生物化学课件：核酸结构与功能

生物化学专题课件核酸结构与功能欢迎来到生物化学专题课堂！本课程将深入探讨核酸这一生命基石的结构与功能核酸作为生命的遗传物质，承载着生物进化和物种延续的密码，是现代生物学和医学研究的核心领域在接下来的课程中，我们将系统地学习核酸的化学组成、结构特点、生物学功能以及在现代科技中的应用通过理解核酸的奥秘，我们将揭示生命过程的复杂性和精妙性，也将了解当代生物技术如何利用核酸知识造福人类核酸简介核酸的定义发现简史核酸是由核苷酸聚合而成的大分子物质，是生物体内存储、传递年，瑞士科学家弗里德里希米歇尔首次从白细胞的细胞1869·和表达遗传信息的基本物质核酸的名称源于其最早从细胞核中核中分离出一种含磷的酸性物质，他将其命名为核素，这就是分离得到，但实际上它们在细胞的各个部分都有分布核酸的最早记录直到世纪年代，沃森和克里克揭示了2050的双螺旋结构，核酸研究才迎来革命性突破DNA核酸的分类（脱氧核糖核酸）DNA通常呈双链螺旋结构，由脱氧核糖、磷酸和四种碱基（、、、）组成A GC T主要功能是长期储存遗传信息，是生物遗传的物质基础稳定性高，适合长期存储信息•主要存在于细胞核内，少量在线粒体和叶绿体中•在细胞分裂前会进行复制，确保遗传物质的传递•（核糖核酸）RNA通常为单链结构，由核糖、磷酸和四种碱基（、、、）组成参与遗A GC U传信息的传递和表达，种类多样，功能各异稳定性较低，适合短期信息传递•分布更广泛，核内、细胞质、核糖体等处均有•主要类型包括、、及多种非编码•mRNA tRNA rRNA RNA生命中的核酸分布原核生物原核生物如细菌通常含有一个环状分子，称为基因组或染色DNA体，位于胞质中的核质区域，没有核膜包围许多细菌还含有质粒，这是独立于主染色体外的小型环状分子DNA真核生物真核细胞的主要存在于被核膜包围的细胞核中，以染色体形DNA式存在线粒体和叶绿体也含有少量，称为细胞器DNA DNA则主要在核内合成，然后转移到细胞质中执行功能RNA病毒病毒可以只含有一种类型的核酸（或），作为其遗传物DNA RNA质这些核酸可以是单链或双链的，线性或环状的，显示了核酸结构的多样性病毒的核酸被蛋白质外壳包围，不具有细胞结构核酸的基本组成核苷酸核酸的基本构建单元含氮碱基携带遗传信息的关键部分五碳糖构成核酸骨架的重要组成磷酸基团连接核苷形成长链的桥梁核酸是由多个核苷酸通过磷酸二酯键连接而成的生物大分子每个核苷酸都包含三个基本组成部分含氮碱基、五碳糖和磷酸基团其中，含氮碱基是携带遗传信息的部分，五碳糖和磷酸基团则形成了核酸的骨架结构这种三部分结构使核苷酸既能通过磷酸二酯键形成长链分子，又能通过碱基序列携带丰富的遗传信息核苷酸的多样性主要来源于碱基的差异，这也是核酸能够编码大量遗传信息的基础五碳糖核糖核糖与脱氧核糖区别脱氧核糖D-2--D-中的五碳糖关键差异在位置中的五碳糖RNA2DNA分子式为₅₁₀₅仅一个氧原子的差异分子式为₅₁₀₄•C HO••C HO位置有基团导致结构稳定性不同位置无基团•2OH••2OH使化学活性更高影响核酸的功能特性使更稳定，适合信息存储•RNA••DNA磷酸基团单磷酸核苷酸二磷酸核苷酸三磷酸核苷酸由一个磷酸基团（₄⁻）与五碳糖的含有两个磷酸基团的核苷酸，如（腺含有三个磷酸基团的核苷酸，如（腺PO³ADP ATP位碳原子形成酯键连接这是核酸链中苷二磷酸）二磷酸核苷酸在能量代谢和苷三磷酸）三磷酸核苷酸是细胞能量代5的基本形式，如（腺苷酸）、信号传导中发挥重要作用，是连接单磷酸谢的核心分子，也是核酸合成过程中的直AMP GMP（鸟苷酸）等单磷酸核苷酸是构成和三磷酸核苷酸的中间体接前体在和合成过程中，三磷RNA DNA RNA和分子链的直接前体酸核苷酸提供能量并作为构建单元DNA含氮碱基种类嘧啶碱基单环结构的碱基，包括胞嘧啶（）和中均有•C DNA RNA嘌呤碱基胸腺嘧啶（）主要在中•T DNA尿嘧啶（）替代，主要在中•U TRNA双环结构的碱基，包括腺嘌呤（）和中均有稀有碱基•A DNA RNA鸟嘌呤（）和中均有•G DNA RNA通过修饰形成的特殊碱基假尿嘧啶（）在中常见•ΨtRNA甲基化碱基如甲基胞嘧啶•其他修饰碱基增强特定功能•嘌呤结构详解腺嘌呤（）鸟嘌呤（）A G腺嘌呤是一种嘌呤类碱基，分子式为₅₅₅，是构成鸟嘌呤也是嘌呤类碱基，分子式为₅₅₅，同样存在于C HN DNAC HN O和的重要组成部分其结构特点包括一个六元环和一个五和中其结构与腺嘌呤类似，但在第位有一个羰基RNA DNA RNA6元环组成的双环系统，在第位具有一个氨基（₂）（）和第位有一个氨基（₂）6-NH=O2-NH腺嘌呤能与胸腺嘧啶（在中）或尿嘧啶（在中）形成鸟嘌呤与胞嘧啶形成碱基对，通过三个氢键连接，使得配DNA RNAG-C碱基对，通过两个氢键连接腺嘌呤在等能量分子和多种对比配对更为稳定鸟嘌呤的羰基和氨基赋予其独特的氢键ATP A-T辅酶（如、）中也是核心成分，显示了其在生物化供体和受体特性，这对于核酸结构和功能稳定性至关重要鸟嘌NAD+FAD学过程中的多功能性呤还参与多种细胞信号分子的组成嘧啶结构详解12胞嘧啶（）胸腺嘧啶（）C T分子式₄₅₃，含有一个氨基位于第分子式₅₆₂₂，特点是在第位有一C HN O4C HN O5位，第位具有羰基在和中均有存个甲基团（₃），两个羰基分别位于第2DNA RNA-CH2在，可与鸟嘌呤形成三个氢键的稳定配对位和第位仅在中存在，与腺嘌呤形成4DNA两个氢键配对3尿嘧啶（）U分子式₄₄₂₂，结构与胸腺嘧啶类似，C HN O但第位无甲基主要存在于中，替代了5RNA的位置，同样与腺嘌呤形成两个氢键配对T嘧啶碱基是单环结构的含氮有机碱，它们的基本骨架是一个六元环这三种主要嘧啶碱基的微小结构差异决定了它们的不同性质和功能胸腺嘧啶和尿嘧啶的区别仅在于第位的甲基团，这一5微小变化是和的重要区别标志之一DNA RNA核苷与核苷酸命名规则核苷酸核苷酸的命名基于碱基、糖和磷酸基团数核苷核苷酸是由核苷与一个或多个磷酸基团结量例如，腺苷一磷酸（）、-5-AMP核苷是由含氮碱基与五碳糖（核糖或脱氧合而成的化合物磷酸基团通过酯键与核腺苷二磷酸（）、腺苷三-5-ADP-5-核糖）通过N-糖苷键连接形成的化合物，苷的5位碳原子连接核苷酸是核酸的基磷酸（ATP）等对于脱氧核苷酸，则在不含磷酸基团核苷的命名规则是将碱基本构建单元，也参与许多生化反应前面加上脱氧前缀，如脱氧腺苷三-5-名称的词尾改为苷，如腺苷、鸟苷等磷酸（）dATP核苷酸的连接磷酸二酯键核苷酸之间通过磷酸二酯键连接，形成核酸长链具体来说，一个核苷酸的位磷酸基团与另一个核苷酸的位羟基形成酯键，释放一分子水这种连接方53式使磷酸基团与两个糖分子相连，形成二酯结构方向性5→3核酸链具有明确的方向性，规定为从端到端这是因为核酸的合成始终是在端添加新的核苷酸，使链向方向延伸这一方向性对于遗传信息的正5335→3确读取和复制至关重要骨架结构通过磷酸二酯键连接形成的糖磷酸骨架构成了核酸的主干，而碱基则垂直于骨架伸展在双螺旋中，这一骨架位于外侧，碱基朝向内部，形成稳定的-DNA结构的一级结构DNA碱基序列的一级结构指的是核苷酸沿链的线性排列顺序DNA遗传编码碱基序列直接决定了遗传信息的编码方式基因表达特定的碱基序列组合形成基因，控制蛋白质合成的一级结构本质上是核苷酸的线性序列，类似于字母组成的文本这一序列中，四种碱基（、、、）的排列顺序直接决定了遗DNA AT GC传信息的内容人类基因组中约有亿个碱基对，这些碱基按特定顺序排列，编码了人体发育和功能所需的全部信息30序列中某些区域形成基因，通过转录和翻译过程指导蛋白质的合成基因之间的非编码区也具有重要的调控功能碱基序列的微小变化（突变）可能导致蛋白质结构改变，引起遗传疾病因此，一级结构的完整性对生命活动至关重要DNA的一级结构RNA单链特性尿嘧啶替代胸腺嘧啶与不同，通常以单中使用尿嘧啶（）替DNA RNA RNA U链形式存在，这使得分代中的胸腺嘧啶（）RNA DNAT子能够折叠形成多样的二级和尿嘧啶合成代谢成本较低，且三级结构单链特性赋予更适合作为临时信息载RNA更灵活的结构和功能多体的功能这一差异是区分RNA样性，使其能够执行催化、调和的关键标志之一DNARNA控等多种生物学功能序列变异性的序列具有高度变异性，适应其多样化的功能需求不同类型的RNA（如、、）具有特定的序列特征，与其功能RNA mRNA tRNA rRNA紧密相关转录过程中的选择性剪接进一步增加了序列的多样性RNA的双螺旋模型DNA历史突破年，詹姆斯沃森和弗朗西斯克里克基于罗莎琳德富兰克林的1953···X射线衍射数据，提出了双螺旋结构模型这一发现被认为是现代生DNA物学中最重要的突破之一，为他们赢得了年诺贝尔生理学或医学1962奖结构特点双螺旋由两条核苷酸链围绕共同轴线以相反方向盘旋形成两链通DNA过碱基之间的氢键配对连接，形成梯子状结构糖磷酸骨架位于外侧，-碱基对位于内侧这种排列使带负电荷的磷酸基团远离彼此，减少了静电排斥稳定性机制双螺旋结构的稳定性主要来源于三个因素碱基间的氢键、碱基堆DNA积作用（相邻碱基之间的范德华力和疏水相互作用）以及与环境中水分子的相互作用这种多重稳定机制确保了遗传信息的安全存储碱基互补配对碱基对氢键数量稳定性配对类型腺嘌呤胸腺嘧啶个较低沃森克里克型-2-A-T鸟嘌呤胞嘧啶个较高沃森克里克型-3-G-C腺嘌呤尿嘧啶个较低中配对-2RNAA-U其他非典型配对变化通常较低非沃森克里克型-碱基互补配对是双螺旋结构和遗传信息复制的基础在这一原则下，腺嘌呤总是与胸腺DNA嘧啶配对，鸟嘌呤总是与胞嘧啶配对这种严格的配对规则保证了遗传信息在复制和传递过程中的精确性配对因为具有三个氢键，比配对（两个氢键）更稳定因此，中含量高的G-C A-T DNAG-C区域通常具有更高的热稳定性这种稳定性差异在分子生物学技术中有重要应用，如引PCR物设计和解链温度计算DNA双螺旋结构参数螺距（）直径（）Pitch Diameter型的螺距约为纳米，型双螺旋的直径约为B DNA

3.4B DNA2即沿着螺旋轴上升一整圈的距纳米这种紧凑的结构使离这一数值对于理解能够有效地包装在细胞DNA DNA的空间结构和与蛋白质的相互核中直径与细胞核孔、DNA作用至关重要不同类型的染色质结构和结合蛋白DNA（如型或型）可能具的尺寸相适应，是细胞核生物DNA AZ有不同的螺距值学中的重要参数每圈碱基对数标准型每完成一圈螺旋约含有个碱基对，平均每个碱B DNA10-

10.5基对上升纳米这一参数影响的扭转性质和超螺旋化程度，

0.34DNA与基因表达调控相关在细胞环境中，这个数值可能因蛋白质结合而略有变化的型、型、型结构DNA AB Z超螺旋和拓扑结构DNA超螺旋的形成生物学意义当闭合环状的双螺旋被扭曲，增加或减少扭转数时，分子会形成超螺旋结构这种超螺旋在生物体内具有重要意义首先，它帮助在有限空间内更紧凑地包装，如细菌染DNA DNA DNA拓扑变化可以由拓扑异构酶介导，也可以在复制和转录过程中自然产生色体和线粒体其次，超螺旋状态影响与蛋白质的相互作用，调控基因表达DNA DNA根据扭转方向，超螺旋可分为正超螺旋（过度缠绕）和负超螺旋（不足缠绕）负超螺旋更为细胞通过拓扑异构酶（如旋转酶和陀螺酶）精确控制的超螺旋化程度这些酶DNA DNA DNA常见，有利于的局部解链，促进转录和复制的启动可以引入或解除超螺旋，维持的拓扑状态平衡许多抗生素和抗癌药物正是通过干扰这DNA DNA些酶的活性发挥作用染色质与核小体核小体结构核小体是染色质的基本结构单位，由约个碱基对的缠绕在组146DNA蛋白八聚体（两个二聚体和一个四聚体）周围形成H2A-H2B H3-H4每个核小体直径约为纳米，呈圆盘状相邻核小体之间由连接11DNA（长度约为个碱基对）相连20-80染色质水平核小体进一步折叠形成纳米纤维，这是通过核小体间的相互作用和30组蛋白的参与实现的纳米纤维继续高度压缩，形成染色质环和H130更高级别的结构，最终在细胞分裂期形成高度浓缩的染色体组蛋白修饰与基因调控组蛋白可以通过多种方式修饰，如甲基化、乙酰化、磷酸化等，这些修饰影响染色质的结构和基因表达例如，组蛋白乙酰化通常与基因激活相关，因为它减弱了组蛋白相互作用，使更容易被转录机DNA-DNA制接触基因组的层次结构染色体高度浓缩的染色质结构，在细胞分裂时可见1染色质区域功能相关的染色质段，具有独特的调控特性染色质环通过特定蛋白复合物形成的高级组织结构染色质纤维4核小体链进一步螺旋折叠形成的结构核小体5与组蛋白八聚体形成的基本单位DNA基因组的层次结构是生物信息存储和表达的物理基础从最基本的双螺旋到高度压缩的染色体，各层次结构精密组织，确保了遗传物质的完整性和功能性这种多层次包装不仅解决DNA了将长达米的装入微米级细胞核的空间问题，还提供了基因表达调控的多个层面2DNA现代研究表明，基因组的三维组织对基因调控至关重要染色质环的形成使远距离序列在空间上接近，促进增强子与启动子的相互作用同时，异染色质和常染色质的区域划分也与DNA基因活性密切相关了解这些结构对揭示基因表达调控机制具有重要意义的变异与修饰DNA甲基化羟甲基化其他修饰DNA DNA DNA甲基化是最常见的羟甲基胞嘧啶是除甲基化外，还可DNA5-DNA表观遗传修饰，主要发甲基化的氧化产物，以发生其他修饰，如磷DNA生在胞嘧啶的位碳原由蛋白家族催化形酸化、糖基化等这些5TET子上，形成甲基胞嘧成最初被认为是修饰可以改变的物5-DNA DNA啶在哺乳动物中，甲去甲基化的中间产物，理化学性质，影响其与基化主要发生在二但研究发现其也具有独蛋白质的相互作用某CpG核苷酸上甲基化立的生物学功能羟甲些修饰可作为损伤DNA DNA通常与基因沉默相关，基化水平在大脑中特别标记，参与修复过DNA在基因表达调控、染高，可能与神经发育和程细菌中的限制性修X色体失活和印记基因表功能相关饰系统也利用修饰DNA达中发挥重要作用（如腺嘌呤甲基化）来区分自身和外来DNADNA高等生物的重复序列DNA卫星转座子DNA卫星由高度重复的短序列组成，通常位于转座子是能够在基因组中跳跃的序列，DNADNA染色体端粒和着丝粒区域根据重复单元的长占人类基因组的约根据转座机制，可分45%度和特征，可分为微卫星（短串联重复，为转座子和逆转录转座子（如、2-DNA LINE）、小卫星（）和经典卫星等）6bp10-100bp SINE（更长重复单元）DNA（长散在重复序列）占人类基因组约•LINE微卫星序列具有高多态性，常用于基因组•17%印记和亲子鉴定（短散在重复序列）包括元件，•SINE Alu卫星在染色体结构维持和细胞分裂中占人类基因组约•DNA11%发挥重要作用转座子活动可能导致基因突变和染色体重•某些卫星的不稳定性与遗传疾病相关排•DNA重复基因家族重复基因家族是由进化过程中基因复制产生的相似基因组成典型例子包括组蛋白基因家族、球蛋白基因家族和核糖体基因RNA人类基因组中约有个不同的重复单位•1000rRNA重复基因可能经历功能分化，获得新功能•基因复制是基因组进化和新功能产生的重要机制•的二级结构RNA发夹结构（）Hairpin发夹结构是最常见的二级结构元件，由茎环（）组成当单链中相距不远的互补序列配对时，形成双链茎部和单链环部这种结构在许多分子中RNA stem-loop RNA RNA发挥重要作用，如的翻译终止、的反密码子环，以及核糖开关中的调控区域mRNA tRNA内环和突出内环（）是双链区域中的未配对区段，两侧均有碱基配对突出（）是仅在一条链上有未配对核苷酸的区域这些结构常作为蛋白质和小分子的识internal loopRNA bulge别位点，在蛋白质相互作用中具有重要作用一些药物正是通过靶向这些特殊结构发挥功能RNA-假结和多分支环假结（）是一种更复杂的结构，由一个环中的碱基与环外序列配对形成多分支环（）则是三个或更多茎连接的交叉点这些高级结构pseudoknot multi-branched loop在催化、核糖体和病毒中尤为常见，与的功能密切相关，如核糖体的肽基转移活性RNA RNA RNA RNA结构与功能mRNA帽结构编码区与非编码区多腺苷酸尾53真核生物端的特殊修饰，由甲基包含翻译成蛋白质的编码区（）多聚尾是在大多数真核端添加的mRNA57-mRNA CDSA mRNA3鸟嘌呤核苷通过三磷酸键与的第以及不被翻译的和非翻译区（）一段多腺苷酸序列，长度约为个腺5-5mRNA53UTR100-250一个核苷酸连接帽结构在保护免受含有核糖体结合位点和翻译调控元件，苷酸尾与特定蛋白质结合，保护免mRNA5UTR AmRNA核酸酶降解、促进出核和参与翻译起而包含影响稳定性和定位的调受端核酸酶降解，增加稳定性此外，mRNA3UTR mRNA3mRNA始过程中发挥关键作用控序列编码区以起始密码子（通常是）多聚尾也参与出核和翻译效率调控过AUG AmRNA开始，以终止密码子结束程结构与适应功能tRNA三叶草结构反密码子环的二级结构呈现经典的三叶草形状，反密码子环位于的中部，含有识别tRNA tRNA包含接受茎、环、反密码子环和环密码子的三个核苷酸（反密码D TΨC mRNA这种二级结构是由分子内碱基配对形成的子）通过碱基互补配对原则，反密码子1在三维空间中，实际呈现形结构，与上的密码子结合，实现遗传密tRNA LmRNA2两端分别是氨基酸接受端和反密码子所在码的翻译一些位置的核苷酸经过修饰，端可扩展识别能力，称为摇摆配对修饰核苷酸氨基酰化位点含有大量修饰核苷酸，是生物体内的末端具有保守的序列，tRNA tRNA3CCA A修饰最丰富的这些修饰对的核苷酸的是氨基酸连接位点氨RNA tRNA3-OH3稳定性、正确折叠和功能至关重要例如，基酰合成酶能特异识别并催tRNA tRNA反密码子首位的修饰对于密码子识别精确化相应氨基酸的连接这种高度特异性确性和效率具有决定性作用，是解码系统的保了遗传密码翻译的准确性，是蛋白质合重要组成部分成精确性的关键保障结构与核糖体功能rRNA原核生物核糖体真核生物核糖体原核生物核糖体沉降系数为，由大亚基和小亚基真核生物核糖体沉降系数为，由大亚基和小亚基70S50S30S80S60S40S组成亚基包含（约核苷酸）、组成亚基包含（约核苷酸）、50S23S rRNA29005S60S28S rRNA

50005.8S（约核苷酸）和约种蛋白质亚基包含和以及约种蛋白质亚基包含rRNA1203430S16S rRNA5S rRNA4940S18S（约核苷酸）和约种蛋白质（约核苷酸）和约种蛋白质rRNA154021rRNA190033原核生物核糖体结构相对简单，高效执行蛋白质合成功能真核生物核糖体结构更为复杂，拥有更多的扩展区域和特有功能含有识别上序列的区域，区其功能活性中心（肽基转移酶活性所在区域）在进化上高度16S rRNAmRNA Shine-Dalgarno参与翻译起始过程具有肽基转移酶活性，催化肽保守，表明核糖体的核心功能在生物进化过程中保持相对稳定23S rRNA键形成，这一发现证明可具有催化功能真核生物翻译起始过程复杂，涉及多种辅助因子RNA与其他种类snRNA RNA与前体剪接与加工其他功能性非编码snRNA mRNA snoRNA RNA RNA小核（，）是一小核仁（，）细胞中还存在多种其他非编码如是RNA smallnuclear RNAsnRNA RNAsmall nucleolarRNAsnoRNA RNA7SL RNA类存在于真核细胞核内的非编码，长度约主要定位于核仁，参与的修饰过程根据保守信号识别颗粒的组成部分，参与蛋白质分泌过程；核RNArRNA核苷酸最著名的是、、、序列和功能，可分为（引导甲基糖酶具有催化活性，参与前体加工；100-300U1U2U4C/D boxsnoRNA PRNA tRNA和，它们与蛋白质形成核内核糖核蛋化）和（引导假尿苷形成）端粒酶提供模板用于端粒合成还有调控U5U6snRNA H/ACA boxsnoRNA RNA DNA白复合物（），构成剪接体的核心成分，参这些修饰对的正确折叠和功能至关重要、指导等执行各种特殊功能snRNP rRNA RNA RNA与前体的剪接过程mRNA和microRNA siRNA的生物发生介导的干扰基因沉默机制microRNA siRNA RNA（）是长度约核小干扰（）长度也约为和通过类似但又存在差microRNA miRNA22RNA siRNA22miRNA siRNA苷酸的内源性非编码，主要通过抑核苷酸，主要来源于外源双链的切异的机制发挥功能它们通常与RNA RNA制翻译或促进其降解来调控基因割被整合入诱导的沉默复蛋白结合形成复合物，mRNA siRNA RNA ArgonauteRISC表达基因首先被转录成初级合物（），引导其识别并切割完全其中包含的单链小指导复合物识别miRNA RISCRNA转录物（），经酶互补的目标机制是生物特定靶标在动物中，通常与pri-miRNA DroshamRNA siRNA miRNA切割形成前体（体抵抗病毒和转座子活动的防御系统，靶部分互补，导致翻译抑制或miRNA pre-mRNA），后者被输出到细胞质并由也被广泛应用于基因功能研究和潜在的不稳定；而通常要求完全miRNA mRNAsiRNA酶进一步加工形成成熟治疗策略互补，导致被切割Dicer miRNAmRNA最新研究进展lncRNA染色质调控功能转录调控功能疾病相关研究长链非编码（）已被证实能够越来越多的证据表明在转录过程中发与多种疾病的发生发展密切相关，特RNA lncRNA lncRNA lncRNA通过多种方式调控染色质状态例如，挥多种调控作用例如，一些可以作别是在癌症研究领域取得重要进展例如，XIST lncRNA通过招募染色质修饰酶使整条染色体失活；为诱饵结合转录因子，阻止其与结合；、、等在多X DNAMALAT1HOTAIR H19lncRNA通过结合和这两种染色另一些则可以充当支架，促进转录激种癌症中表达异常，参与肿瘤的形成、转移和HOTAIR PRC2LSD1lncRNA质修饰复合物，介导基因的表观遗传沉默最活复合物的组装一项突破性研究发现，一些耐药性最新研究还发现在神经退行lncRNA新研究揭示了更多在染色质三维结构增强子区域转录产生的（增强子）性疾病、自身免疫性疾病等方面的重要作用lncRNA eRNA RNA组织中的作用，如促进增强子与启动子相互作能够稳定转录因子与增强子的结合，促进基因基于的诊断标志物和治疗靶点开发已lncRNA用表达成为研究热点核酸的主要生物学功能综述遗传信息存储作为遗传物质，长期稳定存储生物信息DNA遗传信息传递通过复制和遗传实现代际信息传递基因表达从到到蛋白质的中心法则过程DNARNA生物功能调控4各类参与复杂的细胞活动调节RNA核酸是生命活动的核心分子，其功能远超早期认识不仅仅是静态的信息库，还通过结构变化和表观遗传修饰参与基因表达调控分子的功能多样性更是DNARNA超出预期，从信息传递者（）到功能执行者（、），再到调控因子（、）和催化分子（核酶）mRNA rRNAtRNA miRNAlncRNA现代研究揭示了核酸在细胞信号传导、免疫识别、发育调控等领域的新功能例如，环形作为海绵调节基因表达；细胞外游离作为细胞通讯RNAmiRNA DNA/RNA的信使；结构多态性为细胞提供适应环境变化的调节机制这些发现不断丰富我们对核酸功能的认识，也开辟了疾病治疗的新途径RNA复制的分子机制DNA复制起始复制延伸复制始于特定的起始位点（复制起DNA聚合酶在引物的端添加脱氧核DNA3-OH点），在原核生物中通常只有一个起点，苷酸，延伸链由于聚合酶只能DNA DNA而真核生物则拥有多个起点起始过程中，在方向合成，导致在前导链上5→3DNA解旋酶首先解开双螺旋，形成复制泡；单连续合成，而在滞后链上则以片段（冈崎链结合蛋白稳定暴露的单链；引物酶DNA2片段）形式不连续合成随后，连接DNA合成引物，为聚合酶提供RNA DNA3-酶将这些片段连接起来，形成完整的新链端OH复制保真性复制终止为确保遗传信息准确传递，复制具有当复制叉到达终止区域或与另一复制叉相DNA4多重保证机制聚合酶具有外遇时，复制过程终止在环状染色体中，DNA3→5切酶活性，能够纠正错配的核苷酸；复制可能出现拓扑问题，需要拓扑异构酶介入后的错误修复系统能识别并修复复制过程解决在线性染色体中，端粒复制是特殊中遗漏的错误这些机制将复制错误率控挑战，需要端粒酶等特殊机制解决末端复制在极低水平（约至）制问题，防止染色体端部的逐渐缩短10^-910^-10修复与重组DNA碱基切除修复碱基切除修复（）主要修复单个碱基的损伤，如脱氨、氧化和烷基化损伤该过程包括识别和切除损伤碱基、切断糖磷酸骨架、填补缺口和连接BER-关键酶包括糖基化酶、核酸内切酶、聚合酶和连接酶DNA APDNAβDNA短补丁仅替换单个核苷酸•BER长补丁替换个核苷酸•BER2-10修复效率高，对维持基因组稳定性至关重要•核苷酸切除修复核苷酸切除修复（）主要修复导致螺旋结构扭曲的大型损伤，如紫外线引起的嘧啶二聚体该系统能识别广泛的损伤类型，切除包含损伤的一NER DNA段（约个核苷酸），然后合成新填补缺口DNA24-32DNA全基因组修复全基因组范围内的损伤•NER转录偶联优先修复活跃转录基因的损伤•NER缺陷导致色素性干皮病等疾病•错配修复错配修复（）系统识别并修复复制过程中产生的碱基错配和小的插入缺失该系统能区分新合成链和模板链，选择性地修复新链上的错误，MMR DNA/保证修复的正确方向关键蛋白包括和家族成员•MSH MLH缺陷与遗传性非息肉病结直肠癌相关•提高复制保真度约倍•DNA100-1000双链断裂修复双链断裂（）是最严重的损伤类型，可通过非同源末端连接（）或同源重组（）修复直接连接断裂末端，可能导致序列丢DSB DNANHEJ HRNHEJ失；使用姐妹染色单体作为模板，通常更为精确HR主要在期活跃，速度快但精确度低•NHEJ G1主要在期活跃，需要同源序列•HR S/G2等基因突变影响，增加癌症风险•BRCA1/2HR转录机制RNA转录起始转录起始是合成的第一步，涉及聚合酶与启动子的结合和转录复合物的RNA RNA形成在原核生物中，聚合酶核心酶需要与因子结合形成全酶，识别启动RNAσ子区域特定序列在真核生物中，这一过程更为复杂，需要基础转录因子（如、等）和聚合酶共同参与TFIIA TFIIBRNA II转录延伸转录延伸过程中，聚合酶沿模板链移动，催化核糖核苷酸按照碱基互补RNADNA配对原则与模板链结合，形成磷酸二酯键，合成链这一过程是以方RNA5→3向进行的，即新添加的核苷酸连接到链的端延伸过程中，双链被暂RNA3DNA时分开形成转录泡，随着聚合酶前移，已通过的重新结合成双螺旋DNA转录终止转录终止机制在原核和真核生物中存在显著差异在大肠杆菌中，有两种主要的终止方式非依赖性终止（依赖发夹结构和富集序列）和依赖性终止Rho URho（需要蛋白参与）真核生物中，聚合酶的终止与多聚腺苷酸化密切Rho RNAII相关，涉及特定的终止序列和多种蛋白因子的参与逆转录作用基因表达调控原核生物调控1操纵子模型是原核生物基因表达调控的经典模式，包括调节基因、启动子、操纵基因和结构基因以大肠杆菌乳糖操纵子为例，当缺乏乳糖时，阻遏蛋白结合操纵基因，阻止转录；存在乳糖时，乳糖与阻遏蛋白结合，使其构象改变不能结合真核生物转录调控操纵基因，允许转录进行真核生物的转录调控更为复杂，涉及多种调控元件启动子是聚合酶结合的RNA核心区域；增强子可位于离基因较远处，通过与转录因子结合，促进转录起始；表观遗传调控3沉默子则抑制基因表达转录因子可识别特定序列，招募共激活或共抑制因DNA子，影响染色质结构和转录机器的装配表观遗传调控不改变序列，而是通过修饰核酸或染色质结构影响基因表达DNA甲基化通常与基因沉默相关；组蛋白修饰（如乙酰化、甲基化、磷酸化等）DNA影响染色质结构，进而影响基因表达；非编码如和也参与转录后调控RNAlncRNAmiRNA表观遗传调控，作用于多个层面转录后调控发生在加工和翻译过程中包括剪接（可通过选择性剪接RNARNA产生不同蛋白质异构体）、编辑（通过修改序列改变编码信息）、RNARNA稳定性调控（通过调节半衰期影响蛋白质产量）以及翻译调控mRNA mRNA（通过影响翻译效率控制蛋白质合成）翻译过程与解码mRNA翻译起始肽链延伸与终止翻译起始是蛋白质合成的第一步，原核和真核生物存在明显差异延伸阶段，核糖体位结合氨酰，位含有生长中的肽链，A-tRNA P在原核生物中，亚基首先与上的序列结合，同时肽基转移酶催化肽键形成随后核糖体位移，位空出接受下一30S mRNASD A招募起始；在真核生物中，小亚基首先与个氨酰这一循环重复直至遇到终止密码子核糖体移tRNA eIF2-GTP--tRNA复合物结合，再与的帽结构相互作用，扫动需要能量（水解）和延伸因子的参与Met-tRNAi mRNA5GTP描直至识别起始密码子当位遇到终止密码子时，释放因子而非结合，催化肽链AtRNA起始是翻译速率的主要限制步骤，也是调控的重点原核生物通释放并水解最后一个肽酰键随后，核糖体释放因子促-tRNA常以起始，但也可使用其他密码子；真核生物主要使用使核糖体解离为亚基，可再次参与新一轮翻译翻译终止的精确AUG，且周围序列（序列）影响起始效率辅助因子如控制对防止蛋白质延伸或提前终止至关重要AUG Kozak真核起始因子（）在此过程中发挥关键作用eIF信号转导中的核酸角色核糖开关信号网络miRNA核糖开关是中能结合小分形成复杂的调控网络，mRNA microRNA子并改变自身构象的调控元件，主参与几乎所有重要的细胞过程一要存在于细菌中当特定代谢物方面，多种信号通路如、Wnt（如氨基酸、辅酶等）结合到核糖等可调节的表达；Notch miRNA开关的适配体区域时，导致表达平另一方面，可同时靶向多miRNA台区域构象改变，进而影响基因表个信号分子，调节信号强度和持续达，如转录终止或翻译起始这一时间这种调控具有精细性和灵活机制使细菌能根据环境中特定物质性，通常作为反馈或前馈环路的组的存在与否快速调整代谢成部分，确保信号传导的稳健性核酸作为传感器近年研究发现，不仅是基因表达的中间体，还可直接感知环境信号例如，RNA某些可通过其直接感知温度变化（温度计）或离子浓度，mRNA5UTR RNA改变二级结构，进而影响翻译效率此外，细胞还可通过特定的核酸受体（如样受体）识别病原体，激活免疫反应，这是天然免疫系统的重Toll DNA/RNA要组成部分核酸在进化中的作用

4.5B地球年龄（单位十亿年）核酸在如此漫长的演化过程中发挥核心作用

3.7B最早生命痕迹（单位十亿年前）早期生命可能以为遗传物质RNA8M已知物种（单位百万种）核酸变异驱动物种多样性形成98%人与黑猩猩相似度DNA少量核酸差异导致显著物种差异核酸是生物进化的物质基础，序列变异产生遗传多样性，自然选择作用于这些变异，推动物种适应和进化分子系统发育学利用或序列比较DNA DNARNA研究生物进化关系，构建更准确的生命之树以线粒体和核糖体等保守序列变异为基础，科学家可以追溯物种分化的时间和方式DNARNA世界假说认为，早期生命以为遗传物质和功能分子，后来才演化出和蛋白质分工这一假说得到多方面支持既能储存信息又能催化反RNARNADNARNA应；核糖体催化中心是而非蛋白质；现存的多种辅酶结构中含有核苷酸部分，可能是世界的遗留理解核酸在进化中的作用，有助于解答生命起RNARNA源的基本问题核酸的医学应用遗传疾病诊断核酸疫苗核酸药物与基因治疗核酸检测技术已成为遗传近年来核酸疫苗技术取得多种靶向核酸的治疗策略疾病诊断的金标准通过重大突破，尤其是已进入临床应用反义寡mRNA、测序等方法，疫苗在大流行核苷酸通过与靶结PCR DNACOVID-19mRNA可以精确检测致病基因突中的成功应用核酸疫苗合阻断翻译；小干扰RNA变，如囊性纤维化、亨廷通过注射编码特定抗原的利用干扰机制降解特RNA顿舞蹈症等单基因疾病或，利用人体定；适配体作为核DNA mRNAmRNA新一代测序技术可筛查数细胞的机制产生抗原蛋白，酸抗体结合特定靶标百种遗传病，婴儿出生前进而诱导免疫反应与传等基因编CRISPR-Cas9即可通过无创产前检测发统疫苗相比，核酸疫苗开辑工具可直接修正致病基现染色体异常癌症基因发速度快、安全性高、可因突变，为单基因遗传病组分析可发现驱动突变，迅速应对病原体变异，被提供根治可能基因增强、指导靶向治疗认为是疫苗技术的重要发基因敲除和细胞治CAR-T展方向疗等技术已在临床取得显著成功与扩增技术PCR DNA变性退火循环的第一步，将反应混合物加热温度降至°，使引物与互补的PCR50-65C至°，使双链解开成单目标序列结合退火温度取决于引94-98C DNADNA链这一过程打破了双螺旋中的氢物长度和含量，通常设定为低于引物DNA GC1键，是后续特异性扩增的基础的熔解温度°左右适当的退火温度至PCR5C2高温要求使用耐热聚合酶（如关重要过高导致引物结合效率低，过DNA Taq聚合酶）低可能导致非特异性结合指数扩增延伸上述三个步骤构成一个循环，每循温度升至°（聚合酶的最适温PCR72C Taq4环一次，目标数量理论上翻倍经度），聚合酶从引物端开始，以DNADNA3过个循环，目标序列理论上可扩增模板链为基础合成新链延伸速率约为n倍实际扩增效率受多种因素影响，每分钟个核苷酸延伸时间应根2^n1000如模板质量、引物设计、反应条件等据目标片段长度调整，通常每需要kb1通常个循环可获得足够的产物分钟左右25-35测序技术DNA第一代测序Sanger年发明，基于链终止法原理使用特殊的双脱氧核苷酸（）随机1977ddNTP终止合成，形成不同长度的片段，通过电泳分离后确定序列这一技术完DNA成了人类基因组计划，至今仍用于小规模精确测序其优点是读长较长（约）、准确度高，但通量低、成本高800-1000bp2第二代高通量测序年后兴起，基于边合成边测序原理代表技术有测序（可逆终2005Illumina止子法）、（检测释放）等特点是通过大规模并行方式同时Ion TorrentH+测序数百万片段，极大提高通量，降低成本缺点是读长短（通常DNA50-），对重复序列区域组装困难目前是基因组研究的主流技术300bp第三代单分子测序近年发展的技术，能直接测序单个分子，无需扩增代表技术有DNA PCR（单分子实时测序）和（纳米孔测序）其PacBio SMRTOxford Nanopore最大优势是超长读长（可达数十甚至级），能跨越复杂重复区域，解决基kb Mb因组组装难题此外，这些技术还能直接检测修饰（如甲基化）缺点是DNA单碱基准确率较低分析方法RNA印迹与测序Northern RT-PCR qRT-PCR RNA印迹是检测特定表达的经典方法首先通过变性反转录首先将逆转录为，再通过扩增特定测序（）通过高通量测序技术分析细胞全部转录Northern RNA PCR RNAcDNA PCR RNARNA-Seq琼脂糖凝胶电泳分离，然后转移到尼龙膜上，用标记的探针片段实时定量（）则在此基础上实时监测扩增组典型流程包括提取、文库构建和测序与芯片技RNAPCRqRT-PCRRNAcDNA杂交，最后进行检测这一技术可同时提供的大小和丰度信产物的积累，实现精确定量这是表达分析最常用的方法，术相比，无需预先知道序列信息，可发现新的转录本RNARNARNA-Seq息，适用于检测特定转录本的表达水平和剪接异构体具有高特异性和灵敏度和剪接事件，动态范围更广可同时检测多种大小的转录本可检测极低丰度的转录本提供全基因组表达谱和剪接信息•••提供分子的完整性信息适用于大量样品的高通量分析可分析非编码和未知转录本•RNA••RNA灵敏度较低，需较多起始材料需要设计特异性引物和内参基因数据分析复杂，需要生物信息学支持•••核酸电泳分析染色与成像凝胶制备与电泳电泳后，使用核酸染料显示分离的条带传统样品制备琼脂糖凝胶适用于较大片段（）分离，使用溴化乙锭（），现更常用100bp EtBrSYBR核酸样品需要与上样缓冲液混合上样缓冲液浓度通常为；聚丙烯酰胺凝胶适用于等更安全染料这些染料插入双链核酸，

0.7%-2%Green通常含有甘油或蔗糖增加密度，使样品沉入凝小片段高分辨率分离将样品加入凝胶孔后，在紫外光下发荧光现代成像系统可捕获凝胶胶孔中；还含有染料（如溴酚蓝）用于监测电施加电场（通常），带负电的核酸图像并进行数字分析，用于定量比较不同条带1-5V/cm泳进度对于RNA样品，需要使用变性条件向正极移动移动速率与分子量成反比小分的强度（如甲醛或甲酰胺）破坏二级结构，确保分离子移动更快仅基于分子量生物信息学与核酸分析核酸数据库序列分析工具基因组分析平台核酸数据库是存储和组织序列信息（基本局部比对搜索工具）是最广泛使基因组浏览器如和DNA/RNA BLASTUCSC GenomeBrowser的重要资源（美国）、（欧用的序列相似性搜索工具，可快速在数据库中允许可视化基因组特征，整合多种数据类GenBank EMBLIGV洲）和（日本）构成国际核酸序列数据找到相似序列多序列比对工具如型（基因、变异、表达、甲基化等）DDBJ ClustalGalaxy库联盟，实现数据共享专业数据库如和用于比较多个相关序列，提供用户友好的界面，无需编程即可执行Omega MUSCLEWeb提供基因注释，收集识别保守区域、等软件可基复杂生物信息学分析流程更高级分析通常使Ensembl miRBaseMEGA PHYLIP序列，收录非编码家族于序列比对构建进化树，分析物种间关系用或等microRNA RFAMRNAR/Bioconductor Python/Biopython这些数据库支持序列检索、比对和下载，是核等工具辅助引物设计，预测扩增编程工具，处理大规模测序数据，如差异表达Primer3PCR酸研究的基础设施效率分析、变异检测、甲基化分析等新兴核酸技术技术名称发现年份关键酶系统主要应用年核酸酶基因编辑、疾病治疗CRISPR-Cas92012Cas9年核酸酶编辑、核酸检测CRISPR-Cas132016Cas13RNA碱基编辑器年失活胞苷脱氨点突变修复2016Cas9+酶质粒编辑器年失活反转录酶多位点编辑、基因插2019Cas9+入技术是近年来最重要的科学突破之一，它将细菌免疫系统改造为精确的基因编辑工具CRISPR-Cas9系统包含两个关键组件核酸酶（分子剪刀）和引导（指定靶位点）引导引导Cas9RNARNA到特定序列，在特定位点切割，随后细胞的修复机制可被操控以引入特定修改Cas9DNADNADNA技术发展迅速，已衍生多种变体失活的（）与其他功能域融合，可实现基因转CRISPR Cas9dCas9录激活抑制、表观遗传修饰等功能碱基编辑器通过融合胞苷或腺苷脱氨酶，可实现无双链断裂的/精确碱基替换质粒编辑器融合反转录酶，能在特定位点插入序列这些技术在农业、医学和基DNA础研究中有广阔应用前景人工合成核酸及其应用化学合成方法人工合成主要采用固相磷酰胺法，基于保护脱保护策略逐个添加核苷酸商业自DNA/RNA-动化合成仪可常规合成个核苷酸长度的寡核苷酸更长序列通常通过酶促连接或100-200组装多个短片段实现近年发展的基因合成技术可构建完整基因甚至染色体PCR修饰核酸人工合成允许引入各种非天然修饰，增强核酸的功能或稳定性如磷酸硫代修饰增强核酸酶抗性；（锁核酸）提高与互补链的亲和力；荧光标记用于示踪和检测；光活化基团允许通过LNA光控制核酸功能这些修饰拓展了核酸分子的应用范围，尤其在药物开发领域应用领域合成核酸在多个领域有重要应用在基础研究中，作为引物、探针和标记物；在分子诊断PCR领域，用于构建检测试剂；在药物开发中，作为反义寡核苷酸、适配体和药物；在合成siRNA生物学中，人工合成基因和基因组为构建人工生物系统提供基础未来展望随着合成技术进步和成本降低，更多应用将成为可能可编程存储系统利用高密度DNADNA信息存储能力；人工基因电路可构建具有特定功能的生物传感器；个性化医疗中，合成核酸可作为精准治疗工具同时，这些技术也带来伦理和安全考量，需要社会共同关注核酸结构功能关系研究前沿冷冻电镜技术突破核酸动力学研究冷冻电子显微镜（）技术传统结构生物学方法往往提供静态Cryo-EM在近年取得革命性进展，实现了对快照，而生物分子在功能过程中经大型核酸蛋白质复合物的近原子分历复杂构象变化单分子荧光共振-辨率观察这一分辨率革命使科能量转移（）、原子力显smFRET学家首次能够详细了解核糖体、剪微镜（）等技术允许实时观察AFM接体等复杂核糖核蛋白机器的动态单个核酸分子的动态行为结合分结构最新的技术可达子动力学模拟，科学家能更全面理Cryo-EM以下分辨率，甚至可观察到单个解核酸的柔性和构象变化如何影响2Å水分子和离子，为理解核酸功能机其功能，特别是催化和调控RNA制提供前所未有的视角的作用机制RNA计算结构生物学随着计算能力提升和算法进步，核酸结构预测取得显著突破等人工智AlphaFold能方法已成功用于蛋白质结构预测，类似方法正应用于结构预测量子力学RNA计算能更精确模拟核酸与小分子相互作用，辅助药物设计这些计算方法与实验技术互补，加速了核酸结构功能关系的理解，也促进了核酸药物和纳米材料的设计开发核酸研究中的挑战与机遇结构复杂性挑战分子的结构远比复杂，其高级折叠和构象变化极其多样，给结构预测和功能理解带来挑战修饰的多样性（已发现超过种）进一步增加了复杂性当前RNADNARNA100技术难以高通量地分析这些修饰及其功能意义发展新型结构分析技术和算法是应对这一挑战的关键，包括整合多种实验数据的混合方法和应用人工智能的预测工具技术前沿机遇单细胞测序技术使研究人员能够分析个体细胞的转录组，揭示细胞异质性和罕见细胞类型长读长测序技术解决了复杂重复序列和全长转录本分析难题原位测序技术保留了空间信息，展示基因表达的组织学背景纳米孔直接测序实现了对天然的实时分析，无需逆转录，可同时检测修饰这些新兴技术开辟了核酸研究的新维度RNARNA多组学整合研究现代生物学研究趋向整合多层次数据，包括基因组、转录组、表观基因组等这种多组学方法能提供更全面的生物系统视角，但也带来数据处理和解释的复杂性发展有效的计算工具和模型，整合和解释这些海量数据是当前挑战机器学习和人工智能方法在此领域展现出巨大潜力，有望从复杂数据中提取生物学洞见总结与展望医学革命农业创新核酸研究成果正加速医学变革，从精准诊断核酸技术为解决全球粮食安全挑战提供新工到个性化治疗基因组学引领的精准医疗使具基因编辑作物可提高产量、增强抗病性、治疗方案能根据患者遗传背景定制；改善营养价值，同时可能比传统转基因更易mRNA疫苗展示了应对传染病的革命性方法；基因获公众接受分子标记辅助育种加速了作物治疗为遗传病患者带来希望随着技术进步，改良进程未来，核酸技术还将帮助开发适我们可以期待更多核酸医学应用，从癌症免应气候变化的作物品种，增强农业可持续性疫治疗到退行性疾病干预伦理考量知识扩展随着核酸技术强大功能的发展，伦理问题日核酸研究持续深化我们对生命基本过程的理益凸显基因编辑特别是生殖系编辑引发深4解非编码研究揭示了基因调控网络的RNA刻伦理讨论；基因数据隐私保护面临新挑战；复杂性；表观遗传学阐明了环境与基因交互技术公平获取问题关系社会公正社会各界的分子机制；古分析重建了人类进化史DNA需共同参与讨论，建立合理监管框架，确保这些知识不仅具有科学价值，也为解决疾病、技术发展造福全人类，同时尊重生命伦理和环境和社会挑战提供基础人类尊严。