核糖核酸

**核糖核酸**（英語：**r**ibo**n**ucleic **a**cid，縮寫：RNA），是一類由核糖核苷酸通過 3',5'- 磷酸二酯鍵聚合而成的線性大分子。自然界中的 RNA 通常是單鏈的，且 RNA 中最基本的四種鹼基爲腺嘌呤（A）、尿嘧啶（U）、鳥嘌呤（G）、胞嘧啶（C），相對的，與 RNA 同爲核酸的 DNA 通常是雙鏈分子，且其含有的含氮鹼基中將 RNA 的尿嘧啶替換為胸腺嘧啶（T）。

RNA 有著多種多樣的功能，可在遺傳編碼、轉譯、調控、基因表現等過程中發揮作用。按 RNA 的功能，可將 RNA 分爲多種類型。比如，在細胞生物中，mRNA（傳訊 RNA）爲遺傳訊息的傳遞者，它能夠指導蛋白質的合成。因爲 mRNA 有編碼蛋白質的能力，它又被稱爲編碼 RNA。而其他沒有編碼蛋白質能力的 RNA 則被稱爲非編碼 RNA（ncRNA）。它們經由催化生化反應，或透過調控或參與基因表現過程發揮相應的生理功能。比如，tRNA（轉運 RNA）在轉譯過程中起轉運 RNA 的作用，rRNA（核糖體 RNA）於轉譯過程中起催化肽鏈形成的作用，sRNA（小 RNA）起到調控基因表現的作用。此外，RNA 病毒甚至以 RNA 作爲它們的遺傳物質。

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。

## 與 DNA 的比較

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（莖）。對 RNA 的分析表明，它們有著相對更複雜的結構。和 DNA 不同，RNA 的二級結構並不是單純的雙螺旋，而由一系列短的二級結構構成。通過這些短的二級結構的組合，RNA 甚至可以擁有與蛋白質相似的結構，並像酶那樣催化化學反應（這樣的 RNA 被稱爲核酶）。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 的單體爲核糖核苷酸，其中的戊醣爲核糖，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爲 A（腺嘌呤）、U（尿嘧啶）、G（鳥嘌呤）、C（胞嘧啶）。其中，腺嘌呤和鳥嘌呤爲雙環的嘌呤，尿嘧啶和胞嘧啶爲單環的嘧啶。磷酸基團與一個核糖殘基的 3' 碳原子相連，與下一個核糖核苷酸的 5' 碳原子相連。磷酸基團在生理 pH 下，並不都能帶上負電荷，因而 RNA 在生理條件下是帶電荷分子（聚陰離子）。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接，GNRA 四環 Tetraloop 中有一個 G-A 鹼基對。

核糖的 2 位碳上連有羥基爲 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（即不生成雙鏈結構的區域），2'-OH 還能攻擊附近的磷酸二酯鍵，使得核糖 - 磷酸鏈斷裂。

通過轉錄，僅僅能使 RNA 鏈上帶 A、U、G、C 四種含氮鹼基不過，轉錄後修飾能夠通過多種途徑對 RNA 進行改造。比如，轉錄後修飾能夠將稀有鹼基假尿嘧啶（Ψ）加到 RNA 鏈上。假尿嘧啶與核糖之間的化學鍵是 C-C 鍵而不是尿嘧啶（U）的 C-N 鍵。胸腺嘧啶加到 RNA 鏈上的情形也很常見（最典型的例子是 tRNA 的 TΨC 環）。另外，次黃嘌呤也是一種常見的稀有鹼基。次黃嘌呤爲腺嘌呤的去胺產物，含有次黃嘌呤的核苷被稱爲肌苷（I）。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 中最爲明顯，假尿嘧啶與經常在 rRNA 中出現 2'- 甲氧基核糖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。通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（bulges）、內環結構。因爲 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 爲模板，通過轉錄合成 RNA。轉錄起始於 RNA 聚合酶與啓動子的結合（啓動子一般位於基因的上游）。因爲 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。

在真核生物中，RNA 的初始轉錄物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（多腺嘌呤尾巴）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。

一些 RNA 是由 RNA 複製酶（RNA 依賴性 RNA 聚合酶）以 RNA 爲模板催化合成的。比方說，RNA 病毒通過 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胺基酸的轉運者；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（spliceosome）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 干擾。miRNA 與酵素複合體，會切碎 mRNA，阻止該 mRNA 被轉譯，或加速其降解。

雖然小干擾 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 干擾的機制類似 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 干擾。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。類病毒是另一種類型的病原體，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。

### 反轉錄

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 或小干擾 RNA (siRNA)，可以觸發真核生物的 RNA 干擾，以及脊椎動物的干擾素反應。

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多核苷酸磷酸化酶，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（自我複製的分子）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，使人們了解到 RNA 能被反轉錄為 DNA（與中心法則的一般情況，DNA 轉錄為 RNA 相反）。 這項發現，使戴維・巴爾的摩、羅納托・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，瓦爾特・菲爾斯以及他的團隊，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（核酶）在 1980 年代早期被發現，而使得托馬斯・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，導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 干擾的結果。

且大約在同時，大小約 22 個核苷酸的 RNA (現在被稱為微 RNA)，被發現在線蟲的發育上，扮演重要角色。而於 RNA 干擾的研究，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（在 RNA 轉錄上的研究）。此外調控 RNA 的發現，促使了 RNA 藥物的開發，如利用小干擾 RNA 來靜默目標基因。

## 參見

* 去氧核糖核酸（DNA）
* 核苷酸
* 核酸
* 核糖核酸生化學

## 註釋

## 參考文獻

## 外部連結

* （英文）RNA World website 連結大全 (結構，定序，工具和期刊)
* （英文）核酸資料庫內有 DNA, RNA 和相關化合物的圖片。