第14章RNA的生物合成課件

1、第一節(jié) RNA生物合成概況轉(zhuǎn)錄 (transcription) 是生物體以DNA為模板合成RNA的過(guò)程 。 轉(zhuǎn)錄RNADNA 復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的區(qū)別A-U，T-A，G-CA-T，G-C配對(duì)mRNA，tRNA，rRNA子代雙鏈DNA（半保留復(fù)制）產(chǎn)物RNA聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶酶NTPdNTP原料模板鏈轉(zhuǎn)錄（不對(duì)稱轉(zhuǎn)錄）兩股鏈均復(fù)制模板轉(zhuǎn)錄復(fù)制A-U，T-A，G-CA-T，G-C配對(duì)mRNA，tRNA，rRNA子代雙鏈DNA（半保留復(fù)制）產(chǎn)物RNA聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶酶NTPdNTP原料模板鏈轉(zhuǎn)錄（不對(duì)稱轉(zhuǎn)錄）兩股鏈均復(fù)制模板轉(zhuǎn)錄復(fù)制引物 RNA 不需要 參與轉(zhuǎn)錄的物質(zhì)原

2、料: NTP (ATP, UTP, GTP, CTP) 模板: DNA酶 : RNA聚合酶(RNA-pol)其他蛋白質(zhì)因子5GCAGTACATGTC 33 c g t g a t g t a c a g 55GCAGUACAUGUC 3NAla Val His Val C編碼鏈模板鏈mRNA蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄翻譯DNA雙鏈中按堿基配對(duì)規(guī)律能指引轉(zhuǎn)錄生成RNA的一股單鏈，稱為模板鏈，也稱作有意義鏈或負(fù)鏈。相對(duì)的另一股單鏈?zhǔn)蔷幋a鏈，也稱為反義鏈或正鏈。 第二節(jié)原核生物的轉(zhuǎn)錄一、RNA聚合酶（1）RNA聚合酶能直接啟動(dòng)RNA鏈的合成DNA依賴的RNA聚合酶催化合成RNA；RNA合成的化學(xué)機(jī)制與DNA依賴的D

3、NA聚合酶催化DNA合成相似。 ( NMP )n + NTP ( NMP ) n+1 + PPiRNA延長(zhǎng)的RNADNA聚合酶在啟動(dòng)DNA鏈延長(zhǎng)時(shí)需要引物存在，而RNA聚合酶不需要引物就能直接啟動(dòng)RNA鏈的延長(zhǎng)。RNA聚合酶和DNA的特殊序列啟動(dòng)子(promoter)結(jié)合后，就能啟動(dòng)RNA合成。 （2）RNA聚合酶由多個(gè)亞基組成核心酶 (core enzyme)全酶 (holoenzyme)轉(zhuǎn)錄起始階段轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)階段 3、RNA聚合酶結(jié)合到DNA的啟動(dòng)子上啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄是不連續(xù)、分區(qū)段進(jìn)行的。每一轉(zhuǎn)錄區(qū)段可視為一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位，稱為操縱子(operon)。操縱子包括若干個(gè)結(jié)構(gòu)基因及其上游的調(diào)控序列。5

4、335結(jié)構(gòu)基因調(diào)控序列RNA-pol調(diào)控序列中的啟動(dòng)子是RNA聚合酶結(jié)合模板DNA的部位，也是控制轉(zhuǎn)錄的關(guān)鍵部位。原核生物以RNA聚合酶全酶結(jié)合到DNA的啟動(dòng)子上而起動(dòng)轉(zhuǎn)錄，其中由亞基辨認(rèn)啟動(dòng)子，其他亞基相互配合。 RNA聚合酶全酶在轉(zhuǎn)錄起始區(qū)的結(jié)合:RNA聚合酶必須準(zhǔn)確地結(jié)合在轉(zhuǎn)錄模板的起始區(qū)域。DNA雙鏈解開(kāi)，使其中的一條鏈作為轉(zhuǎn)錄的模板。1、轉(zhuǎn)錄起始需要RNA聚合酶全酶轉(zhuǎn)錄起始需解決兩個(gè)問(wèn)題：二、原核生物的轉(zhuǎn)錄過(guò)程E.coli的轉(zhuǎn)錄起始和延長(zhǎng) 2. DNA雙鏈局部解開(kāi)，形成開(kāi)放轉(zhuǎn)錄復(fù)合體；1. RNA聚合酶全酶(2)與模板結(jié)合，形成閉合轉(zhuǎn)錄復(fù)合體；3. 在RNA聚合酶作用下發(fā)生第一次聚合

5、反應(yīng)，形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物：RNApol (2) - DNA - pppGpN- OH 3轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物:5-pppG -OH + NTP 5-pppGpN - OH 3 + ppi轉(zhuǎn)錄起始過(guò)程：第一個(gè)磷酸二酯鍵生成后，亞基即從轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物上脫落，核心酶連同四磷酸二核苷酸，繼續(xù)結(jié)合于DNA模板上，酶沿DNA鏈前移，進(jìn)入延長(zhǎng)階段。 2、 原核生物的轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)時(shí)蛋白質(zhì)的翻譯也同時(shí)進(jìn)行1. 亞基脫落，RNApol聚合酶核心酶變構(gòu)，與模板結(jié)合松弛，沿著DNA模板前移； 2. 在核心酶作用下，NTP不斷聚合，RNA鏈不斷延長(zhǎng)。(NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPi轉(zhuǎn)錄空泡(transc

6、ription bubble)：RNA-pol （核心酶） DNA RNA轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)：53DNA原核生物轉(zhuǎn)錄過(guò)程中的羽毛狀現(xiàn)象核糖體RNARNA聚合酶在同一DNA模板上，有多個(gè)轉(zhuǎn)錄同時(shí)在進(jìn)行；轉(zhuǎn)錄尚未完成，翻譯已在進(jìn)行。 這種形狀說(shuō)明：依賴Rho 因子的轉(zhuǎn)錄終止非依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止3、原核生物轉(zhuǎn)錄終止分為依賴(Rho)因子與非依賴因子兩大類轉(zhuǎn)錄終止指RNA聚合酶在DNA模板上停頓下來(lái)不再前進(jìn)，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA鏈從轉(zhuǎn)錄復(fù)合物上脫落下來(lái)。 依據(jù)是否需要蛋白質(zhì)因子的參與，原核生物轉(zhuǎn)錄終止分為： 因子是由相同亞基組成的六聚體蛋白質(zhì)，亞基分子量46kD。因子能結(jié)合RNA，又以對(duì)poly C的結(jié)合力最強(qiáng)

7、。因子還有ATP酶活性和解螺旋酶(helicase)的活性。（1）依賴因子的轉(zhuǎn)錄終止因子： 因子的作用原理：目前認(rèn)為，因子終止轉(zhuǎn)錄的作用是：與RNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物結(jié)合，結(jié)合后因子和RNA聚合酶都可發(fā)生構(gòu)象變化，從而使RNA聚合酶停頓，解螺旋酶的活性使DNA/RNA雜化雙鏈拆離，利于產(chǎn)物從轉(zhuǎn)錄復(fù)合物中釋放 。（2） 非依賴 Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止DNA模板上靠近終止處，有些特殊的堿基序列，轉(zhuǎn)錄出RNA后，RNA產(chǎn)物形成特殊的結(jié)構(gòu)來(lái)終止轉(zhuǎn)錄。5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3 5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGC

8、UGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3 RNA 5TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT. 3 DNA UUUU. UUUU.5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3近終止區(qū)的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物形成發(fā)夾(hairpin)結(jié)構(gòu)是非依賴因子終止的普遍現(xiàn)象。 莖環(huán)結(jié)構(gòu)使轉(zhuǎn)錄終止的機(jī)理： 使RNA聚合酶變構(gòu)，轉(zhuǎn)錄停頓； 使轉(zhuǎn)錄復(fù)合物趨于解離，RNA產(chǎn)物釋放。5pppG5 335RNA-pol真核生物的轉(zhuǎn)錄過(guò)程第二節(jié)真核生物

9、的轉(zhuǎn)錄過(guò)程比原核復(fù)雜。二者的轉(zhuǎn)錄起始過(guò)程有較大區(qū)別，轉(zhuǎn)錄終止也不相同。 一、 真核生物有三種DNA依賴性RNA聚合酶真核生物具有3種不同的RNA聚合酶:RNA聚合酶（RNA Pol）RNA聚合酶（RNA Pol）RNA聚合酶（RNA Pol ）真核生物的RNA聚合酶種類對(duì)鵝膏蕈堿的反應(yīng)5.8S-rRNAsnRNA5S-rRNAtRNA5SRNA不敏感高度敏感中度敏感轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物18SrRNAmRNA 定位 核仁 核質(zhì) 核質(zhì)二、轉(zhuǎn)錄起始需要啟動(dòng)子 、RNA聚合酶和轉(zhuǎn)錄因子的參與（一）轉(zhuǎn)錄起始前的上游區(qū)段具有啟動(dòng)子核心序列 不同物種、不同細(xì)胞或不同的基因，轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游可以有不同的DNA序列，但這些序

10、列都可統(tǒng)稱為順式作用元件(cis-acting element)。 一個(gè)典型的真核生物基因上游序列:53調(diào)控序列TATA盒InrYYAN YYTA-30+1TATAAA順式作用元件包括啟動(dòng)子、啟動(dòng)子上游元件等近端調(diào)控元件和增強(qiáng)子等遠(yuǎn)隔序列。起始點(diǎn)上游多數(shù)有共同的TATA序列，稱為Hognest盒或TATA盒(TATA box)。通常認(rèn)為這就是啟動(dòng)子的核心序列。 許多RNA聚合酶II識(shí)別的啟動(dòng)子具有保守的共有序列：位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)附近的起始子(intiator，Inr) 。啟動(dòng)子上游元件是位于TATA盒上游的DNA序列，多在轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)約-40-100nt的位置，比較常見(jiàn)的是GC盒和CAAT盒。增強(qiáng)

11、子是能夠結(jié)合特異基因調(diào)節(jié)蛋白， 促進(jìn)鄰近或遠(yuǎn)隔特定基因表達(dá)的DNA序列。轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)TATA盒CAAT盒GC盒增強(qiáng)子順式作用元件(cis-acting element)AATAAA切離加尾轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn)修飾點(diǎn)外顯子翻譯起始點(diǎn)內(nèi)含子 OCT-1 OCT-1：ATTTGCAT八聚體（二） 轉(zhuǎn)錄因子能直接、間接辨認(rèn)和結(jié)合轉(zhuǎn)錄上游區(qū)段DNA的蛋白質(zhì)，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)數(shù)百種，統(tǒng)稱為反式作用因子(trans-acting factors)。 反式作用因子中，直接或間接結(jié)合RNA聚合酶的，則稱為轉(zhuǎn)錄因子(transcriptional factors, TF)。參與RNA-pol轉(zhuǎn)錄的TFRNA聚合酶II與啟動(dòng)子的結(jié)合、

12、啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄需要多種蛋白質(zhì)因子的協(xié)同作用。通常包括：可誘導(dǎo)因子或上游因子與增強(qiáng)子或啟動(dòng)子上游元件的結(jié)合；通用轉(zhuǎn)錄因子在啟動(dòng)子處的組裝；輔激活因子和/或中介子在通用轉(zhuǎn)錄因子/RNA聚合酶II復(fù)合物與可誘導(dǎo)因子、上游因子之間的輔助和中介作用。因子和因子之間互相辨認(rèn)、結(jié)合，以準(zhǔn)確地控制基因是否轉(zhuǎn)錄、何時(shí)轉(zhuǎn)錄。型基因中的四類轉(zhuǎn)錄因子 轉(zhuǎn)錄因子 具體組分 結(jié)合序列 功能 基本組分 TBP,TFA,B,E,G,F和H TBP結(jié)合TATA盒 轉(zhuǎn)錄起始定位； 轉(zhuǎn)錄起始和延長(zhǎng) 輔激活因子 TAFs和中介子 在可誘導(dǎo)因子和上游因子與基本轉(zhuǎn)錄因子、RNA聚合酶結(jié)合中起聯(lián)結(jié)和中介作用 上游因子 SP1、ATF、CTF等

13、啟動(dòng)子上游元件 協(xié)助基本轉(zhuǎn)錄因子，提高轉(zhuǎn)錄效率和專一性 可誘導(dǎo)因子 如MyoD、HIF-1等 增強(qiáng)子等遠(yuǎn)隔調(diào)控序列 時(shí)間和空間（組織）特異性地調(diào)控轉(zhuǎn)錄 （三） 轉(zhuǎn)錄起始前復(fù)合物真核生物RNA-pol不與DNA分子直接結(jié)合，而需依靠眾多的轉(zhuǎn)錄因子，形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物(pre-initiation complex, PIC) 。 PIC的形成三 、真核生物轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)過(guò)程中沒(méi)有轉(zhuǎn)錄與翻譯同步的現(xiàn)象真核生物轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)過(guò)程與原核生物大致相似，但因有核膜相隔，沒(méi)有轉(zhuǎn)錄與翻譯同步的現(xiàn)象。 RNA-pol前移處處都遇上核小體。轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)過(guò)程中可以觀察到核小體移位和解聚現(xiàn)象。 RNA-PolRNA-PolRNA-Po

14、l核小體轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)中的核小體移位轉(zhuǎn)錄方向四、真核生物的轉(zhuǎn)錄終止和加尾修飾同時(shí)進(jìn)行真核生物的轉(zhuǎn)錄終止，是和轉(zhuǎn)錄后修飾密切相關(guān)的。真核生物mRNA有聚腺苷酸(poly A)尾巴結(jié)構(gòu)，是轉(zhuǎn)錄后才加進(jìn)去的。轉(zhuǎn)錄不是在poly A的位置上終止，而是超出數(shù)百個(gè)乃至上千個(gè)核苷酸后才停頓。已發(fā)現(xiàn)，在讀碼框架的下游，常有一組共同序列AATAAA，再下游還有相當(dāng)多的GT序列。這些序列稱為轉(zhuǎn)錄終止的修飾點(diǎn)。真核生物RNA的加工第三節(jié)真核生物轉(zhuǎn)錄生成的RNA分子是初級(jí)RNA轉(zhuǎn)錄物(primary RNA transcript)，幾乎所有的初級(jí)RNA轉(zhuǎn)錄物都要經(jīng)過(guò)加工，才能成為具有功能的成熟的RNA。加工主要在細(xì)胞核中進(jìn)

15、行。幾種主要的修飾方式：1. 剪接(splicing)2. 剪切(cleavage)3. 修飾(modification)4. 添加(addition)一、真核生物mRNA的加工包括首、尾修飾和剪接（一）前體mRNA在5-末端加入“帽”結(jié)構(gòu)大多數(shù)真核mRNA的5-末端有7-甲基鳥(niǎo)嘌呤的帽結(jié)構(gòu)。這個(gè)真核mRNA加工過(guò)程的起始步驟由兩種酶，加帽酶(capping enzyme)和甲基轉(zhuǎn)移酶(methyltransferase)催化完成。 帽子結(jié)構(gòu)：5 pppGp5 GpppGppppG ppi鳥(niǎo)苷酸轉(zhuǎn)移酶5 m7GpppGp甲基轉(zhuǎn)移酶SAM帽子結(jié)構(gòu)的生成過(guò)程：5 ppGp磷酸酶 Pi帽子結(jié)構(gòu)的意義

16、：可以使mRNA免遭核酸酶的攻擊；也能與帽結(jié)合蛋白質(zhì)復(fù)合體結(jié)合，并參與mRNA和核糖體的結(jié)合，啟動(dòng)蛋白質(zhì)的生物合成。 （二）前體mRNA在3端特異位點(diǎn)斷裂并加上多聚腺苷酸尾 尾部修飾是和轉(zhuǎn)錄終止同時(shí)進(jìn)行的過(guò)程。poly A的有無(wú)與長(zhǎng)短，是維持mRNA作為翻譯模板的活性，以及增加mRNA本身穩(wěn)定性的因素。一般真核生物在胞漿內(nèi)出現(xiàn)的mRNA，其poly A長(zhǎng)度為100至200個(gè)核苷酸之間，也有少數(shù)例外。前體mRNA分子的斷裂和加多聚腺苷酸尾是多步驟過(guò)程。 AAUAAAG/U53Poly(A)信號(hào)Poly(A)位點(diǎn)mRNACPSFG/U53CPSFCFI,CFII,CStFCPSFCStFCFICFIIPAPCPSFCStFCFICFIIPAPATPG/UPPPiCFIICFICStF慢速多腺苷酸化PABCPSFAAAAAAAAAAOHPAPATPPPiPAB快速多腺苷酸化CPSFAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAHOAAAAAAAAAAPAPCPSFAAAAAAAAAAOHPAP真核生物結(jié)構(gòu)基因，由若干個(gè)編碼區(qū)和非編碼區(qū)互相間隔開(kāi)但又連續(xù)鑲嵌而成，去除非編碼區(qū)再連接后，可翻譯出由