核酸化学与细胞中的核酸
本文思维导图：
这个专题，主要为大家带来关于核酸（DNA、RNA）的化学结构及相关机制，以及细胞中各种核酸的种类——作为这个方面基础知识的一个提纲，欢迎大家补充并投稿本专栏 @喵大侠 ~
核酸（nucleic acid）与蛋白质是最重要的生物大分子。核酸有两类，即脱氧核糖核酸（Deoxyribonucleic acid，DNA）和核糖核酸（Ribonucleic acid，RNA）。核酸是遗传信息的载体，遗传信息位于DNA上，可通过DNA复制将遗传信息传给子代；还可通过转录形成RNA，再通过翻译产生蛋白质，表达相关性状。此外，有部分核酸可作为或参与构成具有生物活性的酶分子或其他分子机器。
一、核酸的化学结构
核酸是多聚核苷酸，由戊糖、磷酸基团及碱基构成。其中含氮碱基总是连在戊糖的1'碳上，磷酸基团连接在5'碳和相邻戊糖的3'碳上，核苷酸通过磷酸二酯键相连接。核糖连接磷酸的碳的位置体现了核苷酸的3'-5'还是5'-3'走向。戊糖2’上是否脱氧决定了其为核糖核酸还是脱氧核糖核酸。
碱基不同，产生的核酸也不同。核酸包含两类，一类是嘧啶（pyrimidine），一类是嘌呤（
purine）。嘧啶有C、U、T三种；嘌呤有A、G两种。嘧啶和嘌呤环都很接近平面，但稍有绕折，嘧啶碱以单环结构为特征，嘌呤碱以双环结构为特征。通过不同位点的氨基化、脱氨基、甲基化形成不同的嘧啶和嘌呤。
二、DNA高级结构
B型DNA是DNA的最常见结构。配对碱基间氢键和堆积力是双螺旋结构维持稳定的原因。值得一提的是DNA双螺旋结构是反向平行互补的，而不是交叉缠绕成麻花状。
DNA在磷酸骨架距离较近的一侧形成小沟，而对侧形成大沟。大、小沟中分别有很多功能基团暴露在侧，在引发甲基化作用、结合转录因子等DNA与蛋白质相互作用中起到了关键作用。
由于-OH攻击磷酸基团，在5’端由于镁离子把磷酸的电子往外拉，导致电子分布极化，使得亲核反应更容易进行；在3’端，P被原有的O紧密包围，电子分布均匀，亲核反应难以进行。故DNA复制只能从5’到3’。
真核生物在DNA复制过程中在复制远点处氢键迅速断裂与再生，导致两条DNA链不断解链与聚合，形成瞬间的单泡状结构的过程称为DNA的呼吸作用。呼吸作用令在启动子中的TATAbox中发生的碱基对氢键的熔断，使得RNA聚合酶得以进入双螺旋链中打开DNA链形成开放式转录起始复合物。
关于DNA结构可观看：Bilibili字幕版： https://www.bilibili.com/video/av13310156/?p=2
DNA超螺旋结构属于三级结构，是在二级结构基础上通过扭曲和折叠所形成的特定构象。当DNA双螺旋分子在溶液中以一定构象自由存在时，双螺旋处于能量最低状态，此为松弛态。如果使这种正常的DNA分子额外的多转几圈或少转几圈，就会使双螺旋中存在张力。如若双螺旋分子的末端是开放的，这种张力可以通过链的转动而释放出来，DNA可恢复正常的双螺旋状态。但若DNA分子的两端是固定的，或者是环状分子，这种额外的张力就不能释放掉，DNA分子本身就会发生扭曲，用以抵消张力，这种扭曲就称为超螺旋。超螺旋结构的形状很有特点，形如电话线。
DNA三链结构通常是由一条同型寡核苷酸（即寡嘧啶核苷酸或寡嘌呤核苷酸）与寡嘧啶核苷酸-寡嘌呤核苷酸双螺旋的大沟结合（如TA·T、TA·A、CG·G、CG·C）。双螺旋中碱基彼此之间以Wastson-Crick氢键连接，第三链与双螺旋以Hoogsteen氢键连接，第三链与双螺旋之间同向平行。三链DNA可用于阻止DNA与蛋白质结合和基因的转录复制，作为精确切割双螺旋DNA靶序列的“分子剪刀”，还可能与染色体的凝聚有关。基因组中的核酸酶敏感元件处容易形成DNA三链结构，而肽核酸可抑制DNA三链形成。
DNA还能形成四链螺旋，但只见于富含鸟嘌呤区，最初被发现于端粒和着丝点。四链DNA借鸟嘌呤之间氢键配对形成稳定的G-四链体。四链DNA的走向可以是全部相同方向，也可以是两两相反。G四联体具有选择性的抗肿瘤癌细胞增殖活性，很有可能成为选择性抑制癌细胞增殖新方法的新靶点。
三、RNA结构与特殊的核酸
RNA与DNA一样，也是一类是重要的核酸。RNA主要包括tRNA、rRNA、核酶等。tRNA的二级结构都呈三叶草形，三级结构呈倒L形。tRNA二级结构中，凸环区构成三叶草的三片小叶，双螺旋的茎构成叶柄，构成茎环结构（单链RNA中配对碱基的双链区形成“茎”，不能配对的部分突出形成“环”）。
rRNA是核糖体的重要组成部分，核糖体的解码中心所在处的小亚基能结合tRNA的A、P、E部位以及结合mRNA，使得小亚基rRNA起到解码作用，而大亚基rRNA起到催化作用。rRNA与tRNA一样，也具有茎环和发卡结构。发卡结构有利于控制转录的终止、翻译的效率以及mRNA的稳定性。
核酶（Ribozyme）是具有催化功能的小分子RNA，属于生物催化剂，能在特定位点切断RNA，使其失去活性，可降解特异的mRNA序列。核酶的具体作用主要有：核苷酸转移作用；水解反应；磷酸转移反应；脱磷酸作用；RNA内切反应。常见的核酶有：铅酶、斧头型核酶、扭转核酶等。
除了以上常见的那几种核酸，还有一些特殊的核酸，如BNA、LNA、MNA、PNA、GNA、TNA等。它们的支架不同，但是碱基类似（LNA是锁核酸，核糖的2号氧和四号碳连接；MNA是吗啉核酸，吗啉替代核糖；PNA是肽核酸，支架是多肽，碱基做R基；GNA是乙二醇核酸，聚乙二醇上连磷酸和碱基；TNA是苏阿糖核酸，苏阿糖替代核糖）。
四、DNA修饰与RNA修饰
核酸存在表观遗传修饰，可影响遗传性状。DNA修饰是基因活性的一种调节方式，甲基化是其主要方式，通常甲基位于CpG岛胞嘧啶的第5位碳上（m5C）。转录活性区的CpG岛一般是未被甲基化的，DNA甲基化使基因沉默和异染色质化。甲基化改变了DNA的构象，使DNA结构更紧，螺旋更深，一些调控元件的碱基序列缩入深沟内，无法被转录因子识别，引起基因长期失活。
RNA也会发生表观遗传的化学修饰。RNA上常见的修饰有m1A、m5C、m6A修饰等，其中m6A修饰大量存在于mRNA和IncRNA，m6A能加速mRNA前体的加工时间，加快mRNA在细胞中的转运速度和出核速度。
五、细胞中核酸的存在形式
核酸以多种形式存在于细胞中，主要以染色体（染色质）的形式存在，某些细胞器（质体、线粒体等）、质粒、ecDNA等也含有核酸。
真核细胞中的遗传物质主要是以染色体（染色质）的形式存在于细胞核中。由于细胞核很小，所以DNA必须要规律和整齐地折叠包装才能放入。DNA的折叠包装过程主要有六个主要步骤：①DNA与8个组蛋白构成核小体；②H1组蛋白坐落于核小体结构的顶部，保持围绕核小体的DNA位置；③核小体被进一步堆砌成染色质丝；④染色质会进一步盘曲成染色质丝；⑤染色质丝紧密折叠成纤维；⑥纤维再次紧密螺旋成染色单体。这样，原本2米的DNA被压缩为几个微米大小，使其可以存在于细胞核的狭小的空间里。如右下角图所示人体纤维细胞在细胞分裂前中期的细胞核，可以清楚地看到23对染色体所处的位置。
原核生物虽无细胞核，但其染色质DNA也并没有完全散开，而是在细胞内盘绕成致密体，即拟核（Nucleation）。原核细胞的DNA在后直接分配到子代细胞中，无需凝缩成染色体再分配。
质粒（plasmid）存在于细菌及酵母菌等生物中，具有带抗性基因、不相容性、多拷贝、可在个体间传播四个主要特点，是细胞染色体外能够自主复制的很小的环状DNA分子。质体和线粒体是真核细胞中具有半自主遗传的细胞器。质粒、质体和线粒体具有自主复制能力，使其在子代细胞中也能保持恒定的拷贝数，并表达所携带的遗传信息。
在特殊情况下，核DNA是有可能从染色体上脱离开来的，通常情况下我们的细胞会启动修复机制，补回缺失的DNA，排出脱落的DNA。但肿瘤细胞染色体外DNA（ecDNA）遗传信息出了错，难以修复，又难以死去。ecDNA上含有EGFR基因（表皮生长因子受体），EGFR基因可以让基因拷贝数增加，进而使细胞增殖失控，并在复杂的多基因相互作用及环境选择的驱动下，演化成肿瘤。
染色体外DNA（上篇）：原癌基因的载体 - 吴思涵的文章 - 知乎 https://zhuanlan.zhihu.com/p/25158126
六、核酸分子机器
核酸可作为分子机器（Molecular machine）在细胞中发挥作用。常见的核酸分子机器有：mRNA、tRNA、rRNA、RNAi、circRNA、snRNA、lncRNA、Small RNA、其他核酶和脱氧核酶等。
鉴于之前已介绍过了mRNA、tRNA和rRNA，此处就不再重复论述了。RNAi（RNA interference, RNA干扰）是指在进化过程中高度保守的、由双链RNA诱发的、同源mRNA高效特异性降解的现象。使用RNAi技术可以特异性剔除或关闭特定基因的表达，该技术已被广泛用于探索基因功能和传染性疾病及恶性肿瘤的治疗领域。
circRNA（Circular RNA，环形RNA分子）是一类不具有5' 末端帽子和3' 末端poly(A)尾巴，并以共价键形成环形结构的非编码RNA分子。部分circRNA分子含miRNA应答元件(MRE)，可充当竞争性内源RNA(ceRNA)，与miRNA结合，在细胞中起到miRNA海绵的作用，进而解除miRNA对其靶基因的抑制作用，上调靶基因的表达水平。
IncRNA (Long non-coding RNA,长链非编码RNA)是长度大于 200 个核苷酸的非编码 RNA。lncRNA 在剂量补偿效应、表观遗传调控、细胞周期调控和细胞分化调控等众多生命活动（如干扰下游基因的表达;干扰mRNA的剪切；调节相应蛋白的活性；改变该蛋白质的细胞定位等）中发挥重要作用。
Small RNA分两类:一类是snRNA，存在于细胞核中；另一类是scRNA，存在于细胞质中。snRNA是细胞内有小核RNA。它是真核生物转录后加工过程中RNA剪接体的主要成分，参与mRNA前体的加工过程。snRNA中的蛋白质部分具有核酸酶和连接酶活性，能把转录在内含子-外显子接点处切断，并把两个游离端连接起来。
scRNA（small cytoplasmic RNA，细胞质小RNA）主要位于细胞质内，种类较多，参与蛋白质的合成和运输，其主要功能是识别信号肽, 并将核糖体引导到内质网。
核酶（ribozyme）是具有催化功能的小分子RNA ，属于生物催化剂，可降解特异的mRNA序列。核酶可通过催化靶位点RNA链中磷酸二酯键的断裂，特异性地剪切底物RNA分子，从而阻断靶基因的表达。
脱氧核酶（deoxyribozyme）是利用体外分子进化技术合成的一种具有催化功能的单链DNA片段，具有高效的催化活性和结构识别能力。根据其功能可分为7大类：具有RNA切割活性，具有DNA连接酶活性，具有卟啉金属化酶和过氧化酶活性，具有DNA水解活性，具有DNA激酶活性，具有N-糖基化酶活性，具有DNA戴帽活性。
七、基因组学科
1986年，美国微生物学和分子生物学家、诺贝尔奖获得者R. Dulbecco在Science 杂志上提出“人类基因组计划（HGP）”。2003年人类基因组测序全部完成，之后生命科学进入了后基因组时代，产生了基于基因组学的各类学科。科学家从绘图和测序的基因组学的研究转移到了从整体水平上对基因功能进行研究的功能基因组学。由于功能基因组学需要从测定基因产物的结构入手，于是产生了研究基因组的3D乃至4D结构的结构基因组学。表观遗传组学是在基因组水平上研究不改变基因序列，而通过表观遗传修饰发生遗传现象和规律。比较基因组学是依据基因组图谱和测序资料，对已知基因和基因组结构进行比较，以了解基因的功能、表达调节和进化关系。而转录组学是指一门在整体水平上研究细胞中基因转录的情况及转录调控规律的学科。由于生物功能是通过蛋白质来体现的，于是在功能基因组学的基础上产生了蛋白质组学。与蛋白质组学相对应，形成了RNA组学以研究细胞全部功能RNA的结构和作用。最后一个代谢组学研究的是生物体内所有代谢物的总体组分、动态变化及其与生理机能的关系。后基因组学的衍生学科正在不断扩充且蓬勃发展。
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Reference：
本文主要参考了的朱圣庚和王镜岩老师《生物化学（第四版）》以及英文维基百科部分词条的内容；此外，本文还参考了知乎用户 @吴思涵 @大肠杆君 回答的部分内容，在此表示感谢。
https://en.wikipedia.org/wiki/DNA
Nucleic acid - Wikipedia
DNA - Wikipedia
Small RNA - Wikipedia
Deoxyribozyme - Wikipedia
Chromosome - Wikipedia
Prometaphase - Wikipedia
Mitochondrion - Wikipedia
Plastid - Wikipedia
Plasmid - Wikipedia
Metalation - Wikipedia
Adenylylation - Wikipedia
Threose - Wikipedia
Threose nucleic acid
Locked nucleic acid
Glycol nucleic acid
Ribozyme - Wikipedia
Morpholino - Wikipedia
G-quadruplex - Wikipedia
Telomere - Wikipedia
Nucleic acid double helix
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