【RNA biology】RNA的多功能性与早期生命进化

来自Manolis Kellis教授（MIT计算生物学主任）的课
油管链接：6.047/6.878 Lecture 7 - RNA folding, RNA world, RNA structures (Fall 2020)
本节课分为三个部分，本篇笔记是第一部分RNA world。
主要探讨了RNA分子的功能多样性和RNA在生物学中的核心功能。从RNA在生物学中的中心法则的核心功能开始，深入探讨了rRNA、SnRNA等RNA的不同功能。此外，还介绍了RNA世界假说、RNA的复制、催化作用，以及RNA如何感知环境变化并作出相应的反应。

RNA

介绍了一些非编码RNA，以及“RNA World”假说。说明RNA在生命中扮演的角色十分重要。

the central dogma of biology:中心法则

我们来看看中心法则中的RNA

“分子生物学的中心法则”（Central Dogma）是生物学中的一个基本原理，主要描述了遗传信息的传递方式。该法则由弗朗西斯·克里克在1958年提出，并在1970年时进行了完善。它的主要内容可以分解如下：

1. DNA（脱氧核糖核酸）：DNA在生物体中负责储存和跨代传输遗传信息。每个生物的基因都存储在DNA中，DNA分子中的每一段都控制生物体中特定的一项功能。

2. RNA（核糖核酸）：DNA可以通过转录过程制作成RNA。RNA是DNA信息的临时复制品，主要功能是存储和传输信息。在DNA转录为RNA的过程中，会将DNA的信息复制到RNA中。

3. 蛋白质：RNA经过翻译过程后，就会生成蛋白质。**蛋白质负责执行细胞内的所有功能。**每种蛋白质都有特定的任务，例如催化反应、发送信号、形成细胞结构等。

此外，有些RNA分子，如核糖体RNA（rRNA）和转移RNA（tRNA），可以在生物体内执行酶类反应。这是因为RNA不仅仅是信息的中间载体，它也能够担任催化剂的角色，这种现象被称为**“RNA酶”**。所以不仅仅只有蛋白质是酶。

RNA还可以存储遗传信息，比如covid19就是RNA病毒

因此，"分子生物学的中心法则"可以总结为：DNA制造RNA，RNA制造蛋白质。这是一个描述遗传信息从DNA到RNA，再从RNA到蛋白质的过程的法则。这个过程也被称为"DNA→RNA→蛋白质"的信息流动路径。这是所有生物体内发生的最基本的生物化学过程。

RNA plays core functions in Central Dogma of Biology

RNA在生物中心法则中的核心功能，涉及到DNA复制、转录调控、RNA处理、翻译以及蛋白质降解等多个过程。以下是各个部分的解释：

1. DNA复制：RNA在DNA复制过程中扮演重要角色。例如，引物RNA（primer RNAs）负责启动DNA的复制过程，端粒酶RNA（telomerase RNA）则是一种参与维护染色体端粒长度的RNA。

   • 1. 引物RNA（Primer RNAs）: 你可以将引物RNA想象成为建筑工地上的基石。在DNA复制开始时，需要先有一个引物与模板链的DNA结合，这个引物就好比放在地基上的第一块石头，为DNA聚合酶提供起始点，以便在此基础上逐步添加新的碱基，完成DNA链的复制。这就好比工人在基石上逐渐搭建出一座建筑。
     2. 端粒酶RNA（Telomerase RNA）: 端粒酶RNA可以被比喻成修补工，他们的工作主要是在DNA分子的端部填补“缺口”。由于DNA复制过程中的限制，每次复制后，DNA分子的末端都会丢失一部分碱基序列，这就好像绳子的末端在反复使用后会慢慢磨损。如果不加以处理，这会导致重要的遗传信息丢失。端粒酶RNA就像一个修补工，利用它携带的特定序列模板，指导端粒酶在DNA末端添加特定的重复序列，这样就能保护并维持染色体的完整性，防止重要的遗传信息丢失。

2. 转录调控：这里提到的RNA主要涉及基因转录的调控，例如，6S RNA能够模拟转录复合物与DNA的结合，从而调控基因表达。7S K.RNA、SRA RNA、Xist RNA、Air RNA，这些RNA能够与DNA或蛋白质结合，以增强或抑制特定基因的转录。

   • 6S RNA: 6S RNA可以被看作是一个模拟者或调控者。在细菌中，6S RNA能模拟转录复合物与DNA的结合状态，从而抑制特定基因的转录，这就像一个模拟者冒充了真正的工作人员，从而暂时阻止了工地上的工作。但是在特定环境条件下，6S RNA会从RNA聚合酶上脱离，释放出聚合酶，使得被抑制的基因得以表达。这一过程调控了细菌的基因表达，帮助细菌适应变化的环境。

3. RNA加工：RNA处理过程中涉及到不同类型的RNA，如SnO RNAs、gRNAs、SnRNAs以及RNase P和自剪接内含子。这些RNA负责对新生成的前体mRNA进行剪接，修饰等处理，生成成熟的mRNA。

   1. mRNA的降解：如SiRNA和miRNA等小RNA，它们可以结合到mRNA，阻止其翻译或促使其降解，从而调控蛋白质的产量。

4. 翻译调控：包括tRNA、小RNA如asRNAs（反义RNA）、OxyS、DsrA sRNA等，它们在蛋白质合成的翻译过程中发挥调控作用。

5. 蛋白质降解：例如tmRNA（转移—信使RNA），它在蛋白质合成过程中遇到问题时，能使合成过程得以结束，并标记这个有问题的蛋白质以供后续降解。

6. 转运肽化和T/M位移：其中涉及到SRP 4.5S RNA、7S RNA等，这些RNA参与蛋白质在细胞内的定位和转运。

这份文件概述了RNA在生物中心法则中的各种功能，体现了RNA不仅在信息流动中起到中间信息载体的作用，还参与并调控了生物体内的许多重要过程。

rRNA

rRNA at core of DNA-to-protein path: translation

rRNA（核糖体RNA）在生物中心法则（DNA到蛋白质的路径）中的核心角色，特别是在蛋白质的翻译阶段。

在细胞中，核糖体是蛋白质合成的场所，而核糖体的核心组成部分是由rRNA构成的。核糖体由两个亚基构成，大亚基和小亚基，都是由rRNA和蛋白质组成的。但是，真正催化蛋白质合成的部分，也就是核糖体的催化核心，完全由rRNA组成。这种RNA具有催化活性的现象被称为"核酶"（ribozyme）。

在蛋白质翻译的过程中，mRNA（信使RNA）会带着编码蛋白质的信息，来到核糖体。核糖体的小亚基将识别并绑定到mRNA，而大亚基则会读取mRNA上的遗传信息，然后结合tRNA（转运RNA）将对应的氨基酸连接在一起，形成蛋白质。在这个过程中，核糖体的“头部”会发生旋转，使得新的tRNA可以进入，同时将已经读取过的tRNA排出。

在连接氨基酸形成肽键的过程中，是由rRNA中的一个腺嘌呤（adenine）来催化的。这就意味着，核糖体中的蛋白质成分并没有直接参与到这个催化反应中，它们的作用主要是辅助rRNA形成正确的三维结构，使得rRNA能够完成它的催化任务。这个现象进一步强调了rRNA在蛋白质合成过程中的核心地位。

假设我们有一台由rRNA和蛋白质构成的"核糖体机器"，这台机器的工作是阅读mRNA（信使RNA）上的信息，然后利用tRNA（转运RNA）将氨基酸串接成蛋白质。你可以把核糖体想象成一个有三个位置（A位、P位和E位）的小工厂：A位是接收新的tRNA和其携带的氨基酸的地方，P位是进行肽键形成的地方，E位则是排出用过的tRNA的地方。

首先，带有氨基酸的tRNA会到达核糖体的A位。每个tRNA都有一个对应mRNA上特定编码的反码，使得tRNA能准确地读取mRNA上的信息。核糖体机器会检查A位的tRNA是否正确配对了mRNA上的编码。

一旦确认配对正确，核糖体会"旋转头部"，这就像是工厂的传送带向前移动一格，将A位的tRNA（带有新的氨基酸）移动到P位，同时P位的tRNA（已经把氨基酸留在了正在形成的蛋白质链上）移动到E位。此时E位的tRNA，已经完成了它的任务，会被排出核糖体。

新的tRNA和它携带的氨基酸会到达A位，整个过程又会重复。通过不断的"头部旋转"，核糖体能够读取mRNA上的全部信息，将对应的氨基酸连成一条链，最终形成蛋白质。

snRNA

剪接小核糖核酸（snRNA）在DNA到蛋白质路径中的关键角色，特别是在RNA剪接过程中。

首先，我们需要理解什么是剪接。在真核生物中，初始的RNA（称为前mRNA）通常包含有被翻译成蛋白质的片段（外显子）和不被翻译的片段（内含子）。为了形成成熟的mRNA，这些不需要的内含子必须被移除，同时将外显子连接起来，这个过程就叫做剪接。

snRNA在剪接过程中扮演核心角色。一些特定的snRNA（如U1、U2、U4、U5和U6）以及它们相关的蛋白质会组成小核糖核酸蛋白质粒子（snRNP）。这些snRNP会聚集在前mRNA上，形成一个复杂的结构叫做剪接体，它负责将内含子去除并将外显子连在一起。

具体来说，U1 snRNP首先会通过碱基配对识别前mRNA的5’剪接位点，而U2 snRNP则会绑定到另一个被称为支点A的特殊序列。这样形成的复合物被称为A复合物。然后，U4/U6-U5的三元snRNP复合物会加入，形成B复合物。在剪接体的最终激活过程中，U1和U4会被释放，使U6能够取代U1在5’剪接位点的位置，U2和U6的交互也会使支点A被定位到正确的位置，从而触发剪接反应。

在剪接反应结束后，剪接体会被解散，snRNPs被回收以供再次使用。剪接后的mRNA中只包含外显子序列，可以被核糖体翻译成蛋白质。

这个过程中，snRNA既参与剪接位点的识别（通过与前mRNA的碱基配对），也参与催化剪接反应，显示出它们在RNA剪接过程中的核心地位。

RNA world

"RNA世界"是一种假说，认为早期地球生命的演化历程中存在一个阶段，生物体的大多数（如果不是全部）功能都由RNA分子来承担，包括储存遗传信息和催化生化反应。这个假说基于以下几个观察：

1. RNA分子具有双重功能：RNA既可以像DNA那样储存信息，也可以像蛋白质酶那样催化反应。这种能力使得RNA有可能独立完成在现代生命中需要DNA和蛋白质共同完成的功能。

2. 在某些病毒和单细胞生物中，RNA仍然是遗传信息的主要载体。

3. 一些核酸酶（ribozymes）和RNA开关（riboswitches）的存在表明RNA可以催化复杂的生化反应，并进行复杂的调控。

4. 生物体中的一些基本生物过程，如蛋白质合成和RNA剪接，至今仍然依赖RNA的催化活性。

尽管RNA世界假说得到了广泛的认可，但要注意，这仍然是一个假说，并未得到直接的实验证据。此外，RNA如何在没有蛋白质或其他催化剂的情况下自我复制，以及RNA生命如何演变为现代的DNA-蛋白质生命，仍然是待解决的问题。

"RNA世界"基于RNA分子的多功能性：它们不仅可以存储遗传信息，还可以进行催化反应。

1. 生命前的阶段通向RNA世界：在生命开始之前，可能有一种叫做粘土矿物的物质帮助引导RNA单链的形成。然后，这些RNA单链可以脱离粘土矿物，进行折叠，并催化反应。

2. 从RNA世界到现代世界的转变：在RNA世界中，RNA分子开始更有效地演化，产生了可以自我剪接的组I和组II内含子。随后，RNA分子发明了蛋白质，并使用核糖体（由RNA组成）进行翻译。然后，RNA和蛋白质共同产生了DNA，这是通过逆转录酶（一种蛋白质）和RNA聚合酶（一种蛋白质）实现的。

3. RNA、蛋白质和DNA的专化：在生命的进化过程中，DNA、RNA和蛋白质逐渐专化，承担了不同的职能。DNA主要负责存储信息，蛋白质主要负责催化反应、感应环境和构建结构，而RNA则保持了它们的全部功能。

整个过程涵盖了在生命起源中，RNA如何可能发挥了关键角色，以及RNA如何可能创造了用于催化反应的蛋白质和用于更稳定存储遗传信息的DNA的场景。然而，尽管这个假说得到了一些实验支持，但至今仍存在许多问题，例如RNA如何在没有蛋白质或其他催化剂的帮助下自我复制，以及RNA世界如何演变成现代的DNA-蛋白质世界。这些问题的答案可能会进一步揭示生命的起源和早期进化。

Replication

RNA的自我复制能力，以及其作为RNA依赖性RNA聚合酶的功能

RNA分子有能力充当酶，这些RNA被称为核酶（ribozymes）。一些核酶有能力帮助RNA分子的复制过程，这类核酶被称为RNA依赖性RNA聚合酶。

• “chimeric construct of a natural ligase ribozyme with an in vitro selected template binding domain” 是一个利用实验手段合成的核酶，它由两部分组成：
  • 一个天然的连接酶核酶部分，用来催化RNA的连接反应；
  • 一个实验室选择出来的模板结合域，用来识别并绑定到需要复制的RNA模板。
  • 通过这种设计，这个合成核酶能够在RNA模板上复制出至少一个RNA双螺旋的转数。

这项研究有助于我们理解RNA世界假说，这个假说认为在生命最早期，RNA分子既承担了遗传信息的存储（像现在的DNA），也承担了催化生物反应的功能（像现在的酶）。虽然在现代生命中，这两种功能大部分都已经被DNA和蛋白质所取代，但RNA的这种自我复制能力仍然是支持RNA世界假说的重要证据。

催化作用

RNA不仅是信息存储和传输的载体，而且具有催化活性，可以催化自身或其他RNA的反应。这些具有催化活性的RNA被称为核酸酶（ribozymes）。一些具有催化活性的RNA的例子：

a. 自我切割核酸酶：这些RNA能催化自身在特定位置的切割反应。一种典型的自我切割核酸酶是hammerhead ribozyme。

b. pre-tRNA被RNaseP切割：RNaseP是一种核酸酶，可以催化预tRNA（pre-tRNA）在5’端的切割，生成成熟的tRNA。

c. 第一组内含子的自我剪接：第一组内含子可以催化自我剪接，从mRNA中移除内含子，并连接外显子。

d. 类似第二组内含子的分支反应的封帽反应：封帽反应是将一种特殊的核苷酸（一般是甲基鸟苷酸）添加到RNA分子的5’端。这个反应的机制类似于第二组内含子的分支反应。

e. 第二组内含子的自我剪接通过分支反应：第二组内含子也可以催化自我剪接，但其反应机制与第一组内含子有所不同，包括一个名为分支（branching）的中间步骤。

f. 第二组内含子的水解自我剪接：除了上述的分支反应，第二组内含子还可以通过水解反应进行自我剪接。

感知环境变化并作出响应

RNA不仅可以存储和传输信息、进行催化反应，还可以直接感知环境变化并作出响应。一种典型的例子是核糖开关（Riboswitches），这些RNA结构可以自我调节，通过构象变化来响应特定的分子信号。

以下是两种不同的核糖开关：

a. 热感应器（Thermosensor）：这种RNA结构可以响应环境温度的变化。例如，在某些细菌中，一段称为prfA mRNA的RNA会根据环境温度的变化而改变其结构。在较低的温度下，prfA mRNA会采取一种结构，使得其中的翻译起始位点（Start）被隐藏，从而阻止了蛋白质的合成。然而，当温度升高时（比如当细菌感染宿主后），prfA mRNA会改变其结构，暴露出翻译起始位点，从而启动蛋白质的合成。

b. 腺嘌呤核糖开关（Adenine riboswitch）：这种RNA结构能够感应细胞内腺嘌呤（Adenine）的水平。例如，在一些细菌中，一段称为ydhL mRNA的RNA会根据细胞内腺嘌呤的浓度而改变其结构。在腺嘌呤浓度较低时，ydhL mRNA采取一种开放的结构，使得其中的翻译起始位点暴露出来，启动蛋白质的合成。然而，当腺嘌呤浓度较高时，腺嘌呤会结合到ydhL mRNA上，使其改变结构，形成一个阻止翻译的终止子结构（Terminator），从而阻止了蛋白质的合成。

这些例子显示，RNA分子可以直接感知环境刺激（不需要蛋白质的介入），并通过改变自身的结构来影响基因的活性。这种能力使得RNA在细胞的生理调节中扮演了重要角色。