙鏈結構。比如，對核糖體進行分析表明，其催化成肽反應的活性位點完全由RNA構成。結構.RNA的單體為核糖核苷酸，其中的戊糖為核糖，依系統命名法可將其中的碳原子從1'編號至5'。含氮鹼基與1'碳原子相連。RNA中最基本的四種鹼基分別為A。C和G、U和A、G和U之間能夠形成氫鍵。不過，鹼基之間也可能發生其他一些相互作用。比如，在一個凸出部分中，一群腺嘌呤可以互相連線，GNRA四環中有一個G-A鹼基對。核糖的2位碳上連有羥基為RNA的一個重要結構特點。這類羥基使得RNA雙鏈的結構應與A型構象最接近，不過，在單鏈的某些二核苷酸環境下，也有極小的可能形成DNA最常見的B型螺旋構象。A型構象使得RNA雙鏈的大溝狹窄而深，小溝淺而寬。在RNA分子的構象高度可變區域，2'-OH還能攻擊附近的磷酸二酯鍵，使得核糖-磷酸鏈斷裂。透過轉錄，僅僅能使RNA鏈上帶A、U、G、C四種含氮鹼基不過，轉錄後修飾能夠透過多種途徑對RNA進行改造。比如，轉錄後修飾能夠將稀有鹼基。在基因編碼的擺動假說中，肌苷有重要的作用。除以上列出的之外，經過編輯的核苷還有100多種。由修飾引發的結構性變化在tRNA中最為明顯，假尿嘧啶與經常在rRNA中出現是最常見的修飾產物。這些修飾的具體作用還沒有完全闡明。不過，值得注意的是，在rRNA中，許多的轉錄後修飾發生在高度功能化的區域，比如肽基轉移酶催化中心以及亞基結合部位，似乎說明轉錄後修飾對RNA發揮正常功能來說相當重要。具有催化功能的單鏈RNA分子，和蛋白質相類似，需要特殊的RNA三級結構。透過分子內氫鍵形成的二級結構原件構成了三級結構的框架。二級結構形成了許多可識別的「結構域」——比如莖環結構、膨大結構、內環結構。因為RNA分子帶電荷，不少二級結構和三級結構需要Mg2+等金屬離子來進行穩定。自然界中的RNA均是由D-核糖核苷酸聚合而成的D-RNA。使用L-核糖核苷酸則可合成L-RNA。L-RNA對RNA酶的耐受力要強得多。合成與修飾.RNA的合成一般由RNA聚合酶催化。RNA聚合酶以DNA為模板，透過轉錄合成RNA。轉錄起始於RNA聚合酶與啟動子的結合。因為RNA聚合酶自帶解旋酶活性，僅依靠RNA聚合酶即可實現DNA雙鏈的解開。轉錄過程中，RNA聚合酶以3'端至5'端的方向讀取DNA模板鏈，並以5'端到3'端的方向合成與之反向平行互補的RNA鏈。轉錄的終止由終止子介導。原核生物的終止子有兩類：簡單終止子與ρ因子依賴性終止子。簡單終止子僅靠RNA形成二級結構即可終止轉錄，而後者在ρ因子的作用下才可以使轉錄終止。真核生物的轉錄終止則與轉錄後修飾密切相關:323:531-535。在真核生物中，RNA的通常會經過轉錄後修飾。比如，真核生物的mRNA大都會被加上Poly(A)尾以及5'端帽，mRNA前體中含有的內含子序列也會被剪接體切除:580-581。一些RNA是由RNA複製酶以RNA為模板催化合成的。比方說，RNA病毒透過RNA複製酶複製其遺傳物質。另外，RNA複製酶亦參與了眾多生物體的RNA干涉過程。分類.在細胞中，根據結構功能的不同，RNA主要分三類，即tRNA、rRNA，以及mRNA。mRNA是依據DNA序列轉錄而成的蛋白質合成模板；tRNA是mRNA上遺傳密碼的識別者和氨基酸的轉運者；rRNA是組成核糖體的部分，而核糖體是蛋白質合成的機械。細胞中還有許多種類和功能不一的小型RNA，像是組成剪接體的snRNA，負責rRNA成型的snoRNA，以及參與RNAi作用的miRNA與siRNA等，可調節基因表現。而其他如I、II型內含子、RNase P、HDV、核糖體RNA等等都有催化生化反應過程的活性，即具有酶的活性，這類RNA被稱為核酶。調控RNA.許多種類的RNA，能夠透過與mRNA或DNA上的基因片段，部分互補的方式，來調降基因表現。例如在真核生物細胞內，所發現的微RNA(miRNA; 21-22 nt)，能引發RNA幹擾。miRNA與酵素複合體，會切碎mRNA，阻止該mRNA被轉譯，或加速其降解。雖然小幹擾RNA(siRNA; 20-25 nt)的產生，通常是由分解病毒RNA得到，然而也存在內源性的siRNA。而siRNA引發RNA幹擾的機制類似miRNA，有些miRNA和siRNA，能造成其目標基因被甲基化，從而促進或抑制該基因的轉錄。.此外，在動物生殖細胞內，所活躍的Piwi-interacting RNA(piRNA; 29-30 nt)，被認為能預防轉座子，並在配子的發生上，扮演重要角色。許多的原核生物，具有CRISPR RNAs，其作用機制類似於真核生物的RNA幹擾。其中反義RNA(Antisense RNAs)是最常見的，大多數能調降基因表現，但也有少部分會活化轉錄進行。反義RNA的作用機制之一，是藉由與mRNA互補配對，來形成雙股RNA，而被酵素降解。此外，在真核細胞內，也許多能調控基因的非編碼RNA，一個常見的例子是Xist，它會附在雌性哺乳動物的其中一個X染色體上，造成其去活化。一段mRNA自身可能帶有調控元件，例如riboswitches，在其五端非轉譯區(5' untranslated region)或三端非轉譯區(3' untranslated region)，包含有順式作用元件(cis-regulatory elements)能夠調控該mRNA的活性。此外，非編碼區上也有可能帶有，能調控其它基因的調控元件。修飾其它RNA.許多的RNA會幫助修飾其它RNA。如前信使RNA(pre-mRNA)中的內含子，會被含有許多核小RNA(snRNA)的剪接體剪接。或者RNA本身能作為核酶，剪接自己的內含子。RNA上的核苷酸也可能被修飾，變成非A、U、G、C的核苷酸。在真核細胞中，RNA上核苷酸的修飾，通常是由在細胞核與卡哈爾體中發現的，小核仁RNA(snoRNA; 60-300 nt)所主導。snoRNA會連結酵素，並以鹼基對的方式，引導它們去接上RNA，之後酵素便開始RNA核苷酸的修飾。鹼基修飾廣泛發生於rRNA與tRNA中，然而snRNA與mRNA也有可能是鹼基修飾的目標。此外，RNA也可能被甲基化。RNA基因組.如同DNA，RNA也可以攜帶遺傳資訊。RNA病毒的基因組由RNA組成，可以轉譯出多種蛋白質，其中一些負責基因組的複製，而其它的則作為保護構造，在病毒離開宿主細胞後，保護基因組。類病毒是另一種型別的病原體，但它們僅由RNA組成，且該RNA並不會轉譯出任何蛋白質，並利用宿主的聚合酶來複製。逆轉錄.反轉錄病毒藉由將RNA反轉錄成為DNA，DNA副本再轉錄為RNA的方式，來複製他們的基因組。反轉錄轉座子也利用此方法，來複製DNA與RNA，以完成轉座。此外，真核細胞內的端粒酶，也包含一個作為模板的RNA，利用它來延長染色體端粒。雙鏈RNA.雙鏈RNA(dsRNA)是指具有兩個互補鏈的RNA，與細胞中的DNA結構相似，它也是某些病毒(雙鏈RNA病毒)的遺傳物質。雙鏈RNA如病毒RNA或小幹擾RNA(siRNA)，可以觸發真核生物的RNA幹擾，以及脊椎動物的幹擾素反應。一般的雙鏈RNA是一條RNA摺疊互補的。發現史.與RNA相關的研究，造就了許多生物學的發現，以及諾貝爾獎。而核酸於1868年由弗雷德里希·米歇爾發現，當時他將該物質稱作「核素」，因為它是在細胞核中被找到的。但不久後，科學家也在沒有細胞核的原核生物中，也發現了核酸。此外，早在1939年就有人懷疑，RNA在蛋白質合成中所扮演的角色。塞韋羅·奧喬亞與阿瑟·科恩伯格，因為在實驗室內發現了，能夠合成RNA的酵素，而獲得1959年的諾貝爾生理學或醫學獎然而，之後的研究顯示，由他們所發現的酵素，是負責RNA降解，而非RNA合成。羅伯特·威廉·霍利於1965年，發現酵母菌裡大小為77個核苷酸的tRNA序列， 並於1968年與哈爾·葛賓·科拉納以及馬歇爾·沃倫·尼倫伯格共同獲得了諾貝爾生理或醫學獎。在1967年，卡爾·烏斯推測RNA可能具有催化能力，並提出建議指出，最早的生命形式可能依賴於RNA，來攜帶遺傳資訊和催化生化反應，即RNA世界學說。反轉錄病毒及反轉錄酶，於1970年代早期被發現的，使人們瞭解到RNA能被反轉錄為DNA。 這項發現，使戴維·巴爾的摩、羅納託·杜爾貝科與霍華德·馬丁·特明，共同獲得了1975年的諾貝爾生理學或醫學獎。此外在1976年，以及他的團隊，首度確定了RNA病毒完整基因組的鹼基序列(噬菌體MS2)。在1997年，菲利普·夏普與理察·羅伯茨，因為發現哺乳類動物病毒及細胞基因中，具有內含子且會發生RNA剪接，而獲得1993年的諾貝爾生理學或醫學獎。具有催化功能的RNA在1980年代早期被發現，而使得託馬斯·切赫與西德尼·奧爾特曼，獲得1989年的諾貝爾化學獎。而1990年所發現在碧冬茄屬上，匯入基因會靜默植物體自身相似的基因的現象，現今被認為是RNA幹擾的結果。且大約在同時，大小約22個核苷酸的RNA(現在被稱為微RNA)，被發現線上蟲的發育上，扮演重要角色。而於RNA幹擾的研究，讓安德魯·法厄與克雷格·梅洛，獲得了2006年的諾貝爾生理學或醫學獎；而同年的諾貝爾化學獎，由羅傑·科恩伯格獲得，得獎原因也與RNA相關。此外調控RNA的發現，促使了RNA藥物的開發，如利用小幹擾RNA來靜默目標基因。