RNA二級結(jié)構(gòu)及其在系統(tǒng)發(fā)育學(xué)中的應(yīng)用

杜燕紅　唐發(fā)輝　趙元莙

摘要：RNA是生物機體的重要構(gòu)成物質(zhì)之一，除執(zhí)行各種生命基本活動之外，對于生物的系統(tǒng)發(fā)育學(xué)研究有著重要的意義。本研究從RNA分子的簡介、RNA二級結(jié)構(gòu)的特征、RNA二級結(jié)構(gòu)的預(yù)測及其在生物系統(tǒng)發(fā)育學(xué)中的應(yīng)用及最新研究動態(tài)等方面進行了梳理與綜述，旨在為中小學(xué)生物素質(zhì)教育提供參考資料。

關(guān)鍵詞：RNA，二級結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)學(xué)，應(yīng)用

中圖分類號：G642.41 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）50-0201-02

一、RNA的簡介

RNA是生物系統(tǒng)內(nèi)執(zhí)行各種生命活動機能的重要分子之一，尤其在HIV等病毒體中，是由RNA而非DNA攜帶遺傳信息。RNA大多數(shù)情況下主要以單鏈形式存在（除了小部分的RNA病毒以雙鏈存在），但這種單鏈形式的產(chǎn)生不是偶然，而是在堿基堆積作用下，使單鏈結(jié)構(gòu)其中個別區(qū)段借助堿基的互補配對，將自身折疊并且形成一個短的雙螺旋區(qū)。這種RNA短雙螺旋結(jié)構(gòu)和單一的未配對鏈結(jié)構(gòu)，與DNA雙鏈雙螺旋結(jié)構(gòu)進行對比，其穩(wěn)定性明顯差很多。但正是這一穩(wěn)定的特點，使RNA能形成更復(fù)雜的二級結(jié)構(gòu)。除了“A=U”和

“G≡C”配對之外，還存在一些非典型的配對，如“G=U”配對等，以此來維持其在二維或二維空間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[1，2]。

二、RNA二級結(jié)構(gòu)的特征

RNA分子結(jié)構(gòu)一般分為一級、二級、三級和四級結(jié)構(gòu)四種。正如前文所述，RNA分子中共有四種不同的核苷酸，并按不同順序排列在一起便形成RNA的一級結(jié)構(gòu)。RNA分子中存在很多由互補堿基對構(gòu)成的單鏈區(qū)結(jié)構(gòu)、莖環(huán)結(jié)構(gòu)，以及雙鏈結(jié)構(gòu)等各種不同的組件形成的平面結(jié)構(gòu)，并通過這些結(jié)構(gòu)來進行自我折疊所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)即為RNA二級結(jié)構(gòu)。RNA二級結(jié)構(gòu)是RNA分子在自然條件下自身形成的各種形式的回折，在不同的堿基互補對莖區(qū)之間，以非匹配的環(huán)區(qū)形式和最頂部單鏈形式兩者交替出現(xiàn)的莖環(huán)結(jié)構(gòu)。這些莖環(huán)結(jié)構(gòu)又會形成一些子結(jié)構(gòu)，亦稱RNA二級結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)元件，正是這些按一定規(guī)律組合在一起的元件才構(gòu)成了各種RNA完整的二級分子結(jié)構(gòu)。這個復(fù)雜的形成過程里面，有三對堿基作為研究的重點，即AU堿基對、GC堿基對和GU堿基對。所謂的莖區(qū)結(jié)構(gòu)就是一部分雙螺旋區(qū)域是由兩方面組織：一部分是堿基互補對的形式構(gòu)建起來的；另一部分是其余被隔離在雙螺旋區(qū)域之外且沒有堿基對的單鏈則形成了環(huán)結(jié)構(gòu)。而RNA二級結(jié)構(gòu)的環(huán)結(jié)構(gòu)則主要包括發(fā)卡環(huán)、膨脹環(huán)、內(nèi)環(huán)和多分支環(huán)等結(jié)構(gòu)[2]。因此，對RNA二級結(jié)構(gòu)的莖環(huán)等結(jié)構(gòu)的比較研究，可對不同生物間的系統(tǒng)進化關(guān)系進行深入的探討。

三、RNA二級結(jié)構(gòu)的預(yù)測

2006年，諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎授予給美國斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院的安德魯·菲爾和麻省理工大學(xué)醫(yī)學(xué)院的克雷格·梅洛，以表彰他們發(fā)現(xiàn)了的巨大成果——雙鏈RNA引發(fā)的基因沉默[3]。這也使得國際上對RNA在生物信息上的相關(guān)研究引起關(guān)注并持續(xù)升溫，關(guān)于生物分子的功能通常和結(jié)構(gòu)有緊密的聯(lián)系也引來了越來越多的研究人員開始關(guān)注，尤其是RNA的二級結(jié)構(gòu)和三級結(jié)構(gòu)。根據(jù)不同的預(yù)測原理，核酸序列二級結(jié)構(gòu)的預(yù)測算法可大致分為四類，而最小自由能法在序列較短時能保證所預(yù)測結(jié)構(gòu)的相對準(zhǔn)確性，且操作相對簡單，可以直接用軟件或提交到相關(guān)網(wǎng)站預(yù)測。因此，最小自由能方法是幾種方法中應(yīng)用最廣，也是被大多數(shù)學(xué)者所接受與采用的預(yù)測方法之一[4]。

四、RNA二級結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)發(fā)育學(xué)研究中的應(yīng)用

為了探索最接近自然的生物系統(tǒng)進化關(guān)系，大多數(shù)的生物學(xué)家都大力去尋求各種具有進化保守性、普遍存在性及廣泛適用性等特點的生物分子或基因標(biāo)記。相對于其他基因，RNA基因，如18S rRNA基因序列在生物進化歷程中較為保守、長度適中、信息充足、容易獲得、廣泛分布于幾乎所有生物，因此目前成為用于生物系統(tǒng)進化應(yīng)用最為廣泛的基因[5-12]。相對于RNA一級結(jié)構(gòu)，RNA二級結(jié)構(gòu)是由RNA單鏈自身回折而形成部分堿基配對和單鏈交替出現(xiàn)的莖環(huán)結(jié)構(gòu)；部分研究認為RNA二級結(jié)構(gòu)比其一級結(jié)構(gòu)在進化上具有更大的保守性，故逐漸被不同領(lǐng)域的生物學(xué)家用于相應(yīng)生物類群的系統(tǒng)發(fā)育學(xué)研究。RNA二級結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫目前已經(jīng)形成并收集保存了部分微生物與真菌等RNA二級結(jié)構(gòu)全框架[5-7]，因此RNA二級結(jié)構(gòu)也成為分類和系統(tǒng)發(fā)育學(xué)家重點關(guān)注的對象。在生物系統(tǒng)發(fā)育學(xué)的研究中，已有大量研究表明：核酸序列的二級結(jié)構(gòu)比一級結(jié)構(gòu)更為保守。因此，一些核酸序列二級結(jié)構(gòu)預(yù)測的圖形分析已廣泛應(yīng)用于真菌和原核生物的分類鑒定中[5-7]。在植物學(xué)研究領(lǐng)域，通過RNA二級結(jié)構(gòu)分析方法將其推廣應(yīng)用在植物系統(tǒng)學(xué)研究方面[8]。在動物學(xué)研究領(lǐng)域中的RNA二級結(jié)構(gòu)的研究涉及更廣泛，涉及各類原生動物與后生動物的相關(guān)RNA二級結(jié)構(gòu)的研究，主要集中了動物的分類、系統(tǒng)進化和發(fā)育關(guān)系的探討[9-12]。

五、問題與展望

盡管當(dāng)前是正處于后基因組學(xué)研究的時代，但是目前基因組學(xué)的研究為系統(tǒng)發(fā)育學(xué)提供的數(shù)據(jù)相對有限，而RNA二級結(jié)構(gòu)對于解決系統(tǒng)發(fā)育學(xué)中的系列問題卻優(yōu)勢顯著，故在未來的研究工作中，對其進行縱深方面的拓展是亟需且必要的。

參考文獻：

[1]蘇榮健，王順.細胞與分子生物學(xué)[M].科學(xué)出版社，2016.

[2]鄭曉飛.RNA結(jié)構(gòu)與生物信息和記憶[J].生命科學(xué)，2016，（5）：557-561.

[3]金由辛.雙鏈RNA引發(fā)了基因沉默——評2006年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎[J].自然雜志，2006，28（6）：321-325.

[4]劉海軍.RNA二級結(jié)構(gòu)預(yù)測的建模及其應(yīng)用研究[D].上海大學(xué)博士學(xué)位論文，2005.

[5]陳國忠，等.16S rRNA二級結(jié)構(gòu)可變區(qū)圖形分析在放線菌分類中的應(yīng)用[J].微生物學(xué)通報，2006，33（2）：184-187.

[6]劉超洋，莊文穎.rRNA二級結(jié)構(gòu)序列用于真菌系統(tǒng)學(xué)研究的方法初探[J].菌物學(xué)報，2007，26（1）：22-31.