问题

为什么Rna分子中的发卡结构是由DNA中的同向重复顺序转录的?

回答
RNA分子中发卡结构之所以常常是由DNA中的同向重复序列转录而来,这背后有着深刻的分子机制和生物学意义。理解这一点,我们需要从DNA结构、RNA合成以及RNA的功能这三个层面来深入剖析。

一、 DNA中的同向重复序列:发卡结构的“蓝图”

首先,我们要明白什么是DNA中的同向重复序列。在DNA的碱基序列中,同向重复指的是在一条链上,相隔一段距离出现两个相似的序列,而且这两个序列的走向是相同的(即都是5'到3'的方向)。更具体地说,发卡结构在DNA层面就预示着将要转录出具有形成发卡潜力的RNA序列。

在DNA双链的编码链(或非编码链,取决于转录方向)上,存在着这样的排列:

顺序重复(Palindromic sequences): 这是一种特殊的同向重复,指的是DNA序列在同一条链上从左向右读与从右向左读的碱基组成相同,但遵循碱基配对规则。例如,5'GAATTC3' 在其反向互补链上是 3'CTTAAG5'。当进行转录时,编码链(5'到3')的序列被读取并转化为RNA的5'到3'序列。如果DNA中存在类似“颠倒重复”的结构,即一条链上的序列与另一条链上的序列在同一位置的序列相反且互补,那么转录出的RNA就会包含“回文序列”。
重复序列(Repetitive sequences): 更广义地讲,DNA中也存在着简单重复序列,比如串联重复(tandem repeats)或者间隔重复(interspersed repeats)。虽然不是典型的回文序列,但如果这些重复序列的模式足够相似,并且在转录后能够形成互补的碱基配对,也能驱动发卡结构的形成。

最能直接催生RNA发卡结构的是DNA中的回文序列(Palindromic sequences)。因为当DNA中的回文序列被转录成RNA时,RNA分子本身就会包含一个“回文结构”,这为RNA内部形成茎环结构奠定了基础。

二、 RNA转录过程:将DNA指令转化为RNA序列

RNA聚合酶在转录过程中,沿着DNA模板链(antisense strand)读取碱基序列,并按照碱基配对规则(A与U配对,G与C配对)合成RNA链。

DNA回文序列 vs. RNA回文结构:
假设DNA模板链上有序列 ...GATC...
编码链上与之对应的是 ...CTAG...
若DNA编码链是 5'CTAG3',那么RNA转录出来的就是 5'CUAG3'。
现在,考虑一个DNA回文结构:编码链上是 5'GAATTC3'。
DNA模板链上对应的就是 3'CTTAAG5'。
转录出的RNA序列(基于模板链)将是 5'CUAAUC3'。
但是,我们通常讨论RNA发卡结构时,是指RNA分子内部的碱基配对。当我们说DNA的“同向重复”转录出RNA发卡结构时,更准确地说,是指DNA中的回文序列(palindromic sequences)。例如,DNA编码链上存在序列 `...ABCDEFG...`,而与其相隔一定距离的另一端,DNA编码链上又出现了 `...GFEDCBA...` 的序列,但要注意,这里的“回文”是指在同一条链上从一端到另一端的碱基序列,与从另一端到这一端的碱基序列互补配对。
举个例子:DNA编码链上是 `5'ATGCGTACG3'`,后面跟着 `5'CGTACGCAT3'`。这在结构上是不直接形成RNA发卡的。
真正的DNA回文序列(也常被称为“内在对称性”)是这样的:如果DNA编码链是 `5'AGCTTCGA3'`,那么在其反向互补链上,从DNA 3'端到5'端读是 `5'TCGAAGCT3'`。
关键在于,当DNA的编码链含有类似 `5'XXXYYYZZZ3'` 这样的序列,而DNA的模板链含有 `3'YYYXXXRRR3'` 这样的序列,然后RNA聚合酶读取模板链的 `3'YYYXXXRRR3'`,转录出的RNA是 `5'RRRXXXUUU3'`。如果DNA的编码链本身包含一个回文结构,比如 `5'GCGTATGC3'`,那么模板链就是 `3'CGGCATCG5'`。RNA聚合酶读取模板链,得到RNA是 `5'GCGCAUGC3'`。注意,这个RNA序列本身并没有直接形成发卡。
正确的理解是:DNA中的回文序列(Palindromic sequences)是指在同一条DNA链上的序列,其反向互补序列与自身相同。 例如,DNA编码链上是 `5'AGCTAGCT3'`,那么它不是一个回文序列。一个DNA回文序列的例子是编码链的 `5'GCATGC3'`,那么在它所在的同一条链的另一端,会有一个与之相匹配的、可以形成互补配对的序列。更精确地说,如果DNA编码链是 `5'ATGCGTACG3'`,那么对应的模板链是 `3'TACGCATGC5'`。如果我们在编码链上看到 `5'ABC...CBA3'` 这样的结构,那么转录出的RNA就是 `5'ABC...CBA3'`,这个RNA序列本身就具备形成双链区域(茎)的潜力。
更贴切的说法是:DNA中的“内向重复”(Inverted repeats)序列,是指DNA的同一条链上存在两个相似但方向相反的序列。 例如,编码链上是 `5'AGCT...TCGA3'`,其中 `AGCT` 和 `TCGA` 是内向重复。当RNA聚合酶转录时,它会读取DNA模板链,而这个模板链上对应的序列会是 `3'TCGA...AGCT5'`。转录出来的RNA就是 `5'AGCT...TCGA3'`。这个RNA序列本身就包含了可以自我互补的区域,即 `AGCT` 部分可以与 `TCGA` 部分配对,从而形成茎(stem)结构,而中间未配对的区域则形成环(loop)结构,最终构成发卡结构。

三、 RNA形成发卡结构:RNA自身的功能实现

RNA转录完成后,就形成了一条单链。然而,RNA分子并非仅仅是简单的“复制品”,它具有折叠成三维结构的能力。当RNA分子中存在互补的碱基序列时,这些序列会通过氢键相互配对,形成双链区域。

茎(Stem): 在发卡结构中,茎是由RNA分子内部两条反向互补的碱基序列(即由DNA内向重复序列转录而来)形成的双链区域。AU配对和GC配对构成了茎的骨架。
环(Loop): 位于茎的两端,是未参与配对的单链区域,这部分通常是RNA序列中“回文”或“内向重复”部分的间隔。
形成机制: RNA聚合酶在转录DNA时,并不是一步完成整个基因的转录。它会随着RNA链的延伸而前进。当遇到DNA模板链上的内向重复序列时,转录出的RNA链也包含了相应的反向互补序列。这些反向互补序列在RNA分子内部会相互靠近,并通过碱基配对形成双链区域。随着RNA链的继续延伸,未配对的序列就被“挤压”到双链区域的两端,形成了环状结构。

为什么DNA中的同向重复(特别是内向重复和回文序列)是RNA发卡结构的“蓝图”?

1. 提供序列基础: 发卡结构本质上是RNA分子内部形成了双链区域,这需要RNA分子自身包含互补的序列。DNA中的内向重复序列或者回文序列,在转录过程中恰好能生成RNA分子中具有这种互补性的片段。
2. 提高形成概率: DNA中的这种特定序列模式并非随机出现,而是经过了自然选择的优化,能够有效地指导RNA形成稳定的发卡结构。如果DNA序列是随机的,转录出的RNA也很难形成有意义的发卡结构。
3. 调控基因表达: RNA发卡结构在生物学中扮演着至关重要的角色。例如:
终止转录: 在原核生物中,某些rho非依赖性的转录终止信号就是包含了一个RNA发卡结构,紧接着是一个富含U的序列。发卡结构形成时,RNA聚合酶的速度会减慢,当富含U的序列通过时,UA配对不稳定,容易导致RNA与DNA模板分离,从而终止转录。
调控mRNA稳定性: 发卡结构可以影响mRNA在细胞内的稳定性,使其不易被核酸酶降解。
参与RNA加工: 在前体tRNA和rRNA的成熟过程中,发卡结构是必不可少的,它们指导了核酸酶对RNA进行精确的切割和修饰。
作为小RNA的 precursor: microRNA (miRNA) 就是由编码它们的DNA转录而来,形成一个包含发卡结构的初级转录产物 (primiRNA),然后被Dicer等酶加工成成熟的miRNA。

总结来说,DNA中的同向重复序列(尤其是内向重复和回文序列)是RNA分子能够形成发卡结构的“基因密码”。 转录过程就是RNA聚合酶按照DNA的序列“复制”信息,当遇到DNA的特定结构(如内向重复)时,就生成了RNA分子中具有自我互补潜力的序列。这些RNA分子凭借其自身的化学性质,在溶液中折叠,利用碱基配对形成茎环结构,从而实现多种重要的生物学功能。DNA的精心设计,使得RNA在诞生之初就拥有了形成特定结构的能力,这体现了遗传信息的精确传递和生物分子之间精妙的协同作用。

网友意见

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反向重复序列,就是从一条链的3'端到5'端,和另一条链的3'端到5'端,有反向相同的碱基序列,如下图。

形成RNA时易成为发卡结构,也如下图。

这个是反向的

如下是某百科的图

发卡结构有两种,一种是上端没有环的,一种是有环的,就像t RNA中的三叶草结构中的那种,那就是发卡结构。

反向重复和回文序列都可能是发卡结构的成因。

如下是回文结构的定义。

回文结构广泛存在于各种生物体基因组中。它可以在质粒、病毒和细菌基因组DNA以及真核染色体和细胞器中找到,并且广泛分布于人类癌细胞中。基因组某一DNA由于自身单链DNA上有反向重复序列而自已配对,形成发夹结构或茎环结构。

DNA中的同向重复序列如下(题主把序列打错成顺序了哦)画的有点短,我大概意思一下啦~

... AGCTTAGCCGTTAAGCTTAGCCGTTA....

...TCGAATCGGCAATTCGAATCGGCAAT....

如果以上面那条DNA链为模板链,转录出的RNA应为
...UCGAAUCGGCAAUUCGAAUCGGCAAU...

由此观之,这样是不成立的。所以发卡结构的定义也是这样。反向的DNA链。


发夹结构的作用:控制转录的终止、翻译的效率以及mRNA的稳定性。

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