《分子生物學》課件第六講 RNA的轉錄與轉錄后加工

第六講RNA的轉錄與轉錄后加工RNA轉錄概述以DNA為模板合成RNA的過程稱為轉錄。轉錄以DNA的一條鏈作為模板合成RNA分子，合成以堿基配對的方式進行，產生的RNA鏈與DNA模板鏈互補。

轉錄也是一種酶促的核苷酸聚合過程，所需的酶叫做DNA指導的RNA聚合酶。RNA轉錄的特點以DNA雙鏈的反義鏈為模板以4種三磷酸核苷(NTPs)為底物遵循堿基互補配對原則

RNA鏈從5’→3’連續(xù)合成轉錄過程需要Mn2+或Mg2+

轉錄過程不需要引物

RNA聚合酶缺乏3’→5’外切酶活性RNA轉錄的基本過程模板識別

RNA聚合酶與啟動子DNA雙鏈相互作用并與之相結合的過程。轉錄起始

RNA聚合酶的結合導致啟動子附近的DNA雙鏈解旋并解鏈，形成轉錄泡，促使RNA鏈第一個核苷酸鍵產生。轉錄延伸

RNA聚合酶沿模板DNA鏈移動并使新生RNA不斷伸長。轉錄終止

RNA鏈延伸到轉錄終止位點時，轉錄進入終止過程。RNA聚合酶大腸桿菌RNA聚合酶亞基基因相對分子量亞基數(shù)組分功能αrpoA3.65×1042核心酶核心酶組裝，啟動子識別βrpoB1.51×1051核心酶β和β’共同形成RNA合成的活性中心β’rpoC1.55×1051核心酶ω?11×1041核心酶未知σrpoD7.0×1041σ因子存在多種σ因子，用于識別不同的啟動子

σ因子的作用是負責模板鏈的選擇和轉錄的起始,它是酶的別構效應物，使酶專一性識別模板上的啟動子。在某些細菌細胞內含有能識別不同啟動子的σ因子，以適應不同生長發(fā)育階段的要求，調控不同基因轉錄的起始。大腸桿菌RNA聚合酶RNA聚合酶的結構 在電鏡下觀察RNA聚合酶，其外形猶如右手，拇指與食指間的凹槽正好結合DNA。RNA聚合酶很大，它與DNA結合，其覆蓋DNA的范圍大約是40bp。

RNA聚合酶

真核生物的RNA聚合酶酶的種類分布轉錄產物對α-鵝膏蕈堿的敏感性相對活性RNA聚合酶Ⅰ核仁45SrRNA不敏感50-70%RNA聚合酶Ⅱ核質hnRNA敏感20-40%RNA聚合酶Ⅲ核質tRNA,5SrRNA,snRNA存在物種特異性約10%線粒體RNA聚合酶線粒體線粒體RNA不敏感葉綠體RNA聚合酶葉綠體葉綠體RNA不敏感啟動子與轉錄起始

RNA的轉錄單元

啟動子是指為RNA聚合酶提供識別、結合位點并起始轉錄的DNA序列。為轉錄提供終止信號的DNA序列稱為終止子。轉錄單元是一段從啟動子開始至終止子結束的DNA序列。轉錄起始位點是指與新生RNA鏈第一個核苷酸相對應的DNA鏈上的堿基，通常為一個嘌呤。啟動子的結構

大腸桿菌啟動子的結構

真核生物啟動子的結構原核生物啟動子的共同點結構典型序列保守位置和距離都比較恒定直接和多聚酶相結合常與操縱子相鄰都在其控制基因的5’端決定轉錄的啟動和方向啟動子與轉錄起始

啟動子的識別一般認為，RNA聚合酶并不直接識別堿基對本身，而是通過氫鍵互補的方式加以識別。這也表明，啟動子功能既受DNA序列的影響，又受其構象的影響。啟動子與轉錄起始

啟動子的效率啟動子有強弱之分，研究表明，強弱啟動子的差別在于-35區(qū)，以及-10區(qū)與-35區(qū)之間的距離，其距離大約是16-19bp。真核生物啟動子真核生物有三種RNA聚合酶，需要三類不同的啟動子，它們都由轉錄因子而不是RNA聚合酶所識別。

Ⅰ型啟動子

Ⅱ型啟動子

Ⅲ型啟動子

RNA聚合酶Ⅰ的啟動子，它控制rRNA前體基因轉錄，其產物經剪接加工后生成各種成熟rRNA。

RNA聚合酶Ⅱ所識別，序列多樣。涉及眾多編碼蛋白質基因表達的控制。

RNA聚合酶Ⅲ所識別分為兩類：基因內啟動子和轉錄起點上游啟動子（也稱基因外啟動子）。真核生物啟動子分析表明，絕大多數(shù)功能蛋白質啟動子都具有共同的結構模式。除TATA區(qū)以外，還含有上游激活序列、應答元件等多種調控序列。基因轉錄實際上是RNA聚合酶、轉錄調控因子和啟動子區(qū)各種調控元件相互作用的結果。

啟動子的組成

TATA區(qū)上游激活序列應答元件

轉錄DNA序列5’端上游一段富含TA的序列，類似于原核生物-10區(qū)。

位于TATA區(qū)上游的保守序列，其存在與否，對該啟動子的生物有明顯影響。

對某些特殊的物質或外界刺激能迅速作出反應的調控元件。真核生物啟動子轉錄因子是轉錄起始過程中RNA聚合酶所需的輔助因子（主要是蛋白質），其作用或識別DNA的順式作用位點，或識別RNA聚合酶，或是識別其他因子。

啟動子對轉錄的影響——轉錄因子轉錄的抑制某些核酸代謝的拮抗物和抗生素可抑制核苷酸或核酸的合成，因而可以用于抗病毒或抗腫瘤藥物，也可以用于核酸的研究。

RNA轉錄的抑制劑根據(jù)其作用的性質主要可以分為兩大類：第一類是DNA模板功能抑制劑，第二類是RNA聚合酶的抑制物。抑制劑靶酶抑制作用利福霉素細菌全酶和β亞基結合，抑制起始利迪鏈霉素細菌核心酶和β’亞基結合，抑制起始放線菌素D真核RNA聚合酶Ⅰ與DNA結合，阻止延伸α-鵝膏蕈堿真核RNA聚合酶Ⅱ與RNA聚合酶Ⅱ結合信使RNA（mRNA)原核生物mRNA的轉錄和翻譯發(fā)生在同一個細胞空間里，兩者間存在偶聯(lián)。一個原核細胞的mRNA有時可以編碼幾個多肽。

原核生物mRNA的特征

mRNA的半衰期短絕大多數(shù)細菌mRNA半衰期很短，其降解緊隨著蛋白質翻譯過程發(fā)生。許多mRNA可能以多順反子形式存在只編碼一個蛋白質多肽的mRNA稱為單順反子，而能編碼多個蛋白質多肽的mRNA稱為多順反子。

5’端無帽子結構，3’端沒有或只有較短的polyA原核生物起始密碼子AUG上游7-12個核苷酸處有保守序列能與16SrRNA3’端反向互補，在起始翻譯過程時起重要作用，稱為SD序列。真核生物mRNA的特征

mRNA的加帽是指mRNA轉錄后在其5’末端加上甲方基化鳥嘌呤，其反應由腺苷酸轉移酶催化完成。

5’端的帽子結構帽子結構的種類

mRNA可能具有三種類型的帽子。帽子結構的功能有利于mRNA跨膜穩(wěn)定mRNA

有利于翻譯起始真核生物mRNA的特征除組蛋白基因外，真核生物mRNA的3’端都有polyA序列，其長度一般為40-200個左右。

3’端的多聚腺苷酸尾巴加尾信號

polyA上游11-30nt處的

AAUAAA為高度保守序列。

polyA的功能有利于mRNA跨膜穩(wěn)定mRNA

有利于翻譯調控轉錄的終止一般情況下，RNA聚合酶起始基因轉錄后，它就會沿模板5’→3’方向連續(xù)合成RNA，直到碰到終止信號才與模板相脫離并釋放新生RNA鏈。

RNA合成終止發(fā)生在轉錄DNA特殊堿基順序中,能提供轉錄終止信號的DNA序列稱為終止子，協(xié)助RNA聚合酶識別終止信號的蛋白因子則稱為終止因子。原核生物的轉錄終止模板上存在特殊的轉錄終止信號——內在終止子，其結構特點是：終止位點上游一般具GC豐富對稱區(qū)；轉錄產物3’端為寡聚U。

ρ因子六聚體具有NTP酶和解螺旋酶活性，通過水解NTP促使新生RNA鏈的釋放。真核生物的轉錄終止對于真核生物轉錄的終止信號和終止機制了解得很少，其主要困難在于很難確定原初轉錄物的3'末端，因為大多數(shù)基因在轉錄后很快進行加工，無論是mRNA、tRNA還是rRNA都是如此。對于RNA聚合酶Ⅲ，體外轉錄與體內轉錄產物相同，這就表明體內轉錄確實是在RNA末端處終止的。

轉錄的抗終止有些終止子的作用可被特異的因子阻止，使聚合酶能越過終止子繼續(xù)轉錄，稱為抗終止作用。這類引起抗終止作用的蛋白稱為抗終止因子?？菇K止作用主要有兩種方式：

破壞終止位點RNA的莖環(huán)結構在一些控制氨基酸合成的操縱子結構基因前面的前導序列中具有終止信號，由于轉錄和翻譯的偶聯(lián)，核糖滯留在一定區(qū)域，使mRNA不能形成特定的二級結構。依賴于蛋白質因子的轉錄抗終止由于某些蛋白質的參與，使RNA聚合酶構象，從而對終止信號不敏感，轉錄繼續(xù)進行。RNA轉錄與DNA復制的異同項目DNA復制RNA轉錄場所主要在細胞核中主要在細胞核中模板DNA的每一條鏈DNA的一條鏈原料dNTPsNTPs酶DNA解旋酶，DNA連接酶DNA指導的DNA聚合酶DNA指導的RNA聚合酶DNA解旋酶DNA指導的RNA聚合酶校正功能酶具有校正功能酶不具校正功能合成方向5’→3’，半不連續(xù)合成5’→3’連續(xù)合成產物子代DNA分子RNA分子堿基互補配對原則G→C，C→G,A→T，T→AG→C，C→G,A→U，T→A引物需要合成RNA引物不需要轉錄的調節(jié)控制操縱子是原核生物轉錄調控的主要形式，相關的基因排列成簇，由一個調節(jié)蛋白所控制，一開俱開，一閉俱閉，從而對環(huán)環(huán)境條件的改變作出相應的反應。環(huán)腺苷酸（cAMP）在原核生物的基因表達調控過程中有重要作用。

原核生物轉錄的調控轉錄的調節(jié)控制真核生物轉錄的調控真核細胞基因組DNA的含量非常大，因此，相似的DNA序列出現(xiàn)的次數(shù)增加，特異調控的難度加大。解決這個難題的途徑有二個：由組蛋白封閉有關的DNA序列多個調控因子同時與鄰近的特異DNA部位結合RNA的剪接真核生物的大部分基因都是不連續(xù)的斷裂基因，這些被稱為外顯子的不連續(xù)編碼區(qū)之間的序列稱為內含子，它們需要在轉錄后通過RNA的剪接才能被去除。

RNA的剪接主要有3種方式：①核mRNA的剪接；②Ⅰ型自我剪接；③Ⅱ型自我剪接。RNA的剪接比較不同基因的核苷酸序列發(fā)現(xiàn)，mRNA前體中內含子的邊接點處發(fā)現(xiàn)了高度保守序列，這些序列結構可能是產生mRNA前體剪接的信號。

mRNA的剪接大多數(shù)真核生物細胞核內存在著許多種類的核內小RNA(snRNA)，通常又稱U-RNA。它們與蛋白質結合形成核內小核糖核蛋白顆粒參與hnRNA的剪接。

mRNA的剪接

mRNA的剪接體的剪接過程mRNA的剪接

mRNA的變位剪接形式mRNA的剪接

mRNA的變位剪接實例mRNA的剪接

反式剪接RNA的剪接Ⅰ型自我剪接RNA的剪接Ⅱ型自我剪接RNA的編輯

RNA的編輯是某些RNA，特別是mRNA前體的一種加工方式，如插入、刪除或取代一些核苷酸殘基，導致DNA所編碼的遺傳信息的改主，因此經過編輯的mRNA序列發(fā)生了不同于模板DNA的變化。

介導RNA編輯的機制有兩種：位點特異性脫氨基作用引導RNA指導的尿嘧啶插入或刪除

指導RNA上存在一些未能配對的腺嘌呤，形成缺口，為尿嘧啶的插入提供了模板。

mRNA中的C→U或A→I，都屬于脫氨基作用，分別由胞嘧啶和腺嘌呤脫氨酶所催化，RNA編輯主要通過脫氨酶復合體中附加的RNA結合區(qū)輔助識別靶位點。位點特異性脫氨基作用尿苷酸的缺失和添加RNA的再編碼某些有機體在進行蛋白質翻譯時，mRNA的讀碼信號在tRNA、rRNA和其它蛋白因子的作