RNA背景知识全解 | 核酸提取专题

在先前的学习中，小师妹对核酸的前世今生做出了一个梳理（核酸惊心动魄的百年史 | 核酸提取专题），然而想真正的掌握好核酸提取，还得从基础抓起，今天就先来和小师妹一起学习RNA的背景知识。

01RNA的定义

图1.1 RNA组成

核糖核酸（Ribonucleic Acid，简称RNA）是一种存在于生物细胞以及部分病毒、类病毒中的遗传信息载体，是由核糖核苷酸通过磷酸二酯键连接而成的长链聚合分子。这种聚合分子，在基因的编码、解码、调节和表达中具有多种生物学作用。RNA和DNA都属于核酸范畴，并且与脂质、蛋白质和碳水化合物一起构成了所有已知生命形式必不可少的四个主要大分子。与DNA一样，RNA组装成一条核苷酸链，但与DNA不同的是，绝大部分在自然界中发现的RNA是一条折叠在其自身上的单链，而不是一对双链。细胞有机体使用信使RNA（mRNA）来传达指导特定蛋白质合成的遗传信息（使用鸟嘌呤、尿嘧啶、腺嘌呤和胞嘧啶的含氮碱基，由字母G、U、A和C表示）。许多病毒使用RNA基因组编码其遗传信息。

02RNA分类

mRNA（信使RNA）

图1.2 message RNA

mRNA全称是信使RNA（message RNA），其功能是在蛋白分子合成过程中，作为“信使”分子，将基因组DNA的遗传信息传递至核糖体，使核糖体能够以其碱基排列顺序掺入互补配对的转运RNA（tRNA）分子中合成正确的肽链，实现遗传信息向蛋白质分子的转化。

rRNA（核糖体RNA）

图1.3 ribosomal RNA

rRNA全称核糖体RNA（ribosomal RNA），是组成核糖体的主要成分。核糖体是合成蛋白质的工厂，在大肠杆菌中，rRNA量占细胞总RNA量的75%～85%，tRNA占比15%，mRNA仅占比3%～5%。

rRNA一般与核糖体蛋白质结合在一起，形成核糖体（ribosome）。大肠杆菌核糖体的30S亚基由1分子沉降系数为16S的rRNA和21个核糖体蛋白组成。50S亚基则由2个rRNA分子和更多的蛋白质组成。如果把rRNA从核糖体上除掉，核糖体的结构就会发生塌陷。而真核生物主要有4种rRNA，它们分子大小分别是5S、5.8S、18S和28S，分别具有大约120、160、1,900和4,700个核苷酸。（S为沉降系数sedimentation coefficient，当用超速离心测定一个粒子的沉淀速度时，此速度与粒子的大小直径成比例。16S含有1,540个核苷酸，而23S含有2,900个核苷酸。）

tRNA（转运RNA）

图1.4 Transfer RNA

tRNA全称转运RNA（Transfer RNA）。由于合成蛋白质的原材料——20种氨基酸与mRNA的碱基之间缺乏特殊的亲和力，因此必须借助tRNA把氨基酸搬运到核糖体上，tRNA能根据mRNA的遗传密码，依次准确地将配对的氨基酸掺入正在合成的肽链中，实现肽链的延伸。所有tRNA的3’端都有相同的三个碱基（CCA），该位点是tRNA负载氨基酸残基的靶位。氨基酸通过其分子的羧基与tRNA末端腺苷的2’-OH或3’-OH间的酯键附着到tRNA上。每种氨基酸可与1-4种tRNA相结合，已知的tRNA的种类在40种以上。

miRNA（小RNA）

图1.5 microRNAs

miRNAs（microRNAs）是在真核生物中发现的一类内源性的具有调控功能的非编码RNA，其大小长约20~25个核苷酸。成熟的miRNAs是由较长的初级转录物（primary microRNA），经过一系列核酸酶的剪切加工而产生的，随后组装成RNA诱导的沉默复合体（RISC），通过碱基互补配对的方式识别靶mRNA，并根据互补程度的不同，在植物中通常指导沉默复合体降解靶mRNA，在动物中通常会抑制靶mRNA的翻译。最近的研究表明miRNA参与各种各样的调节途径，包括发育、病毒防御、造血过程、器官形成、细胞增殖和凋亡、脂肪代谢等等。

lncRNA（长链非编码RNA）

图1.6 Long non-coding RNA

lncRNA全称长链非编码RNA（Long non-coding RNA ），是长度大于200nt但不能翻译蛋白的一类非编码RNA。部分lncRNA带ployA尾巴，部分lncRNA没有polyA尾巴（如上图黄色部分所示）。lncRNA参与生物体内多种调控过程，目前lncRNA仍有大量的功能未明确。lncRNA来源包含内含子、antisense以及基因间区等。已知lncRNA可以行使cis调控和trans调控功能等。最近的研究显示细胞核仁内lncRNA（sno-lncRNA）还能够调控聚合酶转录，拓展了lncRNA的作用机制。

circRNA（环状RNA）

图1.7 circular RNA

circRNA也叫环状RNA（circular RNA），是一种新发现的非编码RNA，与一般线性RNA（liner RNA）不同的是环状RNA5’和3’首尾相连，呈现的是一种闭环的结构。相对线性RNA的开放结构，circRNA的闭环在稳定性上大大提升。circRNA有多种成环机制，包括外显子驱动环化、内含子配对驱动环化、RNA结合蛋白或反式因子驱动环化、内含子环化等。circRNA目前行使的调控作用主要包含竞争结合miRNA影响后续的转录调控，circRNA和RNA结合蛋白形成复合物影响后续的转录调控，甚至circRNA也能翻译出蛋白。

03RNA研究需求

已有的研究证实，同一物种个体中所有类型细胞含有的DNA相同，但是每一种细胞中所含的RNA都有细微的差异，这是细胞具有不同功能的基础和前体。为了研究这些不同细胞中RNA表达水平的差异，低通量的常规方式就是荧光定量PCR，也叫RT-qPCR或realtime-PCR。而研究一个组织或一大群细胞中整体RNA表达情况，就需要用到一项最新的技术——转录组学（transcriptome）。作为高通量测序组学技术之一，转录组学利用最新的二代或三代RNA测序技术不但可以对基因表达的情况进行整理和归类，也可以对不同样本之间的差异基因表达进行分析。

那么问题来了，想要获得高质量的测序数据都需要注意什么呢？一个完整的项目包含湿实验和干实验两个部分，想要干实验的数据分析行云流水，就要保证湿实验操作一帆风顺。湿实验包括了样本采集、包装、寄送、接收、提取、建库、质检、测序等环节，每一环节操作的好坏都会直接影响数据的质量。而样本采集、包装、寄送作为项目的开头环节更显得尤为重要，错误的采样方法、不严谨的样本包装、不合适的寄送条件都会直接导致还未到提取环节核酸就已降解，断送了继续实验的可能性，最终还是影响了项目的正常推进，造成了一些不必要的损失。所以，如何才能避免这些错误的发生呢？

后续我们将继续为大家推送样本采集、包装寄送、DNA/RNA提取、质检方法与质量要求以及特殊质控案例等一系列内容，还有独家典型案例与大家分享。

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