通过核糖核苷酸的四种碱基：腺嘌呤、鸟嘌呤、胸腺嘧啶、尿嘧啶，RNA在编码、解码、调节和表达基因的生物学过程中起到了决定性的作用。RNA是一条核苷酸链，由含有四种不同碱基的核糖核苷酸通过磷酸二酯键聚合构成（图1）。

图1 RNA分子结构

根据是否参与遗传信息的转录，RNA分为信使RNA（mRNA）与非编码RNA（ncRNA），非编码RNA包括了参与mRNA翻译的核糖体RNA（rRNA）、转运RNA（tRNA），不参与mRNA表达的长非编码RNA（lncRNA），以及一些小RNA，如小核RNA（snRNA）、核仁小RNA（snoRNA）、干扰小RNA（siRNA）、Piwi蛋白相互作用RNA（piRNA）和微RNA（microRNA）等。细胞RNA通常为线型单链分子，但某些病毒中，RNA具有单链、双链、线型、环状等多种形式。生物体内的RNA由RNA聚合酶合成，真核生物的RNA聚合酶分为三类，即RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。RNA聚合酶Ⅰ存在于核仁中，转录除5S rRNA以外的rRNA；RNA聚合酶Ⅱ存在于核质中，转录mRNA的前体以及大多数snRNA和microRNA；RNA聚合酶Ⅲ也存在于核质中，转录tRNA、5S rRNA以及一些小RNA。通常，非真核细胞在转录后mRNA不需要进一步加工，转录与翻译同时进行，而真核细胞转录得到的mRNA前体需要后加工处理，包括5′加帽、3′加多聚腺苷酸尾巴（polyA⁺）等过程，从细胞核转运至细胞质，再进行翻译，在此过程中，mRNA上的一些非编码序列被剪切，称为内含子，仍然保留的部分称为外显子，继续表达蛋白质。因此，真核生物的mRNA一般由5′端帽子、5′端非翻译区、翻译区/编码区、3′端非翻译区和3′端多聚腺苷酸尾巴（polyA⁺）构成。

RNA具有三级结构，一级结构是由四种核糖核苷酸通过2-羟基戊糖上3′、5′羟基的磷酸二酯键连接起来的单链聚合物，即核糖核苷酸链。在此基础上，RNA单链含有自我互补的序列，使得某些链段间能够自我配对形成双螺旋结构，即单链折叠的二级结构。进一步的，以二级结构为支架，大分子的扭曲构成了RNA的三级结构。由于2-羟基的存在，RNA的螺旋以A构象为主。其中，tRNA的二级结构呈三叶草形，一端识别密码子，另一端转运氨基酸。rRNA以二级结构、三级结构为骨架，结合蛋白质合成的相关蛋白，形成了核糖体。mRNA以5′端为头，3′端为尾，形成一条核糖核苷酸链的方向，与DNA的有义序列对应。虽然mRNA也具有高级结构，但在参与转录后修饰、翻译的过程中为核苷酸单链，便于序列信息的读取（图2）。在不断的研究中发现，RNA的碱基以及糖环在转录和后转录过程中有化学基团修饰，已经有超过100种的RNA修饰被鉴定与分析。例如，N⁶-甲基腺嘌呤（m⁶A）广泛分布于mRNA终止密码子附近与3′端非翻译区以及长外显子区域，有特定的m⁶A甲基转移酶（writer）、去甲基酶（eraser）和特异性结合蛋白（reader），被发现影响mRNA前体剪切、mRNA的转运、降解及翻译等基本代谢过程，是所有mRNA修饰中研究最广泛、功能最重要的修饰；1-甲基腺嘌呤（m¹A），该修饰主要分布在5′非翻译区，会促进与mRNA帽子相关的翻译26；假尿苷（Ψ），其分布于5′非编码区、编码区和3′非编码区，但在5′非编码区中所占比例偏低，对mRNA稳定性的调节具有一定积极作用；5-甲基胞嘧啶（m⁵C），尽管其在mRNA中丰度较低，但与衰老相关基因的翻译控制有关；5-羟甲基胞嘧啶（hm⁵C），提高翻译效率；以及分布在5′帽子区，可提高mRNA稳定性的7-甲基鸟苷（m⁷G）、6-甲基-2-甲氧基腺嘌呤（m⁶Am）等，都具有调控mRNA的重要作用。

图2 mRNA上常见的转录后修饰及其在mRNA上的分布

RNA的磷酸二酯键与糖苷键具有易水解的特性，而磷酸与碱基具有酸碱的特性。嘌呤碱的N₉、嘧啶碱的N₁与戊糖的C₁形成了糖苷键，RNA在酸性条件下水解为对应的碱基与无碱基戊糖磷酸链。由于酯的特性，磷酸二酯键在碱性条件下水解，但由于RNA的戊糖含有2-羟基，会进攻相邻的磷酸二酯键形成易水解的磷酸三酯，随即水解为2′,3′-环磷酸酯，然后继续水解为2′-核苷酸与3′-核苷酸，导致RNA相较于DNA更容易降解。对于RNA的酸碱性而言，其等电点由第一磷酸基与含氮环的解离平衡决定，当溶液pH低于等电点，核苷酸带正电；当pH高于等电点，核苷酸带负电，RNA的等电点低于DNA。

生物体内，RNA的分解首先是磷酸二酯键的水解，然后脱去磷酸基团后的核苷进一步分解为碱基和戊糖，其中，嘌呤碱脱除氨基再经过氧化生成尿酸，参与代谢，而胞嘧啶脱氨生成尿嘧啶，尿嘧啶经由还原后再水解代谢。RNA的合成原料为腺苷三磷酸（ATP）、鸟苷三磷酸（GTP）、尿苷三磷酸（UTP）和胞苷三磷酸（CTP），其对应的核苷酸既可以从前体小分子从头合成，也可以由预先形成的碱基和核苷合成。DNA双链局部解开后，四种核苷三磷酸在RNA聚合酶催化下，以DNA的反义链为模板转录成RNA，而后DNA以全保留的方式恢复双螺旋结构。

由于RNA较DNA而言更不稳定，并且RNase广泛存在，RNA提取的要求更为苛刻，通常要在裂解细胞的同时加入RNase的抑制剂。RNA的提取与DNA的提取类似，也以苯酚/氯仿抽提法为主，但调节pH至酸性可沉淀出DNA，利用苯酚/氯仿萃取蛋白质与DNA后，RNA溶于上层水相，蛋白质溶于底层有机相，DNA在两相界面间以白色沉淀存在，之后加入异丙醇沉淀出RNA。此外，还有氯化锂沉淀法、氯化铯密度梯度离心法等RNA提取法。以上方法提取的RNA为细胞内总RNA（total RNA），为了进一步提取不同种类的RNA，常使用寡聚胸腺嘧啶核苷酸（oligo dT）与mRNA的polyA⁺结构结合提取mRNA，以及RNA聚合酶Ⅱ免疫共沉淀、4-硫代尿苷（4SU）标记RNA的方法提取新转录的RNA（nascent RNA）。RNA的鉴定也会采用分光光度法与凝胶电泳分析法。分光光度法是通过在260纳米和280纳米处测定RNA溶液的吸光度来定性与定量RNA，RNA的A₂₆₀/A₂₈₀应为2.0左右，低于此值表明蛋白质、DNA残余或含有酚。凝胶电泳分析法是利用RNA的分子大小、所带电荷、分子构象等因素，在琼脂糖/聚丙烯酰胺凝胶中具有不同的迁移率来达到分离效果，之后通过荧光染料如溴乙锭与RNA结合进行条带分析。