第17章 RNA的合成與加工 王鏡巖《生物化學(xué)》第三版筆記(打印版)

1、第十七章 RNA的合成與加工第一節(jié) DNA轉(zhuǎn)錄生成RNA一、定義（一）轉(zhuǎn)錄單位（二）啟動(dòng)子（promoter）（三）終止子（terminator）二、RNA聚合酶（一）酶的特性：以4種NTP為底物，需模板和鎂離子，合成方向也是53，但不需要引物。（二）酶的分類：1.噬菌體的RNA聚合酶結(jié)構(gòu)簡單，是單鏈蛋白，功能也簡單。2.細(xì)菌則具有復(fù)雜的多亞基結(jié)構(gòu)(450Kd)，可識別并轉(zhuǎn)錄超過1000個(gè)轉(zhuǎn)錄單位。3.真核生物的酶有多種，根據(jù)a鵝膏蕈堿(環(huán)狀8肽，阻斷RNA延伸)的抑制作用可分為三類：聚合酶A對它不敏感，分布于核仁，轉(zhuǎn)錄核糖體RNA；聚合酶B對低濃度敏感，存在于核質(zhì)，轉(zhuǎn)錄信使RNA；聚合酶C位

2、于核質(zhì)，對高濃度敏感，轉(zhuǎn)錄小分子量RNA，如轉(zhuǎn)運(yùn)RNA、5SRNA等。各種RNA聚合酶都是由10-15種不同亞基組成的多亞基復(fù)合物。4. 線粒體和葉綠體也有RNA聚合酶，結(jié)構(gòu)簡單，能合成所有種類RNA。（三）酶的構(gòu)成：大腸桿菌的全酶有5個(gè)亞基（2），含2個(gè)鋅。催化形成磷酸二酯鍵，結(jié)合模板，亞基稱為起始因子，可使RNA聚合酶穩(wěn)定地結(jié)合到啟動(dòng)子上。稱為核心酶。亞基在不同菌種間變動(dòng)較大，而核心酶比較恒定。酶與不同啟動(dòng)子的結(jié)合能力不同，不同啟動(dòng)因子可識別不同的啟動(dòng)子。70識別啟動(dòng)子共有序列，32識別熱休克基因，60在氮饑餓時(shí)起作用。通過隨機(jī)移動(dòng)起作用，不需解鏈。（四）模板：以完整雙鏈DNA為模板，其中

3、僅一條鏈可轉(zhuǎn)錄。轉(zhuǎn)錄時(shí)局部解鏈，轉(zhuǎn)錄后DNA重新形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，所以DNA是全保留的。三、轉(zhuǎn)錄過程分為起始、延長和終止三個(gè)階段。起始包括對雙鏈DNA特定部位的識別、局部（17bp）解鏈以及在最初兩個(gè)核苷酸間形成磷酸二酯鍵。第一個(gè)核苷酸摻入的位置稱為轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)。起始后起始因子離開，核心酶構(gòu)象改變，沿模板移動(dòng)，轉(zhuǎn)錄生成雜交雙鏈(12bp)，隨后DNA互補(bǔ)鏈取代RNA鏈，恢復(fù)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)。延伸速度為50nt/s，酶移動(dòng)17nm。錯(cuò)誤幾率為10-5。聚合酶到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，在終止輔助因子的幫助下停止反應(yīng)，酶和RNA鏈脫落，轉(zhuǎn)錄結(jié)束。四、啟動(dòng)子和轉(zhuǎn)錄因子（一）定義：酶識別、結(jié)合、開始轉(zhuǎn)錄的一段DNA序列。強(qiáng)

4、啟動(dòng)子2秒鐘啟動(dòng)一次轉(zhuǎn)錄，弱啟動(dòng)子10分鐘一次。（二）原核生物：大腸桿菌在起點(diǎn)上游約10堿基對處有保守序列TATAAT，稱為pribnow box，有助于局部解鏈。在其上游還有TTGACA，稱為35序列，提供RNA聚合酶識別的信號。（三）真核生物：復(fù)雜，差異較大。1.信使RNA的啟動(dòng)子通常有三個(gè)保守區(qū)，25到30有TATA框，是解鏈位置，并決定轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)；75位置有CAAT框，與RNA聚合酶的結(jié)合有關(guān)；更上游還有GC框，某些轉(zhuǎn)錄因子可結(jié)合。后兩個(gè)稱為上游因子，對轉(zhuǎn)錄起始頻率有較大影響。2. 小RNA的啟動(dòng)子在轉(zhuǎn)錄區(qū)內(nèi)部，有一些輔助因子幫助RNA聚合酶識別。五、終止子和終止因子（一）定義（二）所有

5、原核生物的終止子在終點(diǎn)之前都有一個(gè)回文結(jié)構(gòu)，可使酶減慢移動(dòng)或暫停合成。大腸桿菌有兩類終止子：1. 簡單終止子，回文區(qū)有一段富含GC對的序列，回文后有寡聚尿苷。2.依賴的終止子，必須在有因子時(shí)才能發(fā)揮作用，不含GC對，也無寡聚尿苷。因子是蛋白質(zhì)，可與酶作用，釋放RNA，并使酶脫離。（三）某些因子可使酶越過終止子繼續(xù)轉(zhuǎn)錄，稱為通讀。常見于某些噬菌體的時(shí)序控制，早期基因與晚期基因以終止子相隔，早期基因產(chǎn)生抗終止因子，使發(fā)生通讀以表達(dá)晚期基因。六、轉(zhuǎn)錄的調(diào)控（一）遺傳信息的表達(dá)有時(shí)序調(diào)控和適應(yīng)調(diào)控，轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因?yàn)檫@是表達(dá)的第一步。轉(zhuǎn)錄調(diào)控主要發(fā)生在起始和終止階段。（二）操縱子是細(xì)菌基因

6、表達(dá)和調(diào)控的單位，有正調(diào)節(jié)和負(fù)調(diào)節(jié)因子。阻遏蛋白的作用屬于負(fù)調(diào)控。環(huán)腺苷酸通過其受體蛋白（CRP）促進(jìn)轉(zhuǎn)錄，可促進(jìn)許多誘導(dǎo)酶的合成。操縱子可構(gòu)成綜合性調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，如SOS反應(yīng)等。對終止子也有調(diào)控作用，如衰減子。（三）真核生物不組成操縱子，而是通過激素、生長因子等進(jìn)行調(diào)控。某些DNA序列對轉(zhuǎn)錄起增強(qiáng)作用，稱為增強(qiáng)子。第二節(jié) 轉(zhuǎn)錄后加工 一、原核生物（一）核糖體RNA：大腸桿菌共有7個(gè)核糖體RNA的轉(zhuǎn)錄單位，每個(gè)轉(zhuǎn)錄單位由16S、23S、5SRNA和若干轉(zhuǎn)運(yùn)RNA基因組成。16S和23S之間常由轉(zhuǎn)運(yùn)RNA隔開。轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物在RNA酶III的作用下裂解產(chǎn)生核糖體RNA的前體P16和P23，再由相應(yīng)成熟酶加

7、工切除附加序列。前體加工時(shí)還進(jìn)行甲基化，產(chǎn)生修飾成分，特別是a-甲基核苷。N4,2-O二甲基胞苷(m4Cm)是16S核糖體RNA特有成分。5S核糖體RNA一般無修飾成分。（二）轉(zhuǎn)運(yùn)RNA：有60個(gè)基因，其加工包括：1.內(nèi)切酶在兩端切斷，大腸桿菌RNA酶P是5成熟酶2.外切酶從3修剪，除去附加順序。RNA酶D是3成熟酶3.3端加上CCAOH，由轉(zhuǎn)運(yùn)RNA核苷酰轉(zhuǎn)移酶催化，某些轉(zhuǎn)運(yùn)RNA已有，切除附加序列后即露出。4.核苷的修飾：修飾成分包括甲基化堿基和假尿苷，修飾酶具有高度特異性。甲基化對堿基和序列都有嚴(yán)格要求，一般以S-腺苷甲硫氨酸為甲基供體。（三）信使RNA：細(xì)菌多數(shù)不用加工，轉(zhuǎn)錄與翻譯是偶

8、聯(lián)的。也有少數(shù)多順反子信使RNA必須由內(nèi)切酶切成較小的單位，然后翻譯。如核糖體大亞基蛋白與RNA聚合酶的b亞基基因組成混合操縱子，轉(zhuǎn)錄后需經(jīng)RNA酶III切開，各自翻譯。因?yàn)镽NA聚合酶的合成水平低得多，切開有利于各自的翻譯調(diào)控。較長的RNA會產(chǎn)生高級結(jié)構(gòu)，不利于翻譯，切開可改變其結(jié)構(gòu)，從而影響其功能。二、真核生物（一）核糖體RNA：基因拷貝數(shù)多，在幾十到幾千之間?；虺纱嘏帕性谝黄?，由RNA聚合酶I轉(zhuǎn)錄生成一個(gè)較長的前體，哺乳動(dòng)物為45S。核仁是其轉(zhuǎn)錄、加工和裝配成核糖體的場所。RNA酶III等核酸內(nèi)切酶在加工中起重要作用。5SRNA基因也是成簇排列的，由RNA聚合酶III轉(zhuǎn)錄，經(jīng)加工參與構(gòu)

9、成大亞基。核糖體RNA可被甲基化，主要在核苷2羥基，比原核生物甲基化程度高。多數(shù)核糖體RNA沒有內(nèi)含子，有些有內(nèi)含子但不轉(zhuǎn)錄。（二）轉(zhuǎn)運(yùn)RNA：由RNA聚合酶III轉(zhuǎn)錄，加工與原核相似，但3端的CCA都是后加的，還有2-O-甲基核糖。（三）信使RNA：真核生物編碼蛋白質(zhì)的基因以單個(gè)基因?yàn)檗D(zhuǎn)錄單位，但有內(nèi)含子，需切除。信使RNA的原初轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物是分子量很大的前體，在核內(nèi)加工時(shí)形成大小不等的中間物，稱為核內(nèi)不均一RNA(hnRNA)。其加工過程包括：1.5端加帽子：在轉(zhuǎn)錄的早期或轉(zhuǎn)錄終止前已經(jīng)形成。首先從5端脫去一個(gè)磷酸，再與GTP生成5，5三磷酸相連的鍵，最后以S-腺苷甲硫氨酸進(jìn)行甲基化，形成帽子

10、結(jié)構(gòu)。帽子結(jié)構(gòu)有多種，起識別和穩(wěn)定作用。2. 3端加尾：在核內(nèi)完成。先由RNA酶III在3端切斷，再由多聚腺苷酸聚合酶加尾。尾與通過核膜有關(guān)，還可防止核酸外切酶降解。3. 內(nèi)部甲基化：主要是6-甲基腺嘌呤，在hnRNA中已經(jīng)存在?？赡軐η绑w的加工起識別作用。三、RNA的拼接（一）轉(zhuǎn)運(yùn)RNA的拼接：由酶催化，酶識別共同的二級結(jié)構(gòu)，而不是序列。通常內(nèi)含子插入到靠近反密碼子處，與反密碼子配對，取代反密碼子環(huán)。第一步由內(nèi)切酶切除插入序列，不需ATP；第二步由RNA連接酶連接，需要ATP。（二）四膜蟲核糖體RNA的拼接：某些四膜蟲26S核糖體RNA基因中有一個(gè)內(nèi)含子，其拼接只需一價(jià)和二價(jià)陽離子及鳥苷酸或

11、鳥苷存在即可自發(fā)進(jìn)行。其實(shí)質(zhì)是磷酸酯的轉(zhuǎn)移反應(yīng)，鳥苷酸起輔助因子的作用，提供游離3羥基。（三）信使RNA：真核生物編碼蛋白質(zhì)的核基因的內(nèi)含子屬于第二類內(nèi)含子，左端為GT，右端為AG。先在左端切開，產(chǎn)生的5末端與3端上游形成5,2-磷酸二酯鍵，構(gòu)成套索結(jié)構(gòu)。然后內(nèi)含子右端切開，兩個(gè)外顯子連接起來。通過不同的拼接方式，可形成不同的信使RNA。第三節(jié) RNA的復(fù)制 一、噬菌體QbRNA的復(fù)制其RNA是單鏈，正鏈，侵入大腸桿菌后立即翻譯，產(chǎn)生復(fù)制酶的b亞基，與宿主的三個(gè)亞基(為核糖體蛋白，、均為肽鏈延長因子)構(gòu)成復(fù)制酶，進(jìn)行復(fù)制。先以正鏈為模板合成負(fù)鏈，再根據(jù)負(fù)鏈合成正鏈。合成負(fù)鏈時(shí)需要宿主的兩個(gè)蛋白

12、因子，合成正鏈則不需要，所以可大量合成。病毒的蛋白質(zhì)合成受RNA高級結(jié)構(gòu)的調(diào)控。二、病毒RNA復(fù)制的主要方式（一）病毒含正鏈RNA，先合成復(fù)制酶，復(fù)制后合成其他蛋白質(zhì)進(jìn)行裝配。如噬菌體Qb及灰質(zhì)炎病毒。（二）病毒含負(fù)鏈和復(fù)制酶，先合成正鏈，再合成病毒蛋白和復(fù)制病毒RNA。如狂犬病毒。（三）病毒含雙鏈RNA和復(fù)制酶，如呼腸孤病毒。先復(fù)制正鏈，再翻譯成病毒蛋白，最后合成負(fù)鏈，形成雙鏈RNA分子。（四）致癌RNA病毒：如白血病病毒和肉瘤病毒，先逆轉(zhuǎn)錄生成DNA前病毒，再轉(zhuǎn)錄、翻譯。第四節(jié) RNA生物合成的抑制劑 一、堿基類似物有些人工合成的堿基類似物能干擾和抑制核酸的合成。作用方式有以下兩類：（一）

13、作為代謝拮抗物，直接抑制核苷酸生物合成有關(guān)酶類。如6-巰基嘌呤進(jìn)入體內(nèi)后可轉(zhuǎn)變?yōu)閹€基嘌呤核苷酸，抑制嘌呤核苷酸的合成?？勺鳛榭拱┧幬?，治療急性白血病等。此類物質(zhì)一般需轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的核苷酸才能表現(xiàn)出抑制作用。（二）進(jìn)入核酸分子，形成異常RNA或DNA，影響核酸的功能并導(dǎo)致突變。5-氟尿嘧啶類似尿嘧啶，可進(jìn)入RNA，與腺嘌呤配對或異構(gòu)成烯醇式與鳥嘌呤配對，使A-T對轉(zhuǎn)變?yōu)镚-C對。因?yàn)檎＜?xì)胞可將其分解，而癌細(xì)胞不能，所以可選擇性抑制癌細(xì)胞生長。二、DNA模板功能抑制物（一）烷化劑：帶有活性烷基，能使DNA烷基化。鳥嘌呤烷化后易脫落，雙功能烷化劑可造成雙鏈交聯(lián)，磷酸基烷化可導(dǎo)致DNA鏈斷裂。通常有較大毒性，引起突變或致