回文结构的意义

回文序列是真核生物及原核生物基因序列中普遍存在的序列，DNA回文序列是一种旋转对称序列，其特点是正读、反读意义一样，即回文序列DNA双链上的不同序列从不同的方向上（都从5′到3′端）读得的序列是一样的［1］。RNA序列中回文序列定义为：回文序列是一对碱基片段，当其中一个片段从5′端读到3′端时，它正好是另外一个片段从3′到5′端的互补序列。更具体地讲，回文结构可以定义为一种文字模式，即b1…b Ln1…n Sb′L…b′1，其中碱基b′是碱基b的互补碱基，b1…b L和b′L…b′1这一对碱基片段可以形成茎结构。b1…b L是它的左臂，b′L…b′1是它的右臂，L是茎的长度。n1…n S是间隔序列或者叫环区序列，S是环区的长度。定义片段b1…b L和b′L…b′1为回文序列或回文。例如：AAGAACAnnnn UGUUCUU是一个回文结构（L＝7nt，S＝4nt，nt代表核苷酸数，1nt就是1个核苷酸。），它的回文序列是：AAGAACAUGUUCUU。

基因组中的回文结构具有重要的生物学功能［2-6］，许多回文结构存在于操纵子、复制起始点、转录终止位置等重要区域，并且起着重要作用。例如，绝大多数限制性内切酶的识别位点是回文结构序列；在终止子前出现的回文结构可以有效提高RNA聚合酶Ⅲ合成mRNA的活性［7］，有利于RNA聚合酶Ⅲ从DNA上脱离下来，从而有效终止转录过程；在增强子中出现的回文结构一般有利于调控基因表达的反式作用因子与之结合，从而促进基因表达。例如，在肝炎B病毒增强子1内有一个8碱基对的回文结构，是一种回文结构结合因子的结合位点，该因子可与肝实质细胞核因子3β因子相互作用［8］；cAMP应答元件增强子中也包括一个回文结构（TGACGTCA），它是cAMP应答元件转录因子的结合位点［9］。在基因表达调控中，回文结构不仅可增强和促进基因的表达，回文序列长于34nt时，也可有效地抑制基因的表达［10］。种种迹象表明，回文结构是极其重要的基因表达调控元件之一。此外，它们很可能成为发夹结构或十字形结构等DNA二级结构［11］，较长的回文结构可形成茎环结构（发夹结构），茎环式的结构可以作为识别剪切位点的一种结构信号［12，13］。而另外的研究表明，5′非翻译区的二级结构在翻译起始调控中起重要的作用，编码区的二级结构将影响并降低翻译速率［14，15］，核糖体在阅读mRNA茎区时，需要克服较高的自由能障碍使配对区解链，所以翻译速率会比单链区和环区慢一些。那么回文结构必定对翻译速率有影响。

广义上的回文结构包括中间有几个核苷酸间隔的不对称序列，这样的回文结构转录成单链RNA后，常可以形成茎环结构，这一特性是回文结构发生生物学功能的重要因素。环结构核苷酸在4个以上，配对的核苷酸达到3～5对时，核苷酸之间的空间障碍基本可以克服，这时形成的发夹结构就比较稳定。这种发夹结构很容易阻止核糖体前移。1997年，Akgün等［16］的研究结果显示：完美回文序列并不稳定，通常需要借助一种不对称的删除方式来破坏回文序列的中心对称性，以提高其稳定性。这些经过漫长进化所形成的回文序列虽然极其复杂，但其许多区段的序列构成特征却展现了令人惊讶的规律。

2003年6月19日，Skaletsky在Nature上公布了Y染色体DNA序列及其分析结果［17］，首次揭示Y染色体诸多奇特和重要的发现。最引人瞩目的是对男性生殖能力至关重要的8个回文结构［18］，相关基因多存在于这些回文序列中。Y染色体的8个回文都不是完美回文，其中心均存在一个无回文结构的间隔区域。Y染色体的回文序列包含8种控制睾丸发育的基因，其中的基因突变或片段删除会导致精子产生障碍症［19］。男性在漫长的进化中能够保持相对稳定性，回文序列发挥了重要的作用。

一些特殊的回文结构在基因组中发挥着更为重要的作用，如Ana在研究大肠杆菌K-12回文序列时指出回文序列位于基因图谱的特定区域，一个回文包含在另一个回文中（在以下的讨论中，称之为回文嵌套）的情况很普遍，这种安排肯定有其结构上的目的，这种结构很容易被一些蛋白质所识别［20］。Hiroshi在研究人的高AT含量回文结构时指出，十字形突出结构倾向于依赖PATRR（高AT含量的回文结构）［21］的长度和中心对称性，同时，PATRR的长度和中心对称性很可能决定十字形突出的稳定性。Stanley提出DNA结构中对称性元素对DNA与转甲基酶之间的相互识别是非常重要的。而且，如果靶基处在回文结构的5′端，DNA与酶之间的相互作用发生在主要凹槽中，靶基处在回文结构的3′端，DNA与酶之间的相互作用发生在次要凹槽中［22］。

此外，有一些疾病和回文结构有关。如遗传性血管神经性水肿［23，24］，杜兴肌营养不良［25］，凝血酶不足症［26］，家庭性血胆脂醇过多症［27，28］，维生素H缺乏症［29，30］等。研究发现这些疾病就是由回文结构引起的变异。

本章将研究SARS病毒，HIV病毒和丙型肝炎病毒等病毒基因组中回文结构的分布，关注一些在位置、GC含量、长度以及回文嵌套等方面有特殊分布的回文，并试图分析其生物学意义及功能。回文序列是DNA序列中普遍存在的序列，它们可能形成发夹结构和十字形结构等重要结构，所以它不仅体现mRNA一级序列的信息，而且携带mRNA二级结构的信息。基于此想法，我们将在第4、第5章中把回文结构作为体现mRNA特征的一个参量来研究mRNA对蛋白质结构及功能的影响。