天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNA課件

1、天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNA天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNA第十四章第十四章 RNA的生物合成的生物合成 轉錄轉錄 轉錄后加工轉錄后加工天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNA從從DNA到蛋白質的信息流到蛋白質的信息流DNARNAProteingeneticinformationgenetic informationstructure and biochemical catalysisand biochemicalcatalysis天津大學生物化學天津大學

2、生物化學Lecture16BiosynthesisRNA轉錄轉錄 DNA分子中的遺傳信息轉移到分子中的遺傳信息轉移到RNA分分子中的過程，子中的過程，與與DNA復制一樣，也復制一樣，也遵遵循堿基互補原則循堿基互補原則 由由RNA聚合酶催化，使用的是核苷聚合酶催化，使用的是核苷-5-三磷酸三磷酸（NTPs)作為合成原料作為合成原料 生成的生成的RNA有主要有三類有主要有三類：信使信使RNA（mRNA) 、核糖體、核糖體RNA（rRNA）和）和轉移轉移RNA（tRNA）天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNA轉錄轉錄與與復制的聯系復制的聯系 在生物體內，基因

3、的兩條鏈都是轉錄所需要的，在生物體內，基因的兩條鏈都是轉錄所需要的，但除極少數例外，只有一條鏈直接作為轉錄的模但除極少數例外，只有一條鏈直接作為轉錄的模板。板。 轉錄的模板轉錄的模板DNA鏈稱為模板鏈或反義鏈鏈稱為模板鏈或反義鏈（antisense strand）,另一條鏈稱為編碼鏈或有另一條鏈稱為編碼鏈或有義鏈（義鏈（sense strand） 基因的轉錄基因的轉錄不是將不是將DNA的信息全部轉錄，而的信息全部轉錄，而是有是有選擇的選擇的 轉錄和復制都遵循同樣的基本化學原理：都有方轉錄和復制都遵循同樣的基本化學原理：都有方向性和都需要模板來合成。向性和都需要模板來合成。天津大學生物化學天津大

4、學生物化學Lecture16BiosynthesisRNARNA聚合酶聚合酶 RNA的合成是由的合成是由RNA聚合酶催化的聚合酶催化的 原核生物的原核生物的mRNA、rRNA和和tRNA通通常由常由同同一種一種RNA聚合酶聚合酶來來合成合成 真核生物真核生物 mRNA、rRNA和和tRNA 則分則分別由不同的別由不同的RNA聚合酶來合成聚合酶來合成天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNADNA聚合酶與聚合酶與RNA聚合酶的比較聚合酶的比較 DNA復制復制在在DNA聚合酶的作用下，鏈的增長速聚合酶的作用下，鏈的增長速度約為度約為5001000核苷酸核苷酸/

5、s，復制點較少；而轉錄，復制點較少；而轉錄在在RNA聚合酶的作用下，鏈的增長速度約為聚合酶的作用下，鏈的增長速度約為50核核苷酸苷酸/s，但發(fā)生在許多，但發(fā)生在許多位點位點上上 RNA聚合酶沒有聚合酶沒有3-端外切活性，端外切活性， 轉錄的出錯率轉錄的出錯率為為105分之一分之一, 而復制則為而復制則為1091010 分之一分之一 RNA聚合酶不需要引物聚合酶不需要引物天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNA細菌細菌RNA聚合酶的起始步驟聚合酶的起始步驟PuPP5335 PRNA聚合酶DNA模板鏈合成方向啟動子形成閉式復合物形成開式復合物pppPu起動合

6、成通常以嘌呤開始天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNA與啟動子與啟動子（promoter）的作用）的作用 RNA聚合酶在搜索啟動子的聚合酶在搜索啟動子的過程中，與過程中，與DNA的結合是非專一的的結合是非專一的 當當RNA聚合酶找到啟動子后，就會與其形聚合酶找到啟動子后，就會與其形成一個成一個閉式閉式復合物復合物 RNA聚合酶解開聚合酶解開-10到到-1位的模板位的模板DNA的堿的堿基對基對, 形成一個開式復合物形成一個開式復合物天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNA大腸桿菌啟動基因結構特點大腸桿菌啟動基因結構

7、特點UP element-35 RegionSpacerSpacerRNA startNNAAAAATTTTATTTTNNAAAANNNNTTGACA-10 RegionN17TATAATN6+1ConsensussequenceNGTGTCAN16TATAATN8AGAAAATTATTTTAAATTTCGTArrnB P1TTGACAN17TTAACTN7AtrpTTTACAN17TATGTTN6AlacTTGATAN16TATAATN7ArecACTGACGN18TACTGTN6AaraBAD富含富含AT天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNA細菌細

8、菌RNA聚合酶的鏈增長步驟聚合酶的鏈增長步驟天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNA大腸桿菌大腸桿菌RNA聚合酶在轉錄中的聚合酶在轉錄中的作用作用天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNA轉錄時轉錄時DNA超螺旋的變化超螺旋的變化天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNA轉錄泡結構轉錄泡結構天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNARNA聚合酶催化機理聚合酶催化機理天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRN

9、A大腸桿菌大腸桿菌RNA聚合酶的結構聚合酶的結構亞基亞基Mr個數個數/酶酶 功能功能36,5002鏈引發(fā)鏈引發(fā)151,0001鏈引發(fā)與增長鏈引發(fā)與增長155,0001與與DNA結合結合70,0001識別啟動子識別啟動子11,0001未知未知天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNA鏈增長過程中鏈增長過程中RNA聚合酶的回撤聚合酶的回撤天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNA轉錄終止模型轉錄終止模型（與輔因子無關與輔因子無關）最后一段最后一段A序列序列兩段富含兩段富含GC序列配對序列配對天津大學生物化學天津大學生物化學

10、Lecture16BiosynthesisRNA轉錄終止模型轉錄終止模型（與輔因子相關與輔因子相關）天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNA轉錄的抑制劑轉錄的抑制劑扁平結構可插入扁平結構可插入dGdC之間，使模板變形之間，使模板變形3-無羥基使得無羥基使得RNA聚合中斷聚合中斷天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNA轉錄的調節(jié)轉錄的調節(jié) 許多許多基因基因的的轉錄轉錄只在需要時才進行只在需要時才進行 酶的誘導和抑制貫穿整個轉錄過程，特別酶的誘導和抑制貫穿整個轉錄過程，特別是起始階段是起始階段天津大學生物化學天津大學生

11、物化學Lecture16BiosynthesisRNA轉錄調節(jié)的操縱子模型轉錄調節(jié)的操縱子模型操縱子操縱子(Operon)：由功能相關的一組結構基因加：由功能相關的一組結構基因加上其上游的啟動子上其上游的啟動子(Promoter)和操縱基因和操縱基因(Operator)等組成的原核生物的轉錄單位。等組成的原核生物的轉錄單位。天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNA乳糖操縱子的結構乳糖操縱子的結構CRP = cAMP receptor ProteinOOHHHHOHHOHCH2OHHOHOHHHOHHOHCH2OHHOLactose天津大學生物化學天津大學

12、生物化學Lecture16BiosynthesisRNA乳糖操縱子的阻遏乳糖操縱子的阻遏天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNA乳糖操縱子阻遏物的失活乳糖操縱子阻遏物的失活天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNA真核細胞真核細胞RNA聚合酶聚合酶 有有I、II和和III三類，三類，它們是結構不同的復它們是結構不同的復合物，但是合物，但是具有具有某些某些相同的相同的亞基亞基 I類類與合成與合成rRNA有關有關 II類與類與合成合成mRNA有關有關 III類主要是合成類主要是合成tRNA，5S rRNA和其和其他一些小

13、他一些小 RNA天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNA與真核細胞與真核細胞RNA聚合酶聚合酶II有關的蛋白有關的蛋白蛋白蛋白亞基數亞基數亞基質量亞基質量（Mr）功能功能Pol II1210,000-220,000催化催化RNA合成合成TBP138,000專一識別專一識別TATA序列序列TFIIA312,000; 19,000; 35,000穩(wěn)定穩(wěn)定TFIIB和和TBP與啟動子的與啟動子的結合結合TFIIB135,000與與TBP結合結合TFIIE230,000; 57,000具有具有ATPase和和Helicase活性活性TFIIF230,000; 7

14、4,000防止防止Pol II與非特定與非特定DNA序列序列結合結合TFIIH1235,000-89,000具有具有Helicase活性并可磷酸活性并可磷酸化化Pol II天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNA真核細胞真核細胞RNA聚合酶聚合酶II識別的啟識別的啟動子的常見核苷酸序列動子的常見核苷酸序列N代表任何一個核苷酸；代表任何一個核苷酸；Y則代表一個嘧啶核苷酸則代表一個嘧啶核苷酸天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNA真核細胞真核細胞RNA聚合酶聚合酶II催化的轉錄催化的轉錄天津大學生物化學天津大學生物化學

15、Lecture16BiosynthesisRNA轉錄小結轉錄小結 除極少數例外，只有一條除極少數例外，只有一條DNA鏈被轉錄鏈被轉錄 不是全部基因都被轉錄生成不是全部基因都被轉錄生成RNA，轉錄是有選擇的，轉錄是有選擇的 RNA聚合酶聚合酶使用核苷三磷酸（使用核苷三磷酸（ATP，GTP, CTP和和UTP）合成合成RNA 從從DNA到到RNA，堿基互補按照，堿基互補按照T-A，C-G，G-C，A-U 同同DNA聚合酶一樣，聚合酶一樣，RNA聚合酶聚合酶合成方向合成方向是從是從5端端到到3端端 與與DNA聚合酶不同的是，聚合酶不同的是，RNA聚合酶聚合酶合成合成RNA不需要引不需要引物物 與與D

16、NA復制一樣，轉錄也經引發(fā)、增長和終止三個階段復制一樣，轉錄也經引發(fā)、增長和終止三個階段天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNA轉錄后加工過程轉錄后加工過程 各種各種RNA合成時，先以合成時，先以DNA為模板生成分為模板生成分子量較大的子量較大的RNA前體（初級轉錄前體（初級轉錄 產物產物 ），），然后在專一酶的作用下切除多余的部分，然后在專一酶的作用下切除多余的部分，或進行修飾，最后才生成有活性的或進行修飾，最后才生成有活性的“成成熟熟”RNA。這個過程稱為。這個過程稱為”轉錄后加工轉錄后加工” 轉錄時產生的轉錄時產生的tRNA和和rRNA前體需要加工

17、，前體需要加工， 真核生物真核生物mRNA前體也需要進行加工，原前體也需要進行加工，原核生物核生物mRNA不需要加工。不需要加工。天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNA真核細胞真核細胞mRNA的結構特點的結構特點 一般是單順反子，序列中無內含子，但其一般是單順反子，序列中無內含子，但其前體中含有內含子前體中含有內含子 大多數大多數3末端有由末端有由100200個腺苷酸連續(xù)排個腺苷酸連續(xù)排列所組成的列所組成的“尾巴尾巴” 5端有端有“帽子帽子”結構。結構?！懊弊用弊印笔峭ㄟ^三磷是通過三磷酸鍵連接在酸鍵連接在mRNA 5端核苷酸殘基上的端核苷酸殘基上的7-

18、甲基鳥苷甲基鳥苷 “帽子帽子”和和“尾巴尾巴”都是不翻譯區(qū)都是不翻譯區(qū) 天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNAmRNA的轉錄后加工過程的轉錄后加工過程 5端帽結構的生成端帽結構的生成(5-end capping) 3端多聚端多聚A的附加的附加(poly(A) tail) mRNA前體的剪接（前體的剪接（Splicing) 天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNA真核細胞成熟真核細胞成熟mRNA的形成過程的形成過程天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNA真核細胞真核細胞mRN

19、A的的5 帽子結構帽子結構7-甲基鳥嘌呤甲基鳥嘌呤三磷酸連接三磷酸連接5 帽子帽子NHNNONH2NOOHHHH5HOHO2OHHH5HO2OHHHHOO堿基堿基POO-POPOPOO-OO-O-OOOCH3OCH3CH3天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNA5 帽的形成帽的形成pppNpphosphohydrolasePippNpguanylyltransferaseGpppPPiGpppNpguanine-7-methyltransferaseadoMetadoHcym7GpppNpm7Gpppm2Np2-O-methyltransferasead

20、oMetadoHcy天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNA5 帽的作用帽的作用 5 帽可以防止帽可以防止mRNA被被核糖核酸酶剪切，核糖核酸酶剪切，還可以與核糖體蛋白的特定區(qū)域結合從而還可以與核糖體蛋白的特定區(qū)域結合從而起動翻譯過程起動翻譯過程天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNA真核細胞真核細胞3 端多聚端多聚A尾巴的形成尾巴的形成尾巴尾巴80到到250個核苷酸長個核苷酸長10-30個個核苷酸核苷酸天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNA真核細胞真核細胞3 端多聚端多聚

21、A尾巴的作用尾巴的作用 作為與一個或多個特定蛋白結合的位點，作為與一個或多個特定蛋白結合的位點，避免被酶降解避免被酶降解 一些一些mRNA的多聚的多聚A還與其順利通過核膜進還與其順利通過核膜進入細胞質的過程有關入細胞質的過程有關天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNARNA內含子（內含子（intron）的剪接）的剪接 內含子根據其剪接機理分為四類內含子根據其剪接機理分為四類 類類I和類和類II的剪接不需要蛋白酶的參與，可自的剪接不需要蛋白酶的參與，可自剪接，也不需要剪接，也不需要ATP供給能量供給能量 類類III，也是最多的一類，其剪接需要蛋白復，也是最

22、多的一類，其剪接需要蛋白復合物合物（剪接體剪接體）的參與，也需要的參與，也需要ATP供能供能 類類IV，通常在，通常在tRNA，除了要求，除了要求ATP外，還外，還需要一個內切酶的參與需要一個內切酶的參與天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNA轉酯反應轉酯反應天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNA類類I內含子的剪接內含子的剪接天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNA類類II內含子的剪接內含子的剪接天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRN

23、A類類III內含子通過剪接體剪接內含子通過剪接體剪接天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNA剪接過程中的剪接過程中的RNA配對配對天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNA剪接與轉錄聯合剪接與轉錄聯合天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNA真核細胞真核細胞mRNA轉錄后加工實例轉錄后加工實例天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNA同一基因可轉錄生成多個同一基因可轉錄生成多個mRNA 內含子的轉錄似乎只是消耗能量，沒給生內含子的轉錄似乎只是

24、消耗能量，沒給生物帶來任何好處，其詳細機理和作用正在物帶來任何好處，其詳細機理和作用正在熱研中熱研中 大多數真核細胞的大多數真核細胞的mRNA轉錄只生成一個轉錄只生成一個成熟成熟mRNA，后續(xù)翻譯生成一條多肽鏈，后續(xù)翻譯生成一條多肽鏈，但是也有一些能以多種方式剪接產生不同但是也有一些能以多種方式剪接產生不同的的mRNA，從而生成不同的多肽鏈，從而生成不同的多肽鏈天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNA兩種不同的后轉錄加工過程兩種不同的后轉錄加工過程天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNArRNA原核生物原核生物真核

25、生物真核生物核糖體核糖體rRNA核糖體核糖體rRNA70 S(30 S, 50 S)16 S5 S, 23 S80 S(40 S, 60 S)18 S5 S, 5.8 S,28 S核糖體和所含的核糖體和所含的rRNA天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNA細菌細菌rRNA前體的轉錄后加工前體的轉錄后加工天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNArRNA轉錄后加工特點轉錄后加工特點 有甲基化有甲基化 tRNA和和rRNA一起生成，一起加工一起生成，一起加工 沒有沒有5帽也沒有多聚帽也沒有多聚A尾巴尾巴 需要核糖核酸酶參

26、與。需要核糖核酸酶參與。天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNA細菌和真核細胞細菌和真核細胞tRNA的后轉錄的后轉錄加工加工天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNA一一些些tRNA轉錄后加工產生的堿基轉錄后加工產生的堿基天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNARNA和和DNA的合成途徑概圖的合成途徑概圖天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNARNA復制復制（RNA指導的指導的RNA合成合成） 某些大腸桿菌噬菌體如某些大腸桿菌噬菌體如Q是

27、是RNA病毒，它病毒，它是在宿主細胞中由是在宿主細胞中由RNA指導的指導的RNA聚合酶聚合酶或稱或稱RNA復制酶催化合成復制酶催化合成RNA。 RNA復制酶用復制酶用NTP為底物，催化合成與病為底物，催化合成與病毒毒RNA堿基序列互補的堿基序列互補的RNA鏈，鏈，新新RNA鏈鏈的合成方向也是的合成方向也是5-3 RNA復制酶需要專一的復制酶需要專一的RNA模板，它不能模板，它不能復制宿主細胞的復制宿主細胞的RNA。天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNA逆轉錄逆轉錄 某些某些RNA病毒的基因組是單鏈病毒的基因組是單鏈RNA，并帶，并帶有以有以RNA為模板

28、的為模板的DNA聚合酶，稱為逆轉聚合酶，稱為逆轉錄酶。錄酶。 當病毒進入宿主細胞后，逆轉錄酶完成三當病毒進入宿主細胞后，逆轉錄酶完成三個任務：個任務：1）合成一條與病毒）合成一條與病毒RNA互補的互補的DNA鏈，稱為鏈，稱為cDNA （complementray DNA）；）；2）降解病毒）降解病毒RNA；3）以）以cDNA為模板合成一新的為模板合成一新的DNA 導致的導致的DNA雙鏈嵌入到宿主細胞的雙鏈嵌入到宿主細胞的DNA天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNAAIDS 與逆轉錄病毒與逆轉錄病毒 HIV（human immunodeficiency

29、virus)是引起是引起AIDS的病毒，是一種逆轉錄病毒的病毒，是一種逆轉錄病毒 與其它逆轉錄病毒不同，與其它逆轉錄病毒不同，HIV殺死其感染的殺死其感染的細胞，特別是細胞，特別是T淋巴細胞。淋巴細胞。 HIV逆轉錄酶出錯率極高，十倍于其它逆轉逆轉錄酶出錯率極高，十倍于其它逆轉錄酶，導致這種病毒極高的變異能力。錄酶，導致這種病毒極高的變異能力。天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNA抗抗AIDS的藥物的藥物HNOONOHHHHHOCH3NHNNNOHHHHHOHHNNHNO3-Azido-2,3-dideoxy-thymidine (AZT)2,3-Dideoxyinosine (DDI)AZT三磷酸可與逆轉錄酸酶結合并抑制其活性。三磷酸可與逆轉錄酸酶結合并抑制其活性。天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNA多核苷酸磷酸化酶（無模板的多核苷酸磷酸化酶（無模板的RNA合成）合成）天津大學生物化學天津大學生物化學Lecture16BiosynthesisRNA多核苷酸磷酸化酶特點多核苷酸磷酸化酶特點能使核苷二磷酸的混合物或一種核苷二磷能使