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核糖核酸

由至少十几个核糖核苷酸通过磷酸二酯键连接而成的一类生物大分子，因含核糖而得名
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核糖核酸（英语：ribonucleic acid，缩写：RNA）是一类由核糖核苷酸通过3',5'-磷酸二酯键聚合而成的线性大分子[1]。自然界中的RNA通常是单链的，且RNA中最基本的四种碱基为腺嘌呤（A）、尿嘧啶（U）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）[注 1]，相对的，与RNA同为核酸的DNA通常是双链分子，且其含有的含氮碱基中将RNA的尿嘧啶替换为胸腺嘧啶（T）。

mRNA的球棍模型，其中灰色小球代表碳原子，红色小球代表氧原子，蓝色小球代表氮原子，橘色小球代表磷原子
图为mRNA前体上的一段茎环结构。含氮碱基以绿色表示，而磷酸-核糖骨架则以蓝色表示。注意茎（双链）结构是由一条RNA单链通过折叠形成

RNA有着多种多样的功能，可在遗传编码、翻译、调控、基因表达等过程中发挥作用。按RNA的功能，可将RNA分为多种类型。比如，在细胞生物中，mRNA（传讯RNA）为遗传讯息的传递者，它能够指导蛋白质的合成。因为mRNA有编码蛋白质的能力，它又被称为编码RNA。而其他没有编码蛋白质能力的RNA则被称为非编码RNA（ncRNA）。它们经由催化生化反应，或透过调控或参与基因表达过程发挥相应的生理功能。比如，tRNA（转运RNA）在翻译过程中起转运RNA的作用，rRNA（核糖体RNA）于翻译过程中起催化肽链形成的作用，sRNA（小RNA）起到调控基因表达的作用。此外，RNA病毒甚至以RNA作为它们的遗传物质。

RNA通常由DNA经由转录生成。RNA在细胞中广泛分布，真核生物的细胞核、细胞质、线粒体中都有RNA[2]:36。

与DNA的比较

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RNA分子中的含氮碱基
 
50S核糖体亚单位的3D结构示意图。rRNA以土黄色表示，蛋白质以蓝色表示。活性位点为rRNA的一个小片段，以红色标出

RNA的分子结构与DNA非常相似，但是，两者有以下三个主要不同点：

  • 与通常是双链的DNA不同，RNA通常是单链的，而且长度一般比DNA短得多[3][4]。不过，单链RNA可以通过折叠形成双链接构（这样的双链接构亦被称为“茎”），tRNA中即有这样的结构。
  • DNA中的戊糖为脱氧核糖，而RNA中的戊糖为核糖[5]，其区别在于，脱氧核糖的2位碳上连接的是氢原子，而核糖的2位碳上连接的是羟基）。2位碳上的羟基降低了RNA的稳定性，因为它使得RNA更易被水解。
  • 在DNA中，与腺嘌呤（A）互补的含氮碱基是胸腺嘧啶（T），而在RNA中，与腺嘌呤（A）互补的含氮碱基是尿嘧啶（U），它比胸腺嘧啶少了一个甲基[6]。

与DNA相似，大部分有生物活性的RNA，包括mRNA、tRNA、rRNA、snRNA，以及其他一些非编码RNA，虽然是单链，但含有自我互补的序列，能使得它们能进行折叠[7]，形成互补双链接构（茎）。对RNA的分析表明，它们有着相对更复杂的结构。和DNA不同，RNA的二级结构并不是单纯的双螺旋，而由一系列短的二级结构构成。通过这些短的二级结构的组合，RNA甚至可以拥有与蛋白质相似的结构，并像酶那样催化化学反应（这样的RNA被称为核酶）[8]。比如，对核糖体进行分析表明，其催化成肽反应的活性位点完全由RNA构成[9]。

DNA与RNA的比较
本模板：
项目 DNA RNA 解说
组成主干之糖类分子[10] 2-脱氧核糖和磷酸 核糖和磷酸
骨架结构 规则的[需要较佳来源][11]:50双螺旋结构[12] 单螺旋结构[需要较佳来源][12] 或茎环结构[13] 即脱氧核糖核酸由两条脱氧核苷酸链构成，而核糖核酸由一条核糖核苷酸链构成。[11]:49
核苷酸数 通常上百万 通常数百至数千个
碱基种类[14][12] 腺嘌呤（A）··· 胸腺嘧啶（T）
胞嘧啶（C）··· 鸟嘌呤（G）		 腺嘌呤（A）··· 尿嘧啶（U）
胞嘧啶（C）··· 鸟嘌呤（G）		 除部分例外，DNA为胸腺嘧啶（5-甲基尿嘧啶），RNA为尿嘧啶，使RNA更易被水解。
五碳糖种类[12] 脱氧核糖 核糖
五碳糖连接组成分 氢原子 羟基 在五碳糖的第二个碳原子上连接的组成分不同。
存在于（对于真核细胞而言）[12] 细胞核（少量存在于线粒体、叶绿体） 细胞质


结构

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siRNA（小干扰RNA）中的碱基互补配对（图中省略了氢原子）

RNA的单体为核糖核苷酸，其中的戊糖为核糖，依系统命名法可将其中的碳原子从1'编号至5'。含氮碱基与1'碳原子相连。RNA中最基本的四种碱基分别为A（腺嘌呤）、U（尿嘧啶）、G（鸟嘌呤）、C（胞嘧啶）。其中，腺嘌呤和鸟嘌呤为双环的嘌呤，尿嘧啶和胞嘧啶为单环的嘧啶。磷酸基团与一个核糖残基的3'碳原子相连，与下一个核糖核苷酸的5'碳原子相连。磷酸基团在生理pH下，并不都能带上负电荷，因而RNA在生理条件下是带电荷分子（聚阴离子）。C和G、U和A、G和U之间能够形成氢键[15]。不过，碱基之间也可能发生其他一些相互作用。比如，在一个凸出部分中，一群腺嘌呤可以互相连接[16]，GNRA四环Tetraloop（英语：Tetraloop）中有一个G-A碱基对[15]。

 
RNA的分子结构

核糖的2位碳上连有羟基为RNA的一个重要结构特点。这类羟基使得RNA双链的结构应与A型构象最接近[17]，不过，在单链的某些二核苷酸环境下，也有极小的可能形成DNA最常见的B型螺旋构象[18]。A型构象使得RNA双链的大沟狭窄而深，小沟浅而宽[19]。在RNA分子的构象高度可变区域（即不生成双链接构的区域），2'-OH还能攻击附近的磷酸二酯键，使得核糖-磷酸链断裂[20]。

 
端粒酶RNA的二级结构

通过转录，仅仅能使RNA链上带A、U、G、C四种含氮碱基[21]不过，转录后修饰能够通过多种途径对RNA进行改造。比如，转录后修饰能够将稀有碱基假尿嘧啶（英语：Pseudouridine）（Ψ）加到RNA链上。假尿嘧啶与核糖之间的化学键是C-C键而不是尿嘧啶（U）的C-N键。胸腺嘧啶加到RNA链上的情形也很常见（最典型的例子是tRNA的TΨC环）[22]。另外，次黄嘌呤也是一种常见的稀有碱基。次黄嘌呤为腺嘌呤的脱氨产物，含有次黄嘌呤的核苷被称为肌苷（I）。在基因编码的摆动假说中，肌苷有重要的作用[23]。

除以上列出的之外，经过编辑的核苷还有100多种[24]。由修饰引发的结构性变化在tRNA中最为明显[25]，假尿嘧啶与经常在rRNA中出现2'-甲氧基核糖（英语：2'-O-methylation）是最常见的修饰产物[26]。这些修饰的具体作用还没有完全阐明。不过，值得注意的是，在rRNA中，许多的转录后修饰发生在高度功能化的区域，比如肽基转移酶催化中心以及亚基结合部位，似乎说明转录后修饰对RNA发挥正常功能来说相当重要[27]。

具有催化功能的单链RNA分子，和蛋白质相类似，需要特殊的RNA三级结构。通过分子内氢键形成的二级结构原件构成了三级结构的框架。二级结构形成了许多可识别的“结构域”——比如茎环结构、膨大结构（bulges）、内环结构[28]。因为RNA分子带电荷，不少二级结构和三级结构需要Mg2+等金属离子来进行稳定[29]。

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-核糖核苷酸则可合成L-RNA。L-RNA对RNA酶的耐受力要强得多[30]。

合成与修饰

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主条目：转录和转录后修饰

RNA的合成一般由RNA聚合酶催化。RNA聚合酶以DNA为模板，通过转录合成RNA。转录起始于RNA聚合酶与启动子的结合（启动子一般位于基因的上游）。因为RNA聚合酶自带解旋酶活性，仅依靠RNA聚合酶即可实现DNA双链的解开。转录过程中，RNA聚合酶以3'端至5'端的方向读取DNA模板链，并以5'端到3'端的方向合成与之反向平行互补的RNA链。转录的终止由终止子介导。原核生物的终止子有两类：简单终止子与ρ因子依赖性终止子。简单终止子仅靠RNA形成二级结构即可终止转录，而后者在ρ因子的作用下才可以使转录终止。真核生物的转录终止则与转录后修饰密切相关[2]:323[31][32]:531-535。

在真核生物中，RNA的初始转录物（英语：Primary transcript）通常会经过转录后修饰。比如，真核生物的mRNA大都会被加上Poly(A)尾（多腺嘌呤尾巴）以及5'端帽，mRNA前体中含有的内含子序列也会被剪接体切除[32]:580-581。

一些RNA是由RNA复制酶（RNA依赖性RNA聚合酶）以RNA为模板催化合成的。比方说，RNA病毒通过RNA复制酶复制其遗传物质[33]。另外，RNA复制酶亦参与了众多生物体的RNA干涉过程[34]。

分类

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在细胞中，根据结构功能的不同，RNA主要分三类，即tRNA、rRNA，以及mRNA。mRNA是依据DNA序列转录而成的蛋白质合成模板；tRNA是mRNA上遗传密码的识别者和氨基酸的转运者；rRNA是组成核糖体的部分，而核糖体是蛋白质合成的机械。

细胞中还有许多种类和功能不一的小型RNA，像是组成剪接体（spliceosome）的snRNA，负责rRNA成型的snoRNA，以及参与RNAi作用的miRNA与siRNA等，可调节基因表达。而其他如I、II型内含子、RNase P、HDV、核糖体RNA等等都有催化生化反应过程的活性，即具有酶的活性，这类RNA被称为核酶。

调控RNA

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许多种类的RNA，能够透过与mRNA或DNA上的基因片段，部分互补的方式，来调降基因表达。例如在真核Heidi nt)，能引发RNA干扰。miRNA与酵素复合体，会切碎mRNA，阻止该mRNA被翻译，或加速其降解。[35][36]

虽然小干扰RNA(siRNA; 20-25 nt)的产生，通常是由分解病毒RNA得到，然而也存在内源性的siRNA。[37][38]而siRNA引发RNA干扰的机制类似miRNA，有些miRNA和siRNA，能造成其目标基因被甲基化，从而促进或抑制该基因的转录。.[39][40][41]此外，在动物生殖细胞内，所活跃的Piwi-interacting RNA(piRNA; 29-30 nt)，被认为能预防转座子，并在配子的发生上，扮演重要角色。[42][43]

许多的原核生物，具有CRISPR RNAs，其作用机制类似于真核生物的RNA干扰。[44]其中反义RNA(Antisense RNAs)是最常见的，大多数能调降基因表达，但也有少部分会激活转录进行。[45]反义RNA的作用机制之一，是借由与mRNA互补配对，来形成双股RNA，而被酵素降解。[46]此外，在真核细胞内，也许多能调控基因的非编码RNA，[47]一个常见的例子是Xist，它会附在雌性哺乳动物的其中一个X染色体上，造成其去激活。[48]

一段mRNA自身可能带有调控元件，例如riboswitches，在其五端非翻译区(5' untranslated region)或三端非翻译区(3' untranslated region)，包含有顺式作用元件(cis-regulatory elements)能够调控该mRNA的活性。[49]此外，非编码区上也有可能带有，能调控其它基因的调控元件。[50]

修饰其它RNA

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一种的常见RNA修饰，尿苷(Uridine)被转换成假尿苷(Pseudouridine)。

许多的RNA会帮助修饰其它RNA。如前信使RNA(pre-mRNA)中的内含子，会被含有许多核小RNA(snRNA)的剪接体剪接。[6]或者RNA本身能作为核酶，剪接自己的内含子。[51]

RNA上的核苷酸也可能被修饰，变成非A、U、G、C的核苷酸。在真核细胞中，RNA上核苷酸的修饰，通常是由在细胞核与卡哈尔体中发现的，小核仁RNA(snoRNA; 60-300 nt)所主导。[52]snoRNA会连结酵素，并以碱基对的方式，引导它们去接上RNA，之后酵素便开始RNA核苷酸的修饰。碱基修饰广泛发生于rRNA与tRNA中，然而snRNA与mRNA也有可能是碱基修饰的目标。[53][54]此外，RNA也可能被甲基化。[55][56]

RNA基因组

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如同DNA，RNA也可以携带遗传信息。RNA病毒的基因组由RNA组成，可以翻译出多种蛋白质，其中一些负责基因组的复制，而其它的则作为保护构造，在病毒离开宿主细胞后，保护基因组。类病毒是另一种类型的病原体，但它们仅由RNA组成，且该RNA并不会翻译出任何蛋白质，并利用宿主的聚合酶来复制。[57]

逆转录

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逆转录病毒借由将RNA逆转录成为DNA，DNA副本再转录为RNA的方式，来复制他们的基因组。逆转录转座子也利用此方法，来复制DNA与RNA，以完成转座。[58]此外，真核细胞内的端粒酶，也包含一个作为模板的RNA，利用它来延长染色体端粒。[59]

双链RNA

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双链RNA(dsRNA)是指具有两个互补链的RNA，与细胞中的DNA结构相似，它也是某些病毒(双链RNA病毒)的遗传物质。双链RNA如病毒RNA或小干扰RNA(siRNA)，可以触发真核生物的RNA干扰，以及脊椎动物的干扰素反应。[60][61][62][63]

一般的双链RNA是一条RNA折叠互补的。

发现史

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罗伯特·威廉·霍利(左侧)及其研究团队合影。

与RNA相关的研究，造就了许多生物学的发现，以及诺贝尔奖。而核酸于1868年由弗雷德里希·米歇尔发现，当时他将该物质称作“核素”，因为它是在细胞核中被找到的。[64]但不久后，科学家也在没有细胞核的原核生物中，也发现了核酸。此外，早在1939年就有人怀疑，RNA在蛋白质合成中所扮演的角色。[65]塞韦罗·奥乔亚与阿瑟·科恩伯格，因为在实验室内发现了，能够合成RNA的酵素，而获得1959年的诺贝尔生理学或医学奖[66]然而，之后的研究显示，由他们所发现的酵素多核苷酸磷酸化酶（英语：Polynucleotide Phosphorylase），是负责RNA降解，而非RNA合成。

罗伯特·威廉·霍利于1965年，发现酵母菌里大小为77个核苷酸的tRNA序列，[67] 并于1968年与哈尔·葛宾·科拉纳以及马歇尔·沃伦·尼伦伯格共同获得了诺贝尔生理或医学奖。在1967年，卡尔·乌斯推测RNA可能具有催化能力，并提出建议指出，最早的生命形式（自我复制的分子）可能依赖于RNA，来携带遗传信息和催化生化反应，即RNA世界学说。[68][69]

逆转录病毒及逆转录酶，于1970年代早期被发现的，使人们了解到RNA能被逆转录为DNA（与中心法则的一般情况，DNA转录为RNA相反）。 这项发现，使戴维·巴尔的摩、罗纳托·杜尔贝科与霍华德·马丁·特明，共同获得了1975年的诺贝尔生理学或医学奖。此外在1976年，瓦尔特·菲尔斯（英语：Walter Fiers）以及他的团队，首度确定了RNA病毒完整基因组的碱基序列(噬菌体MS2)。[70]

在1997年，菲利普·夏普与理察·罗伯茨，因为发现哺乳类动物病毒及细胞基因中，具有内含子且会发生RNA剪接，而获得1993年的诺贝尔生理学或医学奖。具有催化功能的RNA（核酶）在1980年代早期被发现，而使得托马斯·切赫与西德尼·奥尔特曼，获得1989年的诺贝尔化学奖。而1990年所发现在碧冬茄属上，导入基因会静默植物体自身相似的基因的现象，现今被认为是RNA干扰的结果。[71][72]

且大约在同时，大小约22个核苷酸的RNA(现在被称为微RNA)，被发现在线虫的发育上，扮演重要角色。[73]而于RNA干扰的研究，让安德鲁·法厄与克雷格·梅洛，获得了2006年的诺贝尔生理学或医学奖；而同年的诺贝尔化学奖，由罗杰·科恩伯格获得，得奖原因也与RNA相关（在RNA转录上的研究）。此外调控RNA的发现，促使了RNA药物的开发，如利用小干扰RNA来静默目标基因。[74]

参见

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注释

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  1. ^ 通过转录后修饰，RNA可能会带上假尿嘧啶（英语：Pseudouridine）（Ψ）这样的稀有碱基

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外部链接

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