非编码RNA（Non-coding RNA，ncRNA）是不编码蛋白质的RNA转录本，在多种核心生理活动中具有重要作用，与物种进化、物质代谢、胚胎发育和感染传播等均有着密切的联系。多样化的功能以及复杂的调节方式使非编码RNA成为了当前研究核心。非编码RNA的功能来自于其复杂的折叠方式和灵活的构象变化。因此研究其行使功能的方式，首先需要了解该RNA元件的结构特征，而推测其工作机理，则需掌握其生命过程中所发生的构象变化。随着高通量测序技术、生物信息技术等不断的发展，越来越多保守的非编码RNA序列浮出水面。目前，根据其多样的生理功能，可将已发现的非编码RNA大致分为两大类：结构功能型非编码RNA和调节型非编码RNA。为了探究非编码RNA在生物体内的分子机理，本论文结合晶体结构解析、小角散射以及SHAPE化学探测法，选取phi29噬菌体中prohead RNA（pRNA）以及大肠杆菌中yybP核糖开关为以上两类非编码RNA的代表，全面解析了它们在重要生理过程中所发生的构象变化和分子机理，本论文的研究工作为进一步了解非编码RNA元件在双链D N A病毒包装中的功能机制以及细菌应对环境胁迫时的调节作用奠定了基础。论文分为以下两个部分。
　　结构功能型非编码RNA（pRNA）参与病毒基因组包装所发生的构象变化。噬菌体中pRNA为结构功能型非编码RNA，与ATP水解酶gp16蛋白同为phi29噬菌体DNA包装马达中的重要转运元件。gp16蛋白可通过水解ATP为DNA的包装过程提供能量，具有高度保守性的pRNA则是连接gp16蛋白与病毒衣壳之间的主要枢纽。了解pRNA在包装条件下如何与gp16蛋白相互作用将有助于阐明包装马达的分子机制。本论文解析出pRNA domain II的晶体结构，并展示了pRNA-gp16复合物的三维珠状模型以及与ATP或ADP结合所发生的构象变化。我们发现pRNA与gp16蛋白形成一个“Z”形复合物，其中gp16蛋白可与pRNA domain II特异性结合。pRNA-gp16复合物在ATP存在时呈闭合筒状结构，pRNA domain II向DNA中心通道靠拢，呈“Closed”态。当ATP水解为ADP后，pRNA domain II依次打开，远离DNA通道，呈“Open”态。最后pRNA-gp16复合物释放ADP后复位。以上结果表明，pRNA domain II在DNA包装过程中会发生构象变化。ATP、ADP的结合引导pRN A domain II靠近或远离DNA中心通道，揭示pRNA domain II可参与DNA包装的起始阶段。
　　调节型非编码RNA的串联调控机制。串联型核糖开关可受到多种因素共同影响，类似于细菌中的乳糖操纵子。yybP-ykoY家族核糖开关是一类最为常见的核糖开关，但对其结构以及动态构象变化研究较少。经序列分析发现在大肠杆菌a lx基因5′端非编码区有一个新型pH值响应元件，而该RNA调控元件上游含有yybP-ykoY家族核糖开关的保守序列。本论文首先通过X射线晶体衍射解析了大肠杆菌中包含有yybP-ykoY家族保守序列部分的晶体结构，证实了其为一种Mn2+调控型核糖开关。其中，Mn2+核心结合域与已发表的乳酸乳球菌中yybP-ykoY核糖开关结构相似，表明这两个核糖开关采用高度保守的配体识别机制。随后通过小角散射技术检测yybP核糖开关以及下游额外93个核苷酸共同组成的pH值响应元件在不同pH值环境下结合与未结合Mn2+的形态差异。结果显示yybP核糖开关结合Mn2+后，在不同pH值条件中（pH=6.0~8.0）出现了显著的构象改变。以上研究结果表明，大肠杆菌中yybP核糖开关可同时受到环境中Mn2+以及pH值的影响，协同调控下游编码TerC蛋白家族alx基因的表达。
　　综上所述，本论文结合多种结构生物学方法对非编码RNA展开研究。通过对重要非编码RNA晶体结构解析以及运用小角散射和SHAPE化学探测法检测其动态构象变化，进一步揭示了pRNA在DNA包装过程中的重要作用以及核糖开关受多因素影响的串联型调控机制，为后续病毒、致病菌感染的治疗以及新型药物的研发奠定基础。