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什么是RNA?

艺术家对RNA链的解释。
艺术家对RNA链的解释。
图片:©Shutterstock)

RNA不仅是DNA鲜为人知的表亲,还起着将遗传信息转化为人体蛋白质的核心作用。这个非凡的分子还携带着许多病毒的遗传学指示,它可能帮助生命开始。

中央教条

RNA一起是核糖核酸的缩写, 脱氧核糖核酸,是脱氧核糖核酸的缩写,构成核酸,被认为对生命至关重要的三到四类主要“大分子”之一。 (其他是 蛋白质 和脂质。许多科学家还把 碳水化合物 大分子是非常大的分子,通常由重复的亚基组成。 RNA和DNA由称为核苷酸的亚基组成。 

两种核酸结合在一起产生蛋白质。利用核酸中的遗传信息产生蛋白质的过程对生命至关重要,生物学家称其为分子生物学的“中心教条”。教条描述了生物体中遗传信息的流动, 俄勒冈州立大学,他说DNA的信息被写出或“转录”为RNA信息,而RNA的信息被写出或“翻译”为蛋白质。

芝加哥大学生物学家,研究RNA修饰的Chuan He对Live Science说:“ RNA基本上是连接DNA和蛋白质的生物分子。” 

RNA字母

RNA和DNA存储和复制信息的能力取决于分子的重复核苷酸亚基。核苷酸以特定的序列组织,可以像单词中的字母一样读取。 

每个核苷酸都有三个主要部分:糖分子,磷酸基和称为核碱基或碱基的环状化合物。来自不同核苷酸单位的糖通过磷酸盐桥连接,形成RNA或DNA分子的重复聚合物—就像一条由糖珠制成的项链,这些项链由磷酸盐串连接在一起。

糖上附着的核碱基构成构建蛋白质所需的序列信息,如 国家人类基因组研究所。 RNA和DNA分别具有四个碱基的集合:DNA的腺嘌呤,鸟嘌呤,胞嘧啶和胸腺嘧啶,而尿嘧啶交换成RNA中的胸腺嘧啶。四个碱基组成分子的字母,因此用字母表示:A代表腺嘌呤,G代表鸟嘌呤,依此类推。

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但是RNA和DNA不仅可以编码“字母”序列,还可以做更多的事情。他们也可以复制它们。之所以有效,是因为一个RNA或DNA字符串的碱基可以粘在另一个字符串的碱基上, 但仅以非常特定的方式。基地只与 “互补”伙伴:RNA中从C到G,从A到U(对于DNA,从A到T)。因此,DNA充当转录RNA分子的模板,该RNA分子反映了DNA序列—对其进行编码。 

据称,一种称为信使RNA(mRNA)的RNA利用这种复制功能将遗传数据从DNA传递到核糖体,核糖体是细胞的蛋白质产生成分。 马萨诸塞大学。核糖体“读取” mRNA序列,以确定蛋白质亚基(氨基酸)应加入生长中的蛋白质分子的顺序。 

其他两个RNA物种完成了这一过程:转移RNA(tRNA)将mRNA指定的氨基酸带入核糖体,而构成核糖体大部分的核糖体RNA(rRNA)将氨基酸连接在一起。

RNA作为酶 

科学家认为RNA的中心教条活动对分子的定义至关重要。但是自从1980年代生物学家Sidney Altman和Thomas R. Cech发现RNA可以像蛋白质一样起作用以来,关于RNA是什么以及可以做什么的想法已经大大扩展了。 (研究人员赢得了 1989年诺贝尔化学奖 为他们的发现。) 

蛋白质是体内大多数化学反应的关键成分,是酶,部分原因是这些分子可以实现惊人的各种形状或构象。 (酶是促进和催化化学反应的蛋白质。)与DNA不同,RNA还可在一定程度上变形,因此可以用作基于RNA的酶或核酶。生物学家梅林·克罗斯利(Merlin Crossley)在一篇文章中写道,RNA与DNA相比具有更大的灵活性,部分原因是RNA的核糖上有多余的氧气,这使分子的稳定性降低了。 对话。脱氧核糖中的“脱氧”指DNA的1-氧缺乏。 

根据 一些研究人员,最重要的基于RNA的催化活性发生在核糖体中,在核糖体中,rRNA(核酶)介导氨基酸与生长中蛋白质的结合。其他核酶包括小核RNA(snRNA),它将mRNA剪接成可用形式,以及 M1 RNA,是最早的已知核酶之一,类似地剪切细菌tRNA。 

RNA的监管动物园

在过去的三十年中, RNA品种 他说,当研究人员发现一系列功能完全不同的RNA:调控基因时,RNA的开花就开始了。他说:“有一整套的RNA发挥着关键的调节作用,”影响表达哪些基因以及以什么速率表达。 

研究人员在一篇发表于2017年的综述中写道:“近年来,生物学领域几乎没有像RNA分子生物学那样彻底地转变。”很大程度上是由于发现了小的调节RNA。 国际生物医学杂志。作者写道,最重要的是短干扰RNA(siRNA),microRNA(miRNA)和piwi相互作用RNA(piRNA)。 

siRNA和miRNA通过附着于mRNA的互补序列来“沉默”基因。然后,调节RNA激活可以切割mRNA或阻断其翻译的蛋白质复合物,如该杂志2010年发表的评论中所述 当前的基因组学。根据发表在该杂志上的2009年评论,siRNA靶向病毒性DNA等侵入性遗传物质,而miRNA调节生物体自身的基因。 细胞。根据2014年发表在该杂志上的评论,piRNA具有类似的沉默功能,但专门作用于性细胞中,靶向遗传物质的可移动位,称为“可转座”元件,这些元件可以突变基因。 发展历程

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其他调节性RNA参与者包括更长的更长的非编码RNA(lncRNA),它们通过与称为染色质的DNA和蛋白质复合物相关联而影响基因,如该杂志2019年的评论所述 非编码RNA。 lncRNA可以激活或灭活染色质部分,从而将DNA包装成紧密的细胞形式,从而使该染色质中的基因得以表达或被抑制。根据2020年该杂志的评论,增强子RNA与上述大多数相反,通过尚未理解的机制增加了某些基因的表达。 细胞与发育生物学前沿.

其他生物中也出现了其他RNA类型。例如,细菌宿主miRNA和siRNA的类似物,称为小RNA调节剂(sRNA)。部分基因编辑 CRISPR-Cas9系统 在细菌和古细菌中发现的RNA也依赖RNA,RNA与识别入侵者的所谓CRISPR DNA序列结合。 

'RNA世界'

RNA在功能和形式上的多功能性激发了这一想法, “ RNA世界”假说

生物体依靠令人震惊的DNA,RNA和蛋白质系统来传递遗传信息,科学家长期以来一直想知道该系统如何以早期生命形式出现。他说,RNA提供了一个合理的答案:这种分子既可以存储遗传信息,也可以催化反应,这表明早期的简单生物本可以完全依赖RNA。 

他说:“这是一种混合动力。” “因此,从一开始就很有意义。”

他说,此外,RNA的糖基核糖通常更容易在生物中出现。然后从核糖中产生脱氧核糖。他说:“因此,这意味着生活中首先要拥有核糖,RNA,然后才是DNA。”

从更简单的RNA开始,可能会出现更复杂的寿命,将更稳定的DNA进化为长期文库,并开发蛋白质作为更有效的催化剂。

为什么要使用RNA?

在从DNA到蛋白质的过程中,RNA本质上充当中间人,那么为什么不消除RNA之间的间隙并直接从DNA转变为蛋白质呢?他说,简单的生命形式(例如DNA病毒)就是这样做的。同样,一些最臭名昭著的病毒—艾滋病毒,普通感冒病毒,流感和COVID-19—将所有遗传信息保存在RNA中,没有DNA的前身。

他说,更为复杂的生物体需要做更多的遗传调控。因此,他们的大多数基因组都不编码蛋白质,而是编码调节其他序列的基因组部分。 发起人例如,可以打开或关闭基因。他说:“您不想将人类基因组的30亿个碱基对转换为蛋白质序列。”他说,在无法编码所需人类蛋白质的许多序列上消耗细胞资源“将是巨大的浪费”。 RNA使仅将遗传序列的蛋白质编码位转录为mRNA中介即可。

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此外,mRNA提供了一种微调基因输出的便捷方法。 “ RNA……是DNA的影印本,” RNA协会,这是一个有助于共享RNA研究成果的非营利组织。 “当细胞需要产生某种蛋白质时,它……以信使RNA的形式产生该DNA片段的多个拷贝……因此,RNA扩大了一次可以制造的给定蛋白质的数量。”

RNA的扩增能力再次归因于该分子的灵活性。因为RNA可以折叠成各种形状,所以它可以产生运行该复印机所需的mRNA和tRNA构象。 DNA无法做到。 

研究前沿

RNA不仅可以存储许多病毒的遗传信息,而且还可以帮助科学家对抗那些相同的入侵者。生物学家亚历克西斯·胡博德(Alexis Hubaud)写道,拟议的基于RNA的疫苗将使用注射的mRNA来告诉人的身体制造抗原,而抗原是触发免疫反应的物质。 哈佛大学研究生院博客。他对Live Science说:“这是如今开发抗COVID-19疫苗的最流行方法之一。” COVID-19候选疫苗,例如 由Moderna制造的 辉瑞公司则采用这种方法。

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其他潜在的RNA治疗应用可以使用注射的mRNA来告诉人体,在缺乏编码该蛋白质基因的患者中,例如在患有糖尿病的人中, 血友病。 “几年前,人们会说这很疯狂—他说:“如果您有缺陷,我将为您提供健康的信使RNA。”但是,这现在是最令人兴奋的研究领域之一。 

2020年6月的突破也使RNA研究人员兴奋不已, 科学家报道。结果表明,消除RNA结合蛋白可将其他细胞转变为神经元,对诸如 老年痴呆症, 他说。

他说:“这也令人兴奋,因为从根本上说它表明RNA可以对细胞命运产生巨大影响。”

其他资源: 

  • 了解生物技术公司正在进行的RNA疫苗试验的信息 Moderna网站.
  • 了解有关CRISPR的RNA编辑替代品的信息 Nature.com.
  • 了解一些研究人员如何挑战RNA世界假说 广达杂志.
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