RNA的化学结构

的分子结构的发现DNA 双螺旋结构1953年,研究人员转向的结构核糖核酸(核糖核酸)作为下一个需要解决的关键难题的道路上理解生命的分子基础。事实上,RNA可能是唯一分子有启发的形成一个俱乐部,被称为RNA领带俱乐部,其成员包括诺贝尔奖得主詹姆斯•沃森和弗朗西斯·克里克DNA结构的发现者,以及悉尼布伦纳,他在2002年被授予诺贝尔奖工作涉及基因监管的生物模型 C aenorhabditis 线虫。这个俱乐部的成员,每一个特殊的绰号氨基酸交换信件,他们提出了各种未发表的想法,试图理解这个分子RNA的结构以及如何参与建设的蛋白质。在接下来的50年里,许多问题都回答许多意外被发现。

今天,研究人员知道细胞含有多种形式的RNA-including信使RNA (信使核糖核酸),转移核糖核酸(tRNA),核糖体核糖核酸(核糖体rna)——每个形式参与不同的功能和活动。信使RNA本质上是一个复制的一段DNA作为模板的制造一个或多个蛋白质。转移核糖核酸结合mRNA和氨基酸(蛋白质)的基石和带来正确的氨基酸在增长多肽链在蛋白质的形成,基于核苷酸信使rna序列。的蛋白构建的过程翻译。翻译发生在核糖体,这是细胞细胞器组成的蛋白质和核糖体rna。

虽然有多种类型的RNA分子,所有RNA的基本结构是相似的。各种RNA是一种聚合物分子由单个核苷酸串到一起,总是通过添加5 '磷酸组一个核苷酸的3 '羟基组前面的核苷酸。像DNA一样,每个RNA链都有相同的基本结构,含氮的碱基组成的共价绑定到一个糖磷酸骨架(图1)。然而,与DNA, RNA通常是一个单链分子。此外,糖在RNA核糖而不是脱氧核糖(核糖包含一个羟基在第二个碳),占分子的名字。RNA由四个氮基地:腺嘌呤,胞嘧啶,尿嘧啶,鸟嘌呤。尿嘧啶是一种嘧啶这是结构相似胸腺嘧啶,另一个嘧啶在DNA。胸腺嘧啶,尿嘧啶可以用腺嘌呤碱基对(图2)。

虽然是一个单链RNA分子,研究人员很快发现它可以形成双链的结构,它是重要的函数。1956年,亚历山大Rich-an x射线晶体和RNA领带和俱乐部的成员大卫·戴维斯在美国国立卫生研究院的工作,发现单股RNA可以“杂交”粘在一起形成一个双链分子(丰富&戴维斯,1956)。之后的1960年,发现一个RNA分子和一个DNA分子可以形成一个混合双螺旋结构是第一个演示实验的信息可以从DNA, RNA(富裕,1960)。

单链RNA也可以形成许多二级结构中一个RNA分子折叠形式发夹循环,通过分子内氢键之间的稳定互补基地。这样的碱基配对许多RNA的RNA是至关重要的功能,如tRNA的绑定到正确的信使RNA序列在翻译(图3)。

罗伯特华立,康奈尔大学的一个化学家,是第一个研究员tRNA(华立的结构et al。,1965)。这个分子是难以捉摸的结构,弗朗西斯·克里克提出1955年他所谓的“适配器假说”——一个结构,在一定的顺序进行氨基酸和安排他们的顺序相对应核酸链。华立被授予1968年诺贝尔生理学或医学奖一起Gobind Khorana,威斯康辛州大学的马歇尔Nirenberg,在美国国立卫生研究院。Nirenberg和Khorana设计实验的关键破译遗传密码换句话说,这三个核苷酸序列(密码子)在一个信使rna分子将代码的氨基酸。

多种形式的RNA基因表达过程中扮演关键角色负责展现指令存储在DNA核苷酸序列在核糖核酸或蛋白质分子进行细胞的活动(图4和5)。信使核糖核酸(mRNA)在这个过程中尤为重要。信使rna主要是由编码序列;也就是说,它携带的遗传信息的蛋白质的氨基酸序列核糖体,合成特定的蛋白质。此外,每个信使rna分子还含有非编码,或翻译,可能携带指令序列如何处理mRNA的细胞(图6)。例如,翻译区在5 '端信使rna分子中发现细菌和其他原核生物包含所谓Shine-Dalgarno序列,艾滋病在绑定mRNA的核糖体。

相比之下,信使rna真核生物的生物是准备翻译通过更复杂的机制。首先,添加一个甲基鸟嘌呤核苷酸(CH₃)集团5 '末端的信使rna,叫做5 '帽,增加了稳定信使rna和协助绑定的mRNA的核糖体翻译。与此同时,添加到另一个端非翻译区3 '末端信使rna,从而进一步影响分子的稳定性。在这种情况下,从50到250组成的“尾巴”腺嘌呤核苷酸被添加到3 '末端。这保利(A)的尾巴可以增加很多信使rna分子的稳定性,根据蛋白质附着在它的上面。越稳定,一个信使rna分子存在于细胞的时间越长,越多的蛋白质,可以用分子。

在真核生物(和较小程度上原核生物),首先从DNA转录的RNA时,它可能包含额外的非编码序列,编码序列内的分布。这个不成熟的RNA分子被称为前体mRNA (pre-mRNA)或异构核RNA(末端)。其间的非编码序列被称为内含子和外显子编码的部分被称为材料。的过程称为内含子然后删除核糖核酸拼接生产成熟的信使rna分子(图7)。一个叫做细胞器剪接体由蛋白质和小核rna(核内小rna),负责识别和删除从pre-mRNA内含子。

令人惊奇的发现RNA拼接引起遗传学的范式转变。早期的工作表明,信使rna和基因DNA是共线的;他们认为匹配,基地基地,除了3保利(A)的尾巴。然而,在1970年代末,开创性的研究基因表达细胞内感染腺病毒表明病毒感染产生的RNA转录序列包含旁边没有病毒基因组。进一步的研究显示,这些mrna材料被移除或拼接后产生的一个更大的主记录(大山大山et al。,1977;埃文斯et al。,1977)。从那时起,内含子发现了发生在许多真核细胞基因和一些原核基因。

最彻底的研究类内含子由在蛋白编码基因的发现。5 '末端的内含子几乎总是始于顾二核苷酸,和3 '端通常包含AG)。改变其中一个核苷酸排除了拼接。另一个重要的序列发生在分支点,18到40个核苷酸上游3 '末端的基因内区。这个序列总是包含一个腺嘌呤,但另有松散守恒的。典型的序列在一个分支点是YNYYRAY, Y表示嘧啶,N表示任何核苷酸,R嘌呤,一个是腺嘌呤(图8)(皮尔斯,2000;帕特尔&施泰茨,2003)。

许多真核基因拼接在许多不同的方式通过选择不同潜在5′和3′接头连接,从而创建不同的外显子和内含子的组合在最后mrna。这种混搭的过程允许创建几个不同的蛋白质从单个基因序列。第一个例子这样的“可变剪接”(图9)发现于1977年的腺病毒(大山大山et al。,1977)。第一个例子在细胞基因在1980年报道的IgM编码一个免疫球蛋白基因,蛋白质之一由免疫细胞对抗外来微生物和微粒(早期感染et al。,1980)。

的Dscam基因的果蝇,它编码的蛋白质参与指导胚胎神经目标目的地在果蝇的神经系统的形成,展览一个特别令人印象深刻的许多可变剪接模式。几十种不同的形式的Dscammrna和相应的蛋白质已经被识别,而基因的序列分析揭示了一个惊人的38000潜在的额外的mrna,基于大量的内含子。能够产生很多不同的蛋白质从单个基因可能是必要的形成和神经系统一样复杂的结构(笨蛋et al。,2000)。一般来说,从单个基因的存在多个mRNA转录可能占一些生物体的复杂性,比如人类,即使这些生物体基因相对较少(在人类的情况下,大约有25000)。

另外两个类别的RNA在翻译过程中起到了关键的作用:tRNA,核糖体RNA。核糖体RNA分子(rRNA)最初表现为迅速他们如何“下沉”的离心管,换句话说,他们所描述的沉降速度来衡量在斯维德贝格(S)单位。原核生物包含一个类型的核糖体RNA基因编码三个不同的RNA物种:23、5 s和16 s rrna。相比,真核细胞包含两种类型的核糖体rna基因,产生四个rRNA物种:28年代,5.8年代,5 s, 18 s rRNA。真核和原核生物的基因组包含这些核糖体rna基因的多个副本能够制造一个细胞所需的大量的核糖体。成熟的核糖体rna是由乳沟和修改初始的成绩单(皮尔斯,2000)。

转移核糖核酸分子作为分子适配器绑定到mRNA一端和携带氨基酸进入位置。大多数类型的细胞拥有大约30到40种不同转运rna,与多个tRNA相应的氨基酸。转运rna折叠成一个蝶式结构由互补的核苷酸的配对。结构研究使用x射线晶体学进一步证明了蝶式是折叠成L形状(图10)。循环折叠结构的一端与三个核苷酸碱基对统称为一个信使rna密码子;补充三核苷酸tRNA被称为反密码子。

虽然在三核苷酸配对密码子与反密码子之间发生,严格互补碱基对之间仅仅是必要的前两个核苷酸。第三的位置被称为“摆动“位置(图11),碱基对的规则不太严格的在这个位置。由于这种灵活性,30到40转运rna在细胞能“读”所有61密码子mRNA。

折叠结构的另一端,也就是3 ' tRNA,结合在一个相应的氨基酸附件网站这也是三核苷酸长,总是CCA。酶称为氨酰合成酶附上正确的氨基酸每个tRNA,基于tRNA分子的三维结构。

最后,还有更多形式的RNA信使RNA,核糖体RNA, tRNA。例如,短rna不仅细胞器如核糖体和剪接体的一部分,还有一些酶。例如,酶端粒酶添加核苷酸染色体的末端,由451个核苷酸RNA和一些蛋白质。朱莉Feigon加州大学洛杉矶分校,与卡拉Theimer博士后学者和研究生克雷格•布洛瓦首先解决一个重要的结构块这个RNA通过核磁共振光谱学(Theimeret al。,2005)。他们发现了一个独特的RNA结构广泛RNA折叠,这对端粒酶活性是必需的。

其他类的RNA的物种包括小分子核糖核酸、小干扰rna,其中sRNAs-all没有转译成蛋白质,但仍执行细胞中的重要功能。这些rna的发现一直是近年来最令人兴奋的进展,目前很多兴趣尽可能这些分子疗法的使用。但就其结构而言,这些rna都共享相同的基本单股的化学结构,在某些情况下,高阶结构通过互补碱基对折叠。

从RNA领带俱乐部今天,科学家们研究了RNA越多,他们发现了更多的惊喜。新功能的RNA, RNA的新修改,无疑和其他惊喜等待发现在未来几年。