為什麼 RNA 雙鏈很穩定,但是生物體內 RNA 都是單鏈的呢?

怎麼樣確保生物體中兩條RNA不因為鹼基互補配對而結合呢?


Abstract: 這件事也是要先問是不是,再問為什麼。很多很多很多RNA都不是單鏈的。

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Oct 3 2016: @劉健恆 給了很好的補充,dsRNA術語的使用可能和更廣泛的生物學領域不太一致,不過瑕不掩瑜。

匿名用戶簡直有點沒完沒了。我不是反駁觀點上的不一致,而是反駁事實上的錯誤。科學不是站隊。

匿名答案的問題在於常識性錯誤(1)、科學素養不足(2,3)和理解和表述能力匱乏(4,5)——或者也可能是單純的為了撕而撕?(P.S.我是就事論事,請不要自作多情認為我在人身攻擊):

1. 常識性錯誤和莫名其妙的理解偏差:

如:mRNA之間形成雙鏈分子,是二級結構,而不是匿名答主認為四級結構。什麼是二級結構什麼是四級結構,是生物化學這門生物本科必修課中的常識。而匿名答主出現這種級別的錯誤(很難及格),是因為想到了翻譯過程中各種RNA及蛋白質形成的複合體結構,excuse me,這怎麼可能是「RNA之間」?

2. 攻擊不存在的靶子。

還是這個例子「mRNA之間也可能形成雙鏈分子」。我在原答案中明確地闡明了什麼是雙鏈分子,所以對於不是生物專業的同學應該也清楚我在講什麼。我其實根本沒討論過mRNA之間形成雙鏈分子是「什麼結構」,匿名用戶最開始的反駁從哪裡來我不知道,但是他反正最後在胡說八道。

3.混亂的邏輯——例如把建立在錯誤推理上的結論當做事實:

如:匿名用戶又提到的「生物體內任何 RNA 序列都能找到 DNA 上的藍本,RNA 上任何的配對結構都意味著 DNA 上有對應的配對結構」,所以 「能找到配對序列是很自然的」。評論區很多人提到了「藍本」的大前提不符合事實,匿名用戶強行講ta說的「藍本」概念不是約定俗成的「藍本」。好吧,就算如此,RNA的結構對應DNA的結構這種因果關係還是缺乏依據,序列一樣RNA和DNA結構就能相互對應是錯的(我也給出了反例)。缺乏事實依據,憑自己的錯誤推理當事實進行下一步推理,這種行為不民科嗎?認為結論對就是對的,推理過程有問題不是重點,這不民科嗎?

4.斷章取義:

如:「例如高票提醒我『限制性內切酶切的是DNA』」,我提醒的是「這一小段和話題其實沒有任何關係」

5. 由於語言表述和理解能力的極度缺乏導致的前後不一等一系列問題(這我勉強認為算是「大前提不一致」吧):

如:匿名用戶認為我對ta之前所說的話有誤解,其實ta說的是另外一個意思。好,我們看一看之前vs.之後的兩個例子:

「確認 mRNA 普遍有功能性的二級結構」vs.「在內部摺疊出固定的二級結構對絕大部分 RNA 生理功能是必要的」;

「生物體內任何 RNA 序列都能找到 DNA 上的藍本, RNA 上任何的配對結構都意味著 DNA 上有對應的配對結構」vs.「這裡的這句話是為了說明 『能找到配對序列是很自然的』,而不是為了說明 『RNA 結構本質都是 DNA 結構』」。

這些話前後意思差別如此大,但匿名用戶認為只是一個重述……我覺得既然如此就沒法討論了,我不可能知道你到底想說什麼。

如果認為別人的回答有誤導性,那麼就叫別人改呀。而匿名用戶則選擇直接寫一個充滿錯誤和誤導性論述的回答,是圖個什麼?希望聰明的讀者能自己看出問題不要被誤導就好。

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Sep 26 2016:感謝知乎日報的傳播,炸出了一個強烈的質疑聲(然而沒有辦法@回答區的匿名用戶)。理不辨不明,實際上所謂的「原答案」我也由於嚴謹性的問題改過幾稿了,有些評論區的同學提的的確是很有道理。

但是匿名用戶的這個回答在反駁很多我原來根本沒講過的(懶得講= =)的事,而且暴露太多錯誤(從第四行開始就錯了),還夾帶了不少私貨,因此我不得不加長很多答案多做兩段科普(釐清事實比傳播錯誤知識真是難太多,煩,畫個圈圈),對於匿名用戶試圖做出的「打臉」中的主要錯誤做了個「簡明」的回應附在文末。

----原答案分界線----

還好只有一個答案是錯的,沒有太跑偏。這件事也是要先問是不是,再問為什麼。我認為你持這種觀點,很可能是被某些教科書或者老師教錯了。

先上結論:很多很多很多RNA都不是單鏈的。

「RNA在細胞內都是單鏈結構」這句話是不是對的——很多人都誤以為是對的,他們覺得是從教科書上看來的。部分錯誤的教科書怎麼得出的這句話?事實上直到2013年都沒有實驗能夠測定體內RNA的結構,那些2013年以前就定稿了的教科書怎麼可能下這樣的結論呢,肯定是在胡說八道啊。

還有不少人就像snake1493想當然地認為「轉錄時只轉錄其中一條鏈,所以能和RNA互補的另一條RNA鏈根本就不存在」。然而,這些人還是圖樣,對RNA自身的物理化學性質了解不足。

在計算機模擬預測中,隨機生成的RNA序列很容易就產生高級結構了,單鏈結構的RNA往往要滿足很苛刻的條件才能成立。體外實驗也有大量實例說明RNA可以自己摺疊成雙鏈結構,或者和其他RNA互補配對形成雙鏈分子。

限於實驗手段,從2013年開始我們才逐漸有能力分析RNA在細胞內的結構。結果是雖然體內體外的RNA結構有時會不一致,但是還是有雙鏈還是很普遍的。

應評論區要求,我還是要澄清一下,一般在生物物理或生物化學的情境下,我們談論的「雙鏈的」,都是在講結構——double-stranded region/structure。在分子生物學和小部分生化的情景中,我們談論的「雙鏈的」,是指分子由獨立的兩條鏈構成,我們會特指「雙鏈分子」(double-stranded molecule、molecule duplex)。題目說的雙鏈很穩定,這是結構的性質;「兩條RNA不因為鹼基互補配對而結合呢?」這又是在談雙鏈分子了。雙鏈結構只需要有兩段能互補配對的核酸(NA)形成雙螺旋就可以,至於互補配對的兩部分是不是來自於同一個NA分子鏈還是兩個不同的NA分子鏈,我們不關心。而雙鏈分子,則需要兩條NA分子鏈反向互補配對,比如DNA的沃森克里克結構。雙鏈分子是一個比雙鏈結構適用範圍更小的概念。

學術論文中為了避免歧義,一般都會特指是double-stranded region/double helical structure(指二級結構)還是double-stranded molecule、molecule duplex(指分子的化學結構),但是有時候也有亂用的,得聯繫上下文看。

P.S.:學術界用一個詞有時講結構有時講分子構成,就是這麼亂,我也沒辦法。

我針對兩個概念都回答一下:

1. 生物體內的RNA的雙鏈結構是廣泛存在的,包括以RNA-RNA相互配對的雙鏈分子形式存在,和單鏈RNA分子內部形成互補配對的stem等形式存在。

2. 以雙鏈分子形式存在的RNA也有很多例子。

一、非編碼RNA大多數都不是單鏈結構的;很多非編碼RNA通過形成雙鏈分子實現功能

1. 大多數小RNA都會通過互補配對形成雙鏈結構,摺疊成特定的高級結構,並不是單鏈結構的。最簡單的例子,tRNA摺疊成的三葉草二級結構,rRNA的摺疊就更加複雜了。

tRNA的三葉草二級結構,包含四臂四環,其中臂結構(如acceptor stem)都是鹼基互補配對的雙鏈結構區域。

rRNA高度摺疊,大多數區域都以雙鏈結構的形式存在(有顏色標記的區域)(圖片摘自Wikipedia)。

2. 一些小RNA是以雙鏈分子的形式存在的dsRNA,比如一些RNA病毒,和所有的siRNA

3. 很多非編碼RNA是和mRNA通過鹼基互補配對形成雙鏈分子(molecule duplex/complex)實現功能的。

比如16SrRNA和mRNA核糖體結合位點配對形成雙鏈分子,確定蛋白質翻譯起始位點。

比如真核生物中,microRNA和mRNA配對形成雙鏈分子誘導降解。

(圖片摘自wikipedia)

複雜一點的,比如細菌中一個小RNA可以同時和很多mRNA結合形成雙鏈分子,並調控各個mRNA的翻譯、降解,請看:

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4313533/bin/nihms645764f3.jpg

以及怎麼能缺了大明星CRISPR-Cas9呢?crRNA:tracrRNA形成雙鏈分子,介導Cas9對DNA的識別。

(Jinek, M., et al., Science, 2012)

P.S. 雖然dsRNA理論上指任何兩條RNA互補配對形成的複合分子。但是很多文章中,dsRNA都是用來特指siRNA和RNA病毒這種幾乎完全配對的雙鏈RNA分子;我也見過一些文章把mRNA:miRNA複合體稱為dsRNA,不過是少數。很多文章會使用RNA1:RNA2 duplex/complex/interaction,而不是dsRNA來描述雙鏈RNA分子

二、mRNA很多也不是單鏈結構的;mRNA之間也可能形成雙鏈分子

十年前riboswitch的發現就證明了mRNA不一定是單鏈結構的,可能會形成複雜的結構用來感測小分子濃度。但是更一般性的實驗手段一直沒被開發出來。

到了2014年,我們終於能夠大規模地測定體內RNA結構啦!

Nature同期報道了三個研究組的成果:

In vivo genome-wide profiling of RNA secondary structure reveals novel regulatory features;Genome-wide probing of RNA structure reveals active unfolding of mRNA structures in vivo;Landscape and variation of RNA secondary structure across the human transcriptome

然後我們發現:即使在體內,很多很多mRNA也不是單鏈結構的,而會摺疊成雙鏈結構。

(Silvi Rouskin et al. 2014) mRNA的細胞內結構的三個例子:取樣自哺乳動物細胞K562

最近的一篇文獻RNA Duplex Map in Living Cells Reveals Higher-Order Transcriptome Structure則給出了更可靠的RNA配對圖譜:RNA不但可以在局部摺疊成雙鏈結構,還可以用相距甚遠的兩段序列互補配對形成雙鏈;這意味著不但能自己內部配對,也可以自己和自己配對,也可以自己和別的RNA配對——總結一句:貴圈真亂。

不但雙鏈可以形成,RNA還可以在體內形成甚至四鏈螺旋結構

Spinach RNA,能發光的RNA,包含一個四股螺旋結構(b圖所示)(Hao Huang et al. 2014)

只要學好生化,好好想想,連蛋白質這種沒有鹼基配對的大分子都能形成多股螺旋,RNA怎麼可能全都是單鏈的?

三、RNA在體內的結構是動態的,快速生長分裂的細胞有更多的單鏈結構RNA。原因何在?一個可能的主要原因是RNA的原有配對結構被核糖體翻譯的時候順手打破了。也有可能由於蛋白質與RNA互作,導致一些測量信號失真了。總而言之還沒有徹底搞清楚。

但是即使在這種情況下,RNA具有雙鏈結構還是很普遍的

以上

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匿名用戶回答中的若干錯誤:

1.

高票誤導性太強

這個就見仁見智吧。乾貨不可避免會有誤解,因為作者和讀者的知識儲備不同,也許講的很清楚了,一部分姿勢水平不足的讀者仍會產生誤解,遠有顏寧老師的「餓死癌細胞」,近有「小蘇打殺癌細胞」。這也是為什麼要做科普,開放評論,避免rumor的廣泛傳播。

2.

mRNA之間也可能形成雙鏈分子

三篇文章都說的是二級結構。如果是 「之間」,那叫做四級結構

Excuse me?

錯!錯!錯!什麼是核酸二級結構?核酸中鹼基配對的集合。

the set of interactions between bases, i.e., which parts of strands are bound to each other (Nucleic acid structure)

DNA雙鏈恰恰是兩條鏈之間形成的雙鏈分子,這是二級結構。我們從來不會講DNA雙鏈配對是四級結構吧?

四級結構,一般默認指的是蛋白質四級結構,是摺疊完好的蛋白質單體的空間組合。核酸四級結構,是個幾乎不使用的概念,僅特指包括染色質高級結構的幾個特殊情景。

簡而言之,四級結構是三維結構已經確定的分子之間的空間排列關係。

多分子鏈組合成一個複合體分子不一定是四級結構即使蛋白質都有反例——膠原蛋白(廣告里號稱祛皺敷臉的關鍵成分)的二級結構指的就是三分子多肽鏈螺旋結構(Collagen helix),長這樣:

這個就是我在原文里寫的:

只要學好生化,好好想想,連蛋白質這種沒有鹼基配對的大分子都能形成多股螺旋

匿名答主能寫出這種錯誤,完全是生化沒學好……

3.

首先,體內的 dsRNA 是一個典型的 virus-associated danger signal...

a. 匿名用戶這裡說的dsRNA,和更一般的雙鏈分子RNA(RNA-RNA duplex)不是一個東西,(雖然在後面,ta又用亂了)。我在原回答中已經澄清過這種概念問題了。而我們談的是雙鏈結構和雙鏈分子的普遍性。其中嚴格意義上的dsRNA只在我的原答案里做了一點微小的貢獻。

b. 很多RNA病毒複製的時候會產生dsRNA,機體會對這些dsRNA產生「免疫」反應,但反過來把dsRNA看做病毒相關性信號,這種邏輯是錯誤的,真命題的逆命題可不一定成立

而且這種觀點也不是學界廣泛認同的,因為存在廣泛成立的反例。microRNA由細胞內源合成用以進行基因表達的調控,在原回答中有一張microRNA合成並實現功能的示意圖,其中明明白白有一個步驟是形成了microRNA-microRNA* dsRNA。這和RNA病毒有什麼關係呢?可能回溯五百年前是一家,dsRNA的反應途徑的起源可能是RNA病毒相關的,但這只是一種猜想認為細胞一視同仁地把dsRNA都當做病毒來源的RNA,是沒道理的。雖然像rRNA產生的碎片引起的凋亡反應和RNA病毒反應使用了相似的通路,僅僅是兼并性的一種體現,不足以判斷誰先誰後。

4.

在長期的病原體與宿主競爭演化中,幾乎所有生物都對外來的核酸序列持有高度的警惕,會將任何不在自己調控之下的序列儘快降解。大部分情況下體內確實不存在高丰度的遊離 dsRNA,

匿名答主給出「確實不存在高丰度的遊離 dsRNA」這個論斷,沒有任何實驗支持,而是建立兩個錯誤觀點上,一是前一條「病毒危險信號」的觀點,二是「降解快所以丰度低」。第二條的錯誤是顯而易見的,大家小時候都做過「水龍頭一邊往水池子里注水,水池子一邊漏水」的抽瘋數學題,這個道理是好懂的——不談合成,只談降解,還談什麼丰度?

我們之前通篇沒有討論丰度的問題,也沒有談遊離dsRNA的問題。事實上,我給出的大多數例子都是有蛋白質參與的功能複合體中的RNA-RNA duplex。既然提出來了,我們就不妨簡單講一講:

a. 丰度是不是高,和是否具有普遍性沒什麼關係。細胞內mRNA的總量佔總量相對不高,但是mRNA的普遍性是毋庸置疑的。

b. 只談絕對值不談相對值都是耍流氓。即使是RNA病毒,也有很多低丰度的情況,畢竟提前把宿主榨乾了只會降低自己種群的總量。

c. 細胞內有多少遊離的dsRNA?尚不清楚。要同時確定是dsRNA、而且是遊離的,並排除其他的可能性,現有技術尚不能做到這種測量。所以就像「RNA都是單鏈的」這種胡說八道一樣,匿名答主只是理直氣壯地把猜測當事實講。

5.

甚至用於表達轉錄的單鏈 mRNA 都受到嚴格的調控……,幾乎是 「隨用隨合,用完就拆」。在細菌當中,胞質里充滿了各種各樣的限制性內切酶以消滅外來核酸……生物界的這種 「執念」 甚至達到了 RNA 水解酶在地球表面無處不在的地步……

至於這一小段和話題其實沒有任何關係,我一時不能理解答主的腦迴路。

真核生物(包括人)mRNA的capping的主要貢獻是蛋白質翻譯的起始,限制性內切酶切的是DNA。而且還有兩個錯誤:

a. 大多數RNase的主要功能是負責自身正常的RNA的降解。

b. 「隨用隨合,用完就拆」完全在扯。mRNA的轉錄和降解調控比這要複雜的多。首先mRNA的壽命長的很,一般成熟mRNA的壽命可長達10個小時(Greenberg,Nature 1972),一些特殊的比如編碼的環狀RNA可以存在更久。mRNA和蛋白質表達也不一定不同步,例子有很多,一些mRNA甚至可以從父母代傳到子代之後才發揮功能(經典案例椎實螺)。如果不要求是mRNA,反例就更多了,其中就包括雙鏈結構的microRNA,植物榨成汁喝進肚子里還能穩定存在(南大張辰宇前兩年的工作)。

6.

自主生活的生物基因組不會像病毒那樣有傾向於壓縮的選擇壓力,目前沒有發現反向基因重疊,因此轉錄出的 RNA 攜帶的信息往往不會發生廣泛性的配對形成 dsRNA

a. RNA病毒會形成dsRNA,和反向基因重疊沒有半毛錢關係,而是由RNA病毒複製機制決定的。

b. 如果是反向基因重疊,那麼產生的不是嚴格意義上的dsRNA,而是RNA-RNA duplex,匿名答主在這裡開始亂用了,因為反向基因重疊只有一部分重疊,大部分片段是不能互補的,不是dsRNA。

c. 沒有反向基因重疊轉錄出來的RNA就不能發生廣泛性配對了嗎?一派胡言!

c.1.只要有反向互補的RNA,就可以發生廣泛性的配對。我的原答案裡面給出了這種普遍可能性的實驗支持。

c.2. 關於RNA不能形成雙鏈結構的種種錯誤認知往往建立在一個完全不對的前提假設上——「只有會被翻譯成蛋白質的正向mRNA才會被轉錄」,因此只要沒有反向重疊的基因,就不會有可供配對的區域。

今天既然談到這兒了,不妨簡單講講,給一個具體的例子——沒有反向基因重疊,一個正常的編碼基因,也可能會普遍地轉錄出正向(sense)、反向(antisense)兩條RNA。

藍色粗箭頭表示mRNA合成的正義(sense)方向,合成量相對較大。綠色細箭頭表示mRNA合成的反義(antisense)方向,合成量相對較小,在釀酒酵母君中,由一種叫Nrd1的蛋白介導。而Nrd1的這種行為在基因組中非常普遍,幾乎遍地皆是
(Daniel Schulz et. al. 2013)

至此,那些「mRNA只轉錄出一條正義鏈」的rumor也可以告一段落了。

7.

正因為細胞對 dsRNA 保持高度警惕,需要高級結構執行功能的 rRNA、tRNA 具有很強的二級結構形成趨勢,很可能是為了在合成後儘快摺疊避開細胞內的嚴密監視(所以個人隱隱覺得 RNA 遠距離配對出二級結構很扯)。

a. Excuse me?!!又是一段毫無根據地胡說八道。rRNA、tRNA的誕生時間可能比細胞本身還要早,所有細胞內都需要rRNA,RNA總質量中大部分都是rRNA(E.coli中可高達80%),快速生長的細胞中核糖體組裝才是最重要的事,大家都得給它讓路,溫飽解決不了還要啥手錶要啥自行車?

之所以rRNA、tRNA容易摺疊且結構相對穩定,最可能的原因只是起源早,早期生命系統裡面沒有其他分子可以相互作用輔助其摺疊。爺爺是個好人難道會是因為孫子輩的片警查的嚴?

b. 遠距離RNA二級結構早已有很多已經研究清楚的案例,PARIS技術展示的RNA遠距離配對出二級結構可能是一種廣泛存在的現象。你覺得很扯,很可能是因為沒聽說過:內含子(Intron), RNA剪切(RNA splicing),可變剪切(Alternative splicing),環狀RNA(Circular RNA)。這些機制裡面都涉及到遠距離的RNA二級結構的形成。這些如果都沒聽過,那對mRNA的分子生物學實在是了解太少了。

環狀RNA的兩種形成機制,左為依賴遠距離的兩段RNA配對形成二級結構的機制,右為套馬索式的,不需要二級結構的機制 (Steven P Barrett et. al. Elife 2015)

8.

RNA 分子與 DNA 分子的區別在於碳骨架上的遊離羥基,這個羥基賦予 RNA 更高的柔性和化學活性,但也降低了它的穩定性。如果把 DNA 鏈比作一串環環相扣、整齊有序的鎖鏈,那麼 RNA 鏈就像是一串橡皮筋編製的橡膠繩。

a. RNA和DNA的區別不僅在於碳骨架上的羥基,還有鹼基組成不同,帶來的一個巨大區別是除了A-T(U),G-C配對之外,還存在G-U配對,和各種稀有鹼基引起的配對。

b. 無論是論斷還是比喻都很有問題。

雖然RNA具有更高的反應活性,但是沒有使得RNA結構更鬆散反而使得雙螺旋更加緊湊——RNA多形成A-form雙螺旋,而DNA則多形成B-form(沃森克里克構型)。RNA雙螺旋結構的化學穩定性也要比DNA高——穩定性排序RNA:RNA &> DNA:DNA &> DNA:RNA hybrid(Elena A. Lesnik Susan M. Freier, 1995)(匿名答主在後文也隱約地提到這個事實了,不知道ta為什麼在這裡扯)

從左至右,分別為A-form,B-form,Z-form三種構型,from wikipedia

RNA不穩定主要原因是RNase降解和羥基的化學活性導致的,這一般是在單鏈結構下才會發生的。單鏈DNA誠然穩定很多,但是你跺你也麻。人們往往有誤解,認為RNA總是不穩定的。其實RNA如果形成雙鏈結構,比DNA要穩定得多。

所以:

生物分子的諸多特性,大多可以劃分到 「演化使然」 和 「祖先選擇」 的原因之下。作為細胞一代代傳遞的直接遺傳分子,自然是穩定性更高的 DNA 更合適,而作為行使功能、合成快降解也快的信使、酶、信號分子,自然是結構更豐富、化學活性更強的 RNA 更適合(當然說這些都是 make sense but may not true)。

這一段也有雞生蛋蛋生雞的錯誤因果關係。

9.

但是如果仔細讀過這幾篇文章,你就會發現文章的主旨其實是 「二級結構可以存在」 而不是 「二級結構穩定存在」……RNA 完全有形成二級結構來行使功能的潛力,而且這種潛力很可能十分重要。……做瑜伽的柔韌性、鍛煉時的力量對我們正常生活很有用,但是大家平時都用這些姿勢走進小區,保安肯定會報警的……這幾篇文章的重點在於 「二級結構不斷出現所以可能有某些未知功能」,千萬不要誤會成 「確認 mRNA 普遍有功能性的二級結構」

已報警……我講的是目前的研究文章說明二級結構普遍存在,既不是「可以存在」,也不是「穩定存在」,匿名答主不管是對我的答案和我列出的文章都有誤讀。換句話講,給一段mRNA,我們的預判是「大多數」會有二級結構,這不是「可以」或者「不可以」,給定條件,有就是有,沒有就是沒有,而這個二級結構可能是動態的,從A到B再從B到A,不一定是穩定的,之前講的很清楚了。我的原答案通篇沒有談mRNA的功能的問題,因為mRNA的最主要功能是翻譯相應的蛋白質。

我所列的幾篇文章講的也根本不是「二級結構不斷出現所以可能有某些未知功能」,這個「所以」的邏輯本身就是有問題的(這位匿名答主真的有讀過文章?)。

既然又是說到這裡,不妨稍微展開一下。如果你莫名其妙的產生了誤會,認為「mRNA 普遍有功能性的二級結構」,那麼這句話有沒有問題呢?

a,如果說:mRNA 普遍有二級結構,mRNA如果有二級結構那都是有功能的,其實毫無疑問肯定對的mRNA一旦有二級結構,一定會影響:核糖體結合mRNA,或/和核糖體在mRNA上的滑動速度,或/和RNA降解速率,從而調控RNA濃度和蛋白質合成,有大量的文獻證明(如Grzegorz Kudla, et al. Science 2009)。

b.除了Chang lab的文章更偏向於技術和個體差異,另外兩篇文章都不約而同地強調了mRNA結構與對應基因功能的相關性。因此文章除了闡述「mRNA普遍具有二級結構」之外,同時也說明了,mRNA的二級結構在體內體外環境大不相同,「體內、體外mRNA二級結構差異與編碼基因尤其是抗性基因的功能具有相關性」,從而推理「體內mRNA的二級結構應有調控功能並與基因功能相關」。這部分二級結構的功能,可能充當感應器(sensor)或者效應器(activator),比如說感受溫度、感受其他RNA的表達量等等,也可能只是起到穩定RNA濃度、翻譯效率等作用。這也正是Yiliang Ding et. al.這篇文章的主要觀點。

10.

我們似乎還看到,RNA 在演化當中走向了兩個方向:一個走向高度穩定,一個走向高度可變……

哪看到的?????

最後總結一下,匿名答主的回答裡面大量的私貨都是基於自己(很可能是錯誤)的理念而進行的(邏輯上可能錯誤的)推斷。而這些推斷,當做科學猜想拿來討論都沒有問題,但是用來當做事實大段大段講道理就屬於民科了。因為這些論斷,沒有任何實驗證據支持。

真心的,自己沒搞清楚不要強答。

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11.

生物體內任何 RNA 序列都能找到 DNA 上的藍本, RNA 上任何的配對結構都意味著 DNA 上有對應的配對結構

這句話也有很大問題,被我漏掉了。@ruran又補充了一下,給出這個錯誤論斷很多反例——不一定有藍本、有也不一定一樣、即使一樣還有配對方式的差異。

1、RNA編輯可以讓RNA改到媽媽都不認得。2、類病毒以及部分RNA病毒沒有DNA藍本,人家用RNA依賴的RNA聚合酶 3、RNA上經典配對有仨(GC、AU、GU),非經典配對細分有上百種,而DNA除了個別奇怪結構(G4聯體說的就是你)外只允許GC、AT,錯配會被各種酶修復的,所以不存在一一對應關係

我就補充一個更本質的吧:

序列完全相同的DNA和RNA,也會形成完全不同的配對結構

隨便寫一個例子:GGGGGGGGGCCCCCCCCC,因為沒有U/T所以DNA和RNA的序列可以做到完全相同。使用nupack進行預測,37℃,一條鏈的最可能結構是:

不一樣吧?NUPACK: Analysis input


Update一下

其實有個問題是,dsRNA這個概念太模糊,一般討論的時候會有更準確的辭彙去表述(所以語境很重要)。以下憑自己理解,會有些出入:

  • dsRNA:RNA binding protein的時候用的比較多,一般指一條鏈上面的(因為兩條不同鏈不好做);如果是做病毒的,又與editing無關,通常指兩條鏈,尤其是病毒複製的時候。
  • RNA secondary structure:一條鏈上面的,回答最多的也是這個。
  • RNA-RNA interaction:專指兩條鏈(以上)。超級泛,即包括鹼基結合的,又包括結構上的,用來回答題目

怎麼樣確保生物體中兩條RNA不因為鹼基互補配對而結合呢?

比較合適

  • Hairpin:髮夾,當然是一條鏈的。一般會有個主幹(stem)和一個環(loop)。做RNAi的人經常碰到,主要是miRNA precursor那裡。
  • Duplex:好像很難說是幾條鏈的,反正配對了就可以這麼叫了?比方說miRNA processing的時候Dicer切了一刀,一條鏈變兩條了,duplex會準確點。

(引自 Lee Y S, Dutta A. MicroRNAs in cancer[J]. Annual review of pathology, 2009, 4: 199.,這篇paper十分適合拿來快速了解RNAi,另外這篇paper裡面只出現了hairpin和duplex的表述)

另外,回答里講二級結構的那麼多,主要原因出在我們沒有很好的方法去研究兩條鏈以上的情況(Chang是開了個好頭),說不定除了還有很多RNA兩兩配對行使功能——只是我們並不知道

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看到匿名的回答和有人提到ADAR,interesting,我也答一個。

先對雙鏈RNA的範圍限定一下,把由兩條鏈組成的dsRNA和一條鏈內部形成二級結構的dsRNA分開討論(雖然一般特指後者)。

由兩條鏈組成的dsRNA確實是穩定的,但由於這樣的雙鏈RNA對於細胞而言往往是病毒信號,所以這樣的dsRNA一般是不被允許的。一旦有不應出現的dsRNA,各種與病毒免疫相關的dsRNA結合蛋白、內切酶等等蜂擁而上,很快就把它們幹掉了(by the way,一般提RNA出問題的是RNase A之類,RNase A能解鏈,所以和雙鏈無關)。但是得排除一些情況,比如我們常見的miRNA、tRNA等等。這些RNA的確能跟互補序列形成穩定的二級結構,但是,這些RNA在行使功能的時候往往有蛋白的參與。這些蛋白最基本的作用是:防止RNA或者RNA與作用靶標被RNase識別並降解。最好的例子就是當你轉siRNA的時候是必須要加修飾的,否則它們與Ago等形成複合體之前就沒了。

然後是一條RNA鏈內部的二級結構,也就是我們常說的dsRNA。雖然目前為止沒有太好的in vivo測量RNA結構的方法,但RNA內部穩定二級結構(尤指mRNA)應該是廣泛存在的。這裡有幾個證據:

  1. ADAR。ADAR全稱是作用在RNA上的腺嘌呤脫氨酶,作用是將dsRNA上的某些A脫氨變成Inosine(I),在強調鹼基匹配的時候Inosine可以表現為G。而且,A-to-I一般發生在A-U或A-C匹配上(與ADAR結構有關),而從數據上看被編輯後的RNA沒有必然變得更鬆散或更緊密。

  2. 由以下現象(1)ADAR家族在胞漿和細胞核內都有;(2)A-to-I這種轉變是廣泛存在的(我們實驗室都測N多了);(3)某些蛋白可以識別I,比如MDA5,並能利用之區別內源的和外源的dsRNA。我們可以推論,dsRNA應當是廣泛存在的。

  3. miRNA targeting的問題。miRNA通常識別mRNA的3" UTR區,有時候3" UTR上會帶有很多不同的miRNA的位點——然而我們僅通過序列來預測miRNA的target往往不準(它們表現得更specific)。這當然與RISC的機制有關,比如近期發表的幾篇關於RISC怎麼找target的文章,這裡就不展開了。這裡有兩個可能,一個是RNA本身有二級結構,RISC往往沒有解旋酶活性,於是一些target就藏在了dsRNA裡面了;另一個是RNA會被很多蛋白(RBP)結合著,這裡包括一些基於序列的RBP,也有些基於結構的RBP。當然了,這個point不一定是準的。

  4. 體內廣泛存在dsRBP,與RNA相互作用。這裡例子好多,比如TRBP這些已經明確知道功能的蛋白(寫錯了,FMR1和HuR是單鏈的)。這些dsRBP有時候能保護dsRNA不被一些內切酶識別。(一般mRNA是5" 去帽-5"外切酶降解或者3』外切酶降解,內切的情況比較少)

  5. 各種結構相關的測序結果。

現在in vivo測量RNA二級結構的方法有幾個:基本基於高通量測序:DMS-seq和(ic)SHAPE(基於化學修飾導致反的轉錄終止)、PARS(基於內切酶偏好性)、PARIS(紫外交聯)。這些方法儘管都十分局限,只有PARIS能測不同分子間的相互作用,而且常常測得不準(PARIS,說的就是你的假陽性),它們確實說明了in vivo情況下有很多的RNA二級結構,但這不是重點。重點是,它們說明了,in vivo情況下,RNA二級結構和我們在in vitro情況下折出來的東西往往不是一樣的!這說明,在胞漿條件下,有蛋白或者其他因素(RNA或者一些奇奇怪怪的東西)參與了RNA結構的維持

最後回答下體內RNA是怎麼保證不被其他RNA結合。最重要的因素就是結構和蛋白,還有時序和亞定位。相似的序列只要有一方被結構或者蛋白保護,自然就不會匹配。而如果兩個相似的分子不再同一時空表達,當然不會碰到一起。之後再考慮一些其他因素,比如兩個RNA分子如果部分結合,在其他序列/蛋白的影響下它們會怎樣——這需要一些建模,我不清楚。

最後的最後我想強調,談RNA二級結構,或者RNA-RNA interaction,必需考慮到胞漿環境,尤其是RBP的作用。RNA自摺疊固然是很有的,若沒有蛋白或者別的東西的介導、維持,單靠自由能,它們也只能在試管裡面折了。

拿個圖鎮一下


這個問題@郭昊天 已經回答得很好了。但是讓我覺得細思極恐的是為何會有人問出這樣的問題:也許是受到低質量教科書的毒害吧。


不對,RNA結構遠比DNA要複雜和多樣化。

RNA通常以單鏈形式存在,但也有複雜的局部二級結構或三級結構,以完成一些特殊功能。

tRNA分子呈莖環結構,組成tRNA的幾十個核苷酸中存在著一些能局部互補配對的區域,可以形成局部雙鏈。這些局部雙鏈呈莖狀,中間不能配對的部分則膨出形成環或襻狀結構,稱為莖環結構或髮夾結構。

還有rRNA,我看到第一名的回答太生動形象了。貼張圖好了。

—— 摘自人衛版《生物化學·6》周愛儒主編


生物知識還在高中水平的答一個

因為大部分要轉錄啊,那麼穩定拆來拆去需要的能量多大,世界總是想能量最低的,簡單就好~

簡單點,生命的運行簡單點~


突然想到同學提rna提了一個禮拜,都降解了。。。


因為太穩定了不利於生物進化,可能很久之前存在過,但由於很難進化無法適應氣候變化滅絕了,而適合進化的DNA生物一代代存活進化發展到今天


因為我們不大需要mrna穩定……

mRNA只翻譯 不遺傳 日拋型 無負擔

其他RNA有結構

RNA不穩定 但是切碎了的小RNA也參與調控……


RNA在很多時候是單分子雙鏈, 就是一個RNA自己摺疊形成類似髮夾的結構,這個結構是stem-loop, 就像髮夾的夾子部分(stem)和環形(loop).

另外一些RNA, 比如miRNA, 單獨的時候常常跟另一個互補miRNA形成雙鏈,比如miRNA-31和miRNA-31*, 或者miRNA 跟mRNA 形成雙鏈互補。


防上病毒入侵。


初等高等的生物教材不統一世界上也是罕見。


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