第十章 RNA的生物合成和加工

1、第十章RNA的生物合成和加工下冊(cè)P455貯存于DNA的遺傳信息需通過(guò)轉(zhuǎn)錄和翻譯而得到表達(dá)。通過(guò)轉(zhuǎn)錄在RNA聚合酶催化下合成細(xì)胞內(nèi)各種RNA(mRNA、r-RNA、t RNA和具有各種特殊功能的小RNA,轉(zhuǎn)錄的RNA產(chǎn)物通常要經(jīng)過(guò)一系列加工和修飾才能成為成熟的RNA分子,遺傳信息表達(dá)過(guò)程中存在復(fù)雜調(diào)控機(jī)制。RNA攜帶遺傳信息(RNA為信息分子可以指導(dǎo)RNA合成(復(fù)制,也可以指導(dǎo)DNA 合成(逆轉(zhuǎn)錄;RNA還具催化(核酶等多種功能(RNA為功能分子。10-1 DNA指導(dǎo)下的RNA合成轉(zhuǎn)錄:是以DNA分子為模板合成與其核苷酸順序相對(duì)應(yīng)的RNA分子的過(guò)程?；蚴沁z傳物質(zhì)的最小功能單位,相當(dāng)于DNA一個(gè)

2、片段。一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位可以是一個(gè)基因也可以是多個(gè)基因。基因的轉(zhuǎn)錄是一種有選擇性的過(guò)程,隨著細(xì)胞的不同生長(zhǎng)發(fā)育階段和細(xì)胞內(nèi)外條件的改變將轉(zhuǎn)錄不同的基因。(一轉(zhuǎn)錄(1DNA指導(dǎo)下的RNA聚合酶:該酶所需底物:四種核糖核苷三磷酸(A TP,GTP,UTP及CTP。模板:雙鏈DNA或單鏈DNA。Mg2+:促進(jìn)聚合。不需引物,合成方向也是53。催化聚合反應(yīng)產(chǎn)生的PP i水解推動(dòng)反應(yīng)向前。RNA酶無(wú)校對(duì)功能。(2不對(duì)稱轉(zhuǎn)錄:在體內(nèi)DNA兩條鏈中僅有一條鏈可用于轉(zhuǎn)錄,某些區(qū)域以這條鏈轉(zhuǎn)錄,另一些區(qū)域則可以另一條鏈轉(zhuǎn)錄。用于轉(zhuǎn)錄的鏈稱為模板鏈或負(fù)鏈(-DNA,對(duì)應(yīng)的鏈為編碼鏈,即正鏈(+DNA。編碼鏈與轉(zhuǎn)錄出來(lái)的

3、RNA鏈堿基序列一樣,只是以U取代T,它無(wú)轉(zhuǎn)錄功能,只能進(jìn)行復(fù)制。RNA轉(zhuǎn)錄時(shí)無(wú)需將DNA雙鏈完全解開,RNA聚合酶能夠局部解開DNA的兩條鏈,并以其中一條鏈為有效的模板,在其上合成出互補(bǔ)的RNA鏈,合成的RNA鏈隨DNA雙鏈恢復(fù)而離開DNA鏈。P456 圖36-1 E. coli RNA聚合酶進(jìn)行轉(zhuǎn)錄。(3 E. coli的RNA聚合酶:組成,相對(duì)分子量465,000。沒(méi)有亞基的酶全酶由五個(gè)亞基(2叫核心酶,只能使已開始合成的RNA鏈延長(zhǎng),而不具有起始合成RNA (2的能力。開始合成的RNA鏈時(shí)必須有亞基參與作用,亞基為起始亞基。(4轉(zhuǎn)錄反應(yīng)四階段:模板的識(shí)別,轉(zhuǎn)錄的起始、延伸和終止。1.

4、識(shí)別:RNA聚合酶在亞基引導(dǎo)下識(shí)別并結(jié)合到啟動(dòng)子上,DNA雙鏈局部解鏈,形成轉(zhuǎn)錄泡(解鏈區(qū)。2. 起始:在模板鏈上通過(guò)堿基配對(duì)合成最初RNA鏈,亞基脫離核心酶,酶離開啟動(dòng)子。3. 延伸:核心酶向前移動(dòng),RNA鏈不斷生長(zhǎng),并在解鏈區(qū)形成RNA-DNA雜交體,然后DNA恢復(fù)雙螺旋結(jié)構(gòu),RNA鏈被置換出來(lái)。4. 終止:RNA聚合酶到達(dá)基因轉(zhuǎn)錄終點(diǎn),在Nus因子幫助下識(shí)別轉(zhuǎn)錄終止信號(hào),停止RNA鏈的生長(zhǎng),酶與RNA鏈離開模板,DNA恢復(fù)雙螺旋結(jié)構(gòu)。P457 圖36-2 RNA聚合酶催化的轉(zhuǎn)錄過(guò)程。真核生物的RNA聚合酶分子為、和三種,分別轉(zhuǎn)錄rRNA、mRNA和小RNA。(二啟動(dòng)子和轉(zhuǎn)錄因子啟動(dòng)子:R

5、NA聚合酶識(shí)別、結(jié)合和開始轉(zhuǎn)錄的一段DNA序列。原核生物啟動(dòng)子:有兩個(gè)保守序列,位于-10的pribnow框和位于-35的識(shí)別區(qū), -10區(qū)位于轉(zhuǎn)錄開始位置上游(向左約10個(gè)核苷酸處,-35區(qū)位于上游約35個(gè)核苷酸處。(轉(zhuǎn)錄單位起點(diǎn)核苷酸為+1,轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)左側(cè)為上游,用負(fù)的數(shù)碼表示,起點(diǎn)后為下游,為轉(zhuǎn)錄區(qū)。-10區(qū):6個(gè)bp的保守序列TA TAA T,含較多的A-T堿基對(duì),有助于DNA雙鏈局部解開。-35區(qū):序列為TTGACA,中心在-35處,RNA聚合酶的識(shí)別區(qū)域,為酶提供識(shí)別信號(hào)。真核生物的啟動(dòng)子有三類,分別由RNA聚合酶、和進(jìn)行轉(zhuǎn)錄。真核生物的啟動(dòng)子由轉(zhuǎn)錄因子而不是RNA聚合酶所識(shí)別。啟動(dòng)

6、子通常由一些短的保守序列所組成,可被適當(dāng)種類的輔助因子識(shí)別。(三終止子和終止因子終止子:提供轉(zhuǎn)錄停止信號(hào)的DNA序列。終止因子:協(xié)助RNA聚合酶識(shí)別終止信號(hào)的輔助因子(蛋白質(zhì)。DNA轉(zhuǎn)錄終止信號(hào)可被RNA聚合酶本身或其輔助因子所識(shí)別。所有原核生物的終止子在終止點(diǎn)前均有一回文結(jié)構(gòu),產(chǎn)生的RNA可形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)。通讀:有些終止子的作用可被特異因子所阻止,使酶得以越過(guò)終止子繼續(xù)轉(zhuǎn)錄,稱為通讀。這類引起抗終止作用的蛋白質(zhì)稱為抗終止因子?？菇K止作用主要見于某些噬菌體的時(shí)序控制。早期基因與其后基因之間以終止子相隔開,通過(guò)抗終止子可以打開其后基因的表達(dá),新的基因表達(dá)是由于RNA鏈延長(zhǎng)所致。RNA聚合酶識(shí)別終止

7、子也需要一些特殊的輔助因子,如Nus A因子可提高終止效率,促進(jìn)RNA聚合酶在終止位置上的停頓。Nus A與核心酶結(jié)合成終止復(fù)合物,識(shí)別終止信號(hào)。轉(zhuǎn)錄終止后,Nus A又被所取代,再形成RNA聚合酶起始復(fù)合物。(四轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)控制轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)是基因表達(dá)調(diào)節(jié)的重要環(huán)節(jié),包括時(shí)序調(diào)節(jié)和適應(yīng)調(diào)解。遺傳信息的表達(dá)可按一定時(shí)間程序發(fā)生變化,而且隨著細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境條件的改變而加以調(diào)整。原核生物的操縱子:它既是表達(dá)單位,也是協(xié)同調(diào)節(jié)的單位。操縱子是細(xì)菌基因表達(dá)和調(diào)控的單位,它包括結(jié)構(gòu)基因、調(diào)節(jié)基因和由調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物所識(shí)別的控制序列。操縱子模型,見P561。由于經(jīng)濟(jì)原則,細(xì)菌通常并不合成那些在代謝上無(wú)用的酶,因此一些

8、分解代謝的酶類只在有關(guān)的底物或底物類似物存在時(shí)才被誘導(dǎo)合成。如E. coli利用外界乳糖時(shí)會(huì)需要三種有關(guān)的酶,一般情況下極少產(chǎn)生,只有當(dāng)乳糖存在時(shí),按乳糖操縱子模型這三種利用乳糖所必需的酶才大量產(chǎn)生。一些合成代謝的酶類在產(chǎn)物或產(chǎn)物類似物足夠量存在時(shí),其合成則被阻遏。P562 圖39-21 說(shuō)明酶誘導(dǎo)和阻遏的操縱子模型。酶的誘導(dǎo)和阻遏是在調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物阻遏蛋白的作用下,通過(guò)操縱基因控制結(jié)構(gòu)基因或基因組的轉(zhuǎn)錄而發(fā)生的。A.酶的誘導(dǎo):阻遏蛋白結(jié)合在操縱基因上,結(jié)構(gòu)基因不表達(dá);但當(dāng)誘導(dǎo)物與阻遏蛋白結(jié)合使阻遏蛋白不能結(jié)合在操縱基因上,結(jié)構(gòu)基因可以表達(dá)。B.酶的阻遏:阻遏蛋白不能與操縱基因結(jié)合,結(jié)構(gòu)基因可表

9、達(dá);當(dāng)代謝產(chǎn)物與阻遏蛋白結(jié)合使阻遏蛋白能夠結(jié)合在操縱基因上,結(jié)構(gòu)基因不表達(dá)。P563 圖39-22 為E. coli中乳糖操縱子模型。調(diào)節(jié)有正調(diào)節(jié)和負(fù)調(diào)節(jié),原核生物以負(fù)調(diào)節(jié)為主。阻遏蛋白的作用屬于負(fù)調(diào)節(jié),阻遏蛋白稱為負(fù)調(diào)節(jié)因子。正調(diào)節(jié):調(diào)節(jié)蛋白(激活子與DNA結(jié)合時(shí),使轉(zhuǎn)錄發(fā)生。真核生物的調(diào)節(jié)更為復(fù)雜,基因不組成操縱子,以正調(diào)節(jié)為主,并可在染色質(zhì)結(jié)構(gòu)水平上進(jìn)行調(diào)節(jié)。(五 RNA生物合成抑制劑(1堿基類似物:可作為核苷酸代謝拮抗物而抑制核酸前體的合成,直接抑制核苷酸生物合成有關(guān)的酶,或通過(guò)摻入到核酸分子中形成異常的DNA或RNA影響核酸的功能并導(dǎo)致突變:如6-巰基嘌呤,6-巰基鳥嘌呤,5-氟尿嘧

10、啶等,結(jié)構(gòu)式見P469。(2DNA模板功能抑制物:通過(guò)與DNA結(jié)合,使DNA失去模板功能從而抑制其復(fù)制和轉(zhuǎn)錄:如臨床上應(yīng)用的氮芥類似物。(結(jié)構(gòu)見P470。環(huán)磷酰胺:體外無(wú)活性,進(jìn)入腫瘤細(xì)胞后受磷酰胺酶作用水解成活性氮芥,可治療多種癌癥。苯丁酸氮芥:因含有酸性基團(tuán)不易進(jìn)入正常細(xì)胞,而癌細(xì)胞酵解作用旺盛,大量積累乳酸,pH較低,故容易進(jìn)入癌細(xì)胞。10-2 RNA的轉(zhuǎn)錄后加工細(xì)胞中由RNA聚合酶合成的原初轉(zhuǎn)錄物往往需經(jīng)過(guò)一系列變化,包括鏈的裂解,5端與3端的切除和特殊結(jié)構(gòu)的形成,核苷的修飾和糖苷鍵的改變以及拼接和編輯,才能轉(zhuǎn)變?yōu)槌墒斓腞NA分子,此過(guò)程為轉(zhuǎn)錄后加工或稱RNA的成熟。(一原核生物中RN

11、A的加工mRNA一般不進(jìn)行轉(zhuǎn)錄后加工,一經(jīng)轉(zhuǎn)錄通常立即進(jìn)行翻譯。rRNA的基因與某些tRNA基因組成混合操縱子,轉(zhuǎn)錄后需切割,斷鏈成為rRNA 和tRNA,如P473 圖36-13 大腸桿菌rRNA前體的加工:rRNA前體先經(jīng)甲基化修飾,再被切割。tRNA前體加工包括:由內(nèi)切酶在tRNA兩端切斷;3端切去附加順序,進(jìn)行修剪;3端加上-CCA-OH;核苷酸修飾和異構(gòu)化,和T由U修飾而來(lái)。(二真核生物中RNA的一般加工大多數(shù)真核基因都是斷裂基因,轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物需通過(guò)拼接,去除插入部分(即內(nèi)含子,使編碼區(qū)(外顯子成為連續(xù)序列。RNA編碼序列改變稱為編輯,RNA編碼和讀碼方式的改變稱為再編碼。由于存在選擇性

12、拼接、編輯和再編碼,一個(gè)基因可以產(chǎn)生多種蛋白質(zhì)。真核生物mRNA前體必須經(jīng)復(fù)雜加工過(guò)程,還有5端加帽子,3端加polyA。rRNA和tRNA加工也需剪接、編輯、內(nèi)部甲基化、修飾異物化、戴帽和加尾。(三酶性核酸四膜蟲rRNA的拼接是自我催化下進(jìn)行,拼接過(guò)程沒(méi)有蛋白質(zhì)參加,為自我拼接。RNA拼接有四種方式,如P479 圖36-17。四膜蟲rRNA前體拼接屬于類型自我拼接。型內(nèi)含子具有高度保守的二級(jí)結(jié)構(gòu)(P480圖36-19和三級(jí)結(jié)構(gòu),導(dǎo)致某些活性部位形成。P479 圖36-18 四膜蟲rRNA前體的拼接過(guò)程:A:第一次轉(zhuǎn)酯反應(yīng),鳥苷酸(或鳥苷提供游離的3-OH,使內(nèi)含子的5-磷酸基轉(zhuǎn)移其上。B:第

13、二次轉(zhuǎn)酯反應(yīng),由第一個(gè)外顯子產(chǎn)生的3-OH攻擊第二個(gè)外顯子的5-磷酸基,產(chǎn)生線狀內(nèi)含子片段。C:第三次轉(zhuǎn)酯反應(yīng),線狀內(nèi)含子片段發(fā)生環(huán)化,形成一個(gè)環(huán)狀分子和一小段15聚核苷酸。類型內(nèi)含子自我拼接如P480 圖36-20所示。它無(wú)需游離鳥苷酸(或鳥苷發(fā)動(dòng)轉(zhuǎn)酯反應(yīng),而是由內(nèi)含子靠近3端的腺苷酸2-OH攻擊5磷酸基引起的,經(jīng)過(guò)兩次轉(zhuǎn)酯反應(yīng),內(nèi)含子成為套索結(jié)構(gòu)被切除,兩個(gè)外顯子得以連接在一起。(四RNA生物功能的多樣化(1RNA在遺傳信息的翻譯中起著決定作用,承擔(dān)蛋白質(zhì)生物合成。(2RNA具有重要催化功能和其他持家功能。(3RNA轉(zhuǎn)錄后加工和修飾依賴于各種小RNA和其蛋白質(zhì)復(fù)合物。(4RNA對(duì)基因表達(dá)和

14、細(xì)胞功能具有重要調(diào)節(jié)作用。反義RNA可通過(guò)與靶部位序列互補(bǔ)而與之結(jié)合或直接阻止其功能或改變靶部位構(gòu)象而影響其功能。(5RNA在生物進(jìn)化中起重要作用。生命起源早期可能首先出現(xiàn)的是RNA?？傊?DNA和RNA是主要遺傳信息攜帶分子,RNA還是重要的功能分子,在遺傳信息的傳遞、加工和調(diào)節(jié)中起關(guān)鍵作用。10-3 在RNA指導(dǎo)下的RNA和DNA合成在有些生物中,RNA也可以是遺傳信息的基本攜帶者。(一RNA復(fù)制:以RNA為模板,在RNA復(fù)制酶催化下合成與模板互補(bǔ)的全序列RNA稱為RNA復(fù)制。(1RNA復(fù)制酶:模板特異性很高,它只識(shí)別病毒自身的RNA。底物為四種NTP,不需引物,需Mg2+。(+RNA和(

15、-RNA:通常將具有mRNA功能的鏈稱為(+RNA,而它的互補(bǔ)鏈為(-RNA。帶(+RNA的病毒可直接進(jìn)行與病毒繁殖有關(guān)的蛋白質(zhì)合成。1.(+RNA病毒:如灰質(zhì)炎病毒和噬菌體Q。2.(-RNA病毒:含有復(fù)制酶,如狂犬病病毒。3.(±RNA病毒:含雙鏈DNA和復(fù)制酶,如呼腸孤病毒。4.逆轉(zhuǎn)錄病毒:致癌RNA病毒,如白血病病毒,AIDS病毒。P493 圖36-34 顯示RNA病毒合成mRNA的四種途徑。(二RNA的逆轉(zhuǎn)錄以RNA為模板在逆轉(zhuǎn)錄酶作用下合成DNA,遺傳信息由RNA傳給DNA。(1逆轉(zhuǎn)錄酶的發(fā)現(xiàn):1964年Temin發(fā)現(xiàn)致癌RNA病毒(不含DNA的復(fù)制受到DNA合成抑制劑放線

16、菌素的抑制,為此Temin提出“前病毒”學(xué)說(shuō),認(rèn)為遺傳信息可以由RNA 傳遞給DNA,存在逆轉(zhuǎn)錄傳遞。1970年從致癌RNA病毒中發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄酶。(2逆轉(zhuǎn)錄酶的性質(zhì):模板:RNA。以自身病毒的RNA為模板時(shí)活力最高。一些人工合成的多聚核苷酸也表現(xiàn)出很高模板活力,如polyC-dG,可在提純逆轉(zhuǎn)錄酶時(shí)用作測(cè)酶活力的模板。真核生物mRNA3端有poly A,可作為逆轉(zhuǎn)錄模板(加dT,可制cDNA。引物:長(zhǎng)度至少要4個(gè)核苷酸,可為寡聚DNA,也可為寡聚RNA,如病毒RNA逆轉(zhuǎn)錄要求特定tRNA為引物,需有3-OH。底物:四種dNTP。Mg2+和Mn2+;還需要保護(hù)酶中-SH的還原劑。逆轉(zhuǎn)錄酶是多功能酶,有3種酶活力:1. 形成雜合分子RNA-DNA,為RNA指導(dǎo)下DNA聚合活力。2. 形成雙鏈DNA,為DNA指導(dǎo)下的DNA聚合活力。3. 水解RNA-DNA雜合分子中的RNA,核酸外切酶活力。逆轉(zhuǎn)錄酶無(wú)校正功能,因此錯(cuò)誤率較高。(3逆轉(zhuǎn)錄的生物學(xué)意義逆轉(zhuǎn)錄最初發(fā)現(xiàn)于致癌R