核酸分为脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）,是一类重要的生物高分子,是所有已知生命形式必不可少的组成物质。随着对核酸的深入研究,具有稳定双螺旋结构的DNA不仅是遗传信息的载体还是重要的生物材料,已经被用于多种纳米组装体的构建。RNA通常为柔性单链,种类多且在生物体中承担着遗传信息传递及基因表达调节等重要作用。在本论文中,我们提出了基于纳米级核酸结构:DNA纳米线和RNA发夹结构的设计,并将其应用于microRNA（miRNA）体外分析及信使RNA（mRNA）表达调控等领域的相关研究。近年来,开发无标记和无扩增的方法来实现低水平miRNA分子的逻辑计算仍然具有挑战性。因此,在第二章中,我们提出了一种质粒DNA来源的双链DNA纳米线结构进行miRNA的逻辑操作的策略。首先,以let-7d作为此DNA纳米线策略的模型研究对象,证明了该策略具有良好的反应灵敏度和特异性。随后,双miRNA输入逻辑门的成功构建证明了此DNA纳米线体系的可编程性。最后,我们设计了三对不同长度的纳米线,证明了该策略在多种miRNA同时分析中的有效性。与传统的miRNA分析方法相比,此方法无需额外的化学标记或放大过程,可以直接从琼脂糖凝胶中获得输出信号。考虑到逻辑门对较低浓度miRNA分子的优异响应性能,此DNA纳米线策略为多个miRNA的同时检测提供一个强有力的工具,并在大规模复杂DNA纳米结构组装和临床诊断中显示出潜力。另一方面,靶标可及性是一种与靶标RNA二级结构相关的基于能量的标准,己被广泛用于评估靶标RNA的二级结构对RNA诱导的沉默复合体（RISC）的沉默能力的影响。在第三章中,我们通过对靶标mRNA二级结构的设计,发现了 RISC遵循的另一种非靶标可及性的路径。我们发现RISC系统可以在引导RNA（miRNA或短发夹RNA（shRNA））的3’尾的帮助下,高效沉默完全折叠在发夹结构中的靶标RNA。此发现不同于靶标可及性理论中靶标二级结构会阻碍RISC沉默的规律,表明了 RISC系统在沉默mRNA时不依赖靶标二级结构的特性。我们还发现当与不同的3’尾序列相互作用时,RISC在展开靶标二级结构时表现出不同的有效性。与靶标二级结构无关的RISC沉默通路和3’尾的功能的发现将推动对RISC沉默mRNA潜在机制的研究,并为靶标预测和小干扰RNA（siRNA）/shRNA药物开发开辟新的途径。第四章中,我们设计了一种短发夹RNA（shRNA）,通过缩短其反义链的3’尾与靶标序列的配对长度,可以在不损伤shRNA基因沉默效率的前提下达到降低shRNA脱靶效应的目的,从而有效地提高shRNA的基因沉默特异性。与之前降低脱靶的策略相比,此方法更加的简单易行,不受反义链3’区域序列的限制,提供了可以显著改进siRNA/shRNA设计的规则。此方法还为shRNA及siRNA的设计提供了新的思路,一定程度上简化shRNA和siRNA药物的设计中的序列限制,拓宽了其作为治疗和诊断工具在医疗中的用途和前景。在第五章中,位于mRNA的5’非翻译区的RNA发夹元件的设计实现了对哺乳动物中基因表达水平的精确调控。发夹元件的热力学稳定性和GC含量都影响其基因表达调控能力;将起始密码子隔离在发夹元件的双链茎结构之中可以阻碍核糖体对起始密码子的识别;以及发夹元件与上游开放阅读框（uORF）序列对mRNA的翻译抑制具有一定的协同作用。该策略展示了在mRNA的翻译调控中应用确定的合成RNA结构,可以调节哺乳动物内蛋白质的表达水平。