RNA不僅是DNA鮮為人知的表親，而且在將遺傳信息轉(zhuǎn)化為人類蛋白質(zhì)的過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。這種非凡的分子還攜帶許多病毒的遺傳指令，這可能有助于生命的開始。

中心法則

核糖核酸是核糖核酸的縮寫，核糖核酸是脫氧核糖核酸的縮寫。DNA一起構(gòu)成了被認(rèn)為對生命至關(guān)重要的三種或四種主要“大分子”之一。(其他還有蛋白質(zhì)和脂類。許多科學(xué)家也將碳水化合物歸入這一類。大分子是非常大的分子，通常由重復(fù)的亞單位組成。RNA和DNA由稱為核苷酸的亞單位組成。

兩個核酸結(jié)合產(chǎn)生蛋白質(zhì)。利用核酸中的遺傳信息產(chǎn)生蛋白質(zhì)的過程對生命非常重要，生物學(xué)家稱之為分子生物學(xué)的“中心教條”。俄勒岡州立大學(xué)表示，教條描述了生物體內(nèi)遺傳信息的流動。他說，DNA信息被寫入或“轉(zhuǎn)錄”成RNA信息，而RNA信息被寫入或“翻譯”成RNA。蛋白質(zhì)。

“RNA基本上是一種連接DNA和蛋白質(zhì)的生物分子，”芝加哥大學(xué)研究RNA修飾的生物學(xué)家賀娟告訴《生活科學(xué)》。

RNA字母

RNA和DNA儲存和復(fù)制信息的能力取決于分子中重復(fù)的核苷酸亞單位。核苷酸以特定的序列組織，可以像單詞中的字母一樣閱讀。

每個核苷酸有三個主要部分:糖分子、磷酸基團(tuán)和稱為核堿基或堿基的環(huán)狀化合物。來自不同核苷酸單位的糖通過磷酸橋連接，形成RNA或DNA分子的重復(fù)聚合物，就像一條項(xiàng)鏈，糖珠通過磷酸鏈連接。

正如美國國家人類基因組研究所所描述的那樣，附著在糖上的核酸堿基構(gòu)成了構(gòu)建蛋白質(zhì)所需的序列信息。RNA和DNA分別有四個堿基的集合:DNA中的腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶，RNA中的尿嘧啶被換成胸腺嘧啶。四個堿基組成了分子的字母，所以用字母來表示:A代表腺嘌呤，G代表鳥嘌呤，以此類推。

遺傳詞匯

然而，RNA和DNA不僅可以編碼“字母”序列，還可以做更多的事情。他們也可以復(fù)制它們。這是可能的，因?yàn)橐粭lRNA或DNA鏈的堿基可以粘在另一條鏈的堿基上，但只能以一種非常特殊的方式。堿基只與“互補(bǔ)”的配偶體相連:RNA中的C到G和A到DNA中的A到T)。因此，DNA被用作RNA分子轉(zhuǎn)錄的模板，RNA分子反映編碼它的DNA序列。

根據(jù)麻省大學(xué)的研究，一種叫做信使RNA(mRNA)的RNA利用這種復(fù)制功能將遺傳數(shù)據(jù)從DNA轉(zhuǎn)移到核糖體(核糖體，細(xì)胞的蛋白質(zhì)生產(chǎn)成分)。核糖體“閱讀”mRNA序列，以確定蛋白質(zhì)亞單位(氨基酸)加入生長中的蛋白質(zhì)分子的順序。

另外兩種RNA物種完成了這一過程:轉(zhuǎn)移RNA(tRNA)將mRNA指定的氨基酸帶入核糖體，而構(gòu)成大部分核糖體的核糖體RNA(rRNA)將氨基酸連接在一起。

RNA作為酶

科學(xué)家認(rèn)為，RNA的中心教條活性對分子的定義非常重要。但是自從生物學(xué)家西德尼·奧爾特曼和托馬斯·r·切赫在20世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn)RNA可以像蛋白質(zhì)一樣工作以來，關(guān)于RNA是什么以及它能做什么的想法已經(jīng)大大擴(kuò)展了。研究人員因他們的發(fā)現(xiàn)獲得了1989年的諾貝爾化學(xué)獎。)

蛋白質(zhì)是體內(nèi)大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)的關(guān)鍵成分，尤其是酶，部分原因是這些分子可以實(shí)現(xiàn)驚人的形狀或構(gòu)象。(酶是促進(jìn)和催化化學(xué)反應(yīng)的蛋白質(zhì)。與DNA不同，RNA也可以發(fā)生一定程度的變形，因此可以作為基于RNA的酶或核酶。生物學(xué)家Merlin Crossley在Talk中寫道，RNA比DNA更靈活，部分原因是RNA核糖上過量的氧使分子不穩(wěn)定。脫氧核糖中的“脫氧”是指DNA中缺少1-氧。

根據(jù)一些研究人員的說法，最重要的基于RNA的催化活性發(fā)生在核糖體中，其中rRNA(一種核酶)介導(dǎo)添加到蛋白質(zhì)中的氨基酸的生長。其他核酶包括小核RNA(snRNA)，它可以將mRNA剪接成可用的形式，以及M1 RNA，這是最早已知的核酶之一，也可以切割細(xì)菌tRNA。

RNA的監(jiān)管動物園

他說，在過去的30年里，隨著研究人員發(fā)現(xiàn)了一系列功能完全不同的RNA:調(diào)控基因，已知的RNA品種數(shù)量激增。他說:“有一整套RNA起著關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用?！庇绊懩男┗虻谋磉_(dá)以及表達(dá)的速率。

在2017年發(fā)表在《國際生物醫(yī)學(xué)雜志》上的一篇評論中，研究人員寫道:“近年來，生物學(xué)領(lǐng)域幾乎沒有像RNA分子生物學(xué)那樣發(fā)生徹底的變化?！弊髡邔懙?，最重要的是短干擾RNA(siRNA)、微小RNA(miRNA)和piwi相互作用RNA(piRNA)。

SiRNA和miRNA通過附著在mRNA上的互補(bǔ)序列“沉默”基因。正如2010年發(fā)表在《當(dāng)代基因組學(xué)》雜志上的一篇綜述中所述，調(diào)控RNA然后激活蛋白質(zhì)復(fù)合物，該復(fù)合物可以切割mRNA或阻止其翻譯。根據(jù)2009年發(fā)表在《細(xì)胞》雜志上的一篇綜述，siRNA針對病毒基因等入侵性遺傳物質(zhì)，而miRNA則調(diào)控生物體本身的基因。根據(jù)2014年發(fā)表在《發(fā)展》雜志上的2014年綜述，piRNA具有類似的沉默功能，但它在性細(xì)胞中起著特殊的作用。它針對遺傳物質(zhì)的可移動位置，稱為“轉(zhuǎn)座子”元件，可以使基因發(fā)生變異。

什么是轉(zhuǎn)基因？

RNA調(diào)控的其他參與者包括越來越長的非編碼RNA(lncRNA)，它們通過與稱為染色質(zhì)和蛋白質(zhì)復(fù)合物的DNA結(jié)合來影響基因，如2019年發(fā)行的非編碼RNA中所述。LncRNA可以激活或失活染色質(zhì)部分，從而將DNA包裝成致密的細(xì)胞形式，使染色質(zhì)中的基因得到表達(dá)或抑制。根據(jù)2020年《細(xì)胞與發(fā)育生物學(xué)前沿》(Frontiers in Cell and Development Biology)的一篇綜述，增強(qiáng)子RNA具有與上述大多數(shù)相反的作用，通過未知的機(jī)制增加一些基因的表達(dá)。

其他類型的RNA也出現(xiàn)在其他生物中。例如，細(xì)菌宿主miRNA和siRNA的類似物被稱為小RNA調(diào)節(jié)劑(sRNA)。在細(xì)菌和古細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)的基因編輯CRISPR-Cas9系統(tǒng)的一部分也依賴于RNA，RNA與識別入侵者的所謂CRISPR DNA序列結(jié)合。

'RNA世界'

RNA在功能和形式上的多樣性有助于激發(fā)被稱為“RNA世界”假說的想法。

生物依靠令人震驚的DNA、RNA和蛋白質(zhì)系統(tǒng)來傳遞遺傳信息，科學(xué)家們長期以來一直想知道這個系統(tǒng)是如何以早期生命的形式出現(xiàn)的。他說，RNA提供了一個合理的答案:這種分子不僅可以儲存遺傳信息，還可以催化反應(yīng)，這表明早期的簡單生物可能只依賴于RNA。

他說:“這是混血兒?！薄耙虼?，從一開始就說得通?！?/p>

此外，他說，核糖核酸的糖基通常更容易出現(xiàn)在生物體中。然后脫氧核糖由核糖產(chǎn)生。他說:“因此，這意味著你的生命中必須有核糖、RNA，然后是DNA?！?/p>

從更簡單的RNA開始，可能會出現(xiàn)更復(fù)雜的生命周期，更穩(wěn)定的DNA將進(jìn)化成長期庫，蛋白質(zhì)將被開發(fā)為更有效的催化劑。

為什么要使用RNA？

在從DNA到蛋白質(zhì)的過程中，RNA本質(zhì)上是充當(dāng)中間人的角色，那么為什么不消除RNA之間的差距，直接從DNA轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)呢？他說，簡單的生命形式(如DNA病毒)會做到這一點(diǎn)。類似地，一些最臭名昭著的病毒——艾滋病毒、普通感冒病毒、流感病毒和新冠肺炎病毒——將它們所有的遺傳信息保存在RNA中，沒有DNA的前身。

他說，更復(fù)雜的生物需要做更多的基因調(diào)控。因此，它們的基因組大多不編碼蛋白質(zhì)，而是編碼基因組中調(diào)控其他序列的部分。例如，啟動子可以開啟或關(guān)閉基因?！澳悴幌氚讶祟惢蚪M的30億個堿基對轉(zhuǎn)換成蛋白質(zhì)序列，”他說。他說，在許多無法編碼所需人類蛋白質(zhì)的序列上消耗細(xì)胞資源將是“巨大的浪費(fèi)”。RNA只能將遺傳序列的蛋白質(zhì)編碼位點(diǎn)轉(zhuǎn)錄成mRNA中介。

基因研究

此外，mRNA提供了一種微調(diào)基因輸出的便捷方式。非盈利組織RNA Society表示:“RNA是DNA的復(fù)印件?！薄爱?dāng)一個細(xì)胞需要產(chǎn)生某種蛋白質(zhì)時，它…以信使RNA的形式產(chǎn)生DN段的多個拷貝…因此，RNA擴(kuò)大了一次可以制造的給定蛋白質(zhì)的數(shù)量。”

RNA的擴(kuò)增能力再次歸因于分子的柔性。因?yàn)镽NA可以折疊成各種形狀，所以它可以產(chǎn)生運(yùn)行復(fù)印機(jī)所需的mRNA和tRNA構(gòu)象。DNA做不到。

研究前沿

RNA不僅可以儲存許多病毒的遺傳信息，還可以幫助科學(xué)家對抗同樣的入侵者。生物學(xué)家亞歷克西斯·胡博德(Alexis Hubaud)在哈佛研究生院的博客上寫道，擬議中的基于RNA的疫苗將使用注射的mRNA來告訴人們制造抗原，抗原是引發(fā)免疫反應(yīng)的物質(zhì)。他告訴《生活科學(xué)》:“這是開發(fā)抗新冠肺炎疫苗最流行的方法之一?！焙蜻x的新冠肺炎疫苗如Moderna和Pfizer都采用這種方法。