RNA

RNA，即核糖核酸，是一种参与生物信息储存、表达和调控的核酸。它是细胞生命活动的基础，也是某些病毒的遗传物质。与脱氧核糖核酸一样，RNA由核苷酸链构成，但其独特的化学性质使它不仅能充当信息载体，还能作为结构组分、分子调节因子和催化剂。细胞中的RNA大多是单链，但常会折叠成含有大量碱基配对的结构。(genome.gov)

化学组成与结构

RNA是由核苷酸构成的聚合物。每个核苷酸都包含一个核糖、一个磷酸基团和一个含氮碱基。四种主要碱基分别为腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和尿嘧啶（U）。相邻核苷酸通过磷酸二酯键连接，形成具有明确方向的糖—磷酸骨架，其方向为从5′端到3′端。RNA序列通常按这一方向书写。(genome.gov)

RNA与DNA在化学组成上有两项主要区别。RNA的糖在2′位碳原子上带有羟基，而DNA在该位置上是氢原子；此外，RNA通常使用尿嘧啶而非胸腺嘧啶。2′位羟基影响RNA的折叠和化学反应性，包括参与RNA催化的反应。(genome.gov)

“单链”并不意味着RNA没有结构。同一分子中的互补区域可以配对，通常形成A–U和G–C碱基对，也会出现G–U碱基对及其他非经典相互作用。这些相互作用形成茎、发夹环、凸起和连接区，进一步构成复杂的三维结构。碱基堆积、氢键以及与离子和蛋白质的相互作用有助于稳定这些折叠结构。即使是信使RNA，也含有影响其功能的结构化区域。(ibiology.org)

主要类别与功能

RNA主要依据其生物学作用分类。蛋白质合成的三类核心参与者是信使RNA、核糖体RNA和转运RNA；此外，还有许多RNA承担加工和调控功能。(genome.gov)

这些RNA类别的功能已通过对蛋白质合成、RNA加工以及小RNA介导的调控的研究得到确认。(ncbi.nlm.nih.gov)

蛋白质合成

在翻译（生物学）过程中，核糖体以三个核苷酸为一个单位读取mRNA序列，这样的单位称为密码子。转运RNA充当衔接分子：其反密码子区域识别mRNA上的密码子，而其携带的氨基酸则成为不断延长的蛋白质的组成单元。核糖体RNA组织这一过程，并提供负责催化肽键形成的催化中心。因此，RNA在蛋白质合成中分别承担模板、衔接分子和核心催化剂的作用。(genome.gov)

催化与调控

能够催化化学反应的RNA称为核酶。例如，能够自我剪接的RNA，以及核糖核酸酶P（RNase P）中负责加工前体tRNA的催化性RNA组分。这些发现证明，生物催化并非只能由蛋白质类酶完成。(nobelprize.org)

调控性RNA可以通过互补碱基配对识别其他核酸。在RNA干扰中，小分子引导RNA与蛋白质协同作用，使与其匹配的靶标沉默。相关的小RNA机制参与发育调控、多个生物类群的抗病毒防御，以及对可移动遗传元件的抑制。不同的小RNA通路具有各自的加工步骤和生物学功能，并非可以相互替代的机制。(nobelprize.org)

合成与加工

细胞中的大多数RNA通过转录（生物学）产生，在这一过程中，RNA聚合酶以DNA的一条链为模板。新生RNA与该模板互补，并沿5′至3′方向延伸。无论生成的RNA是编码蛋白质，还是直接以RNA形式发挥功能，转录都是基因表达的核心阶段。(ncbi.nlm.nih.gov)

在真核生物中，初级转录本通常需要经过加工才能发挥功能。细胞核内的大多数蛋白质编码转录本会加上5′端帽，并在3′端进行多聚腺苷酸化。在RNA剪接过程中，称为内含子的间隔序列被移除，保留下来的片段称为外显子，彼此连接。可变剪接能够从同一个基因产生不同的成熟转录本，进而可能生成不同形式的蛋白质。这些特征并不适用于所有RNA分子或所有生物。(ncbi.nlm.nih.gov)

许多功能性RNA还需要经过切割、修剪、折叠或化学修饰。因此，RNA加工不仅是为翻译做准备，也是形成功能性tRNA、rRNA及其他非编码RNA的过程之一。(ncbi.nlm.nih.gov)

RNA作为遗传物质

某些病毒的基因组由RNA而非DNA构成。病毒的RNA基因组可以是单链，也可以是双链。其复制和表达所依赖的机制，与细胞转录中常见的DNA到RNA的途径不同。例如，逆转录病毒利用逆转录酶，以RNA为模板合成DNA。RNA作为病毒遗传物质的作用，有别于它在细胞中的通常作用：在细胞中，DNA储存遗传信息，RNA则帮助表达这些信息。(genome.gov)

历史发展

人们对RNA的认识，从其在蛋白质合成中的作用，逐步扩展到其催化和调控能力。以下几项发现标志着这一发展过程：

• 1977年： 对断裂基因的研究表明，成熟mRNA不一定对应基因组DNA上一段连续的序列，由此确立了RNA剪接的重要性。
• 20世纪80年代： 催化性RNA的发现证明，RNA能够完成此前被认为由蛋白质酶催化的反应。西德尼·奥尔特曼和托马斯·切赫因这项工作获得1989年诺贝尔化学奖。
• 1998年： 安德鲁·法尔、克雷格·梅洛及其同事报告，双链RNA能够高效触发序列特异性的基因沉默；法尔和梅洛因此获得2006年诺贝尔生理学或医学奖。
• 2023年： 卡塔琳·卡里科和德鲁·韦斯曼因有关核苷碱基修饰的发现获得诺贝尔生理学或医学奖，这些发现使有效的新冠mRNA疫苗得以研发。
• 2024年： 维克托·安布罗斯和加里·鲁夫昆因发现微小RNA及其在转录后基因调控中的作用，获得同一奖项。(nobelprize.org)

研究与生物技术

RNA测序测定RNA的序列及其丰度，从而提供哪些基因正在表达、存在哪些转录本形式等信息。一个细胞或样本中全部RNA分子的集合称为其转录组。与基因组不同，转录组在不同细胞类型和生理状态之间可能存在显著差异。单细胞RNA测序能够在单个细胞层面考察这种差异。(genome.gov)

RNA也为生物技术提供了平台。经过工程设计的mRNA能够提供用于生成特定蛋白质的临时指令；在mRNA疫苗中，这种蛋白质充当抗原。化学修饰和递送系统十分重要，因为外源RNA若未经适当处理，可能引发先天免疫反应，或无法产生足量蛋白质。小RNA介导的沉默也被广泛用于研究基因功能的实验。(nobelprize.org)

演化意义与未解问题

RNA世界假说提出，在DNA、RNA和蛋白质形成现代分工之前，生命的早期阶段依赖RNA同时承担携带遗传信息和催化反应的功能。RNA兼具信息储存与催化能力，加之它在核糖体中的核心地位，为研究这一假说提供了依据。(ncbi.nlm.nih.gov)

这一假说并不是关于生命起源的已获证实的解释。重要的未解问题包括：RNA或其前体如何在生命出现之前的条件下形成，足够准确的复制机制如何出现，以及以RNA为基础的系统如何发展为使用DNA基因组和蛋白质酶的细胞。现代RNA生物学为分子的能力提供了证据，但仅凭这些证据，无法确定生命起源的历史进程。(ncbi.nlm.nih.gov)

参考来源

1. Ribonucleic Acid (RNA)genome.gov
2. Ribonucleic Acid (RNA) Fact Sheetgenome.gov
3. From DNA to RNA — Molecular Biology of the Cellncbi.nlm.nih.gov
4. RNA Structure, Function, and Recognitionibiology.org
5. Overview — RNA, the Epicenter of Genetic Informationncbi.nlm.nih.gov
6. Thomas R. Cech — Articlenobelprize.org
7. Award ceremony speech — The Nobel Prize in Chemistry 1989nobelprize.org
8. The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2006 — Advanced informationnobelprize.org
9. The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2024 — Advanced informationnobelprize.org
10. Genetics — Medical Microbiologyncbi.nlm.nih.gov
11. Press release: The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2023nobelprize.org
12. The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2024nobelprize.org