生物化學(xué) 第十六 RNA的生物合成

RNA的生物合成（轉(zhuǎn)錄）RNABiosynthesis,Transcription本章內(nèi)容第一節(jié)轉(zhuǎn)錄的酶和模板第二節(jié)轉(zhuǎn)錄過程第三節(jié)真核生物的轉(zhuǎn)錄后修飾轉(zhuǎn)錄(transcription)生物體以DNA為模板合成RNA的過程。轉(zhuǎn)錄RNADNA

復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的區(qū)別參與轉(zhuǎn)錄的物質(zhì)原料:

NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)模板:單鏈DNA酶:

RNA聚合酶(RNApolymerase,RNA-pol)其他蛋白質(zhì)因子模板和酶TemplatesandEnzymes第一節(jié)一、轉(zhuǎn)錄模板

(一)不對稱轉(zhuǎn)錄(asymmetrictranscription)

1.結(jié)構(gòu)基因(structuralgene):DNA分子上轉(zhuǎn)錄出RNA的區(qū)段。2.模板鏈(templatestrand):DNA雙鏈中按堿基配對規(guī)律能指引轉(zhuǎn)錄生成RNA的一股單鏈，也稱作有意義鏈或Watson鏈。

編碼鏈(codingstrand):

DNA雙鏈中與模板鏈相對的單鏈，不進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，也稱為反義鏈或Crick鏈。

5′···GCAGTACATGTC···3′3′···cgtgatgtacag···5′5′···GCAGUACAUGUC···3′N······Ala·Val·His·Val······C編碼鏈模板鏈mRNA蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄翻譯5335模板鏈編碼鏈編碼鏈模板鏈結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄方向轉(zhuǎn)錄方向不對稱轉(zhuǎn)錄含義

在DNA分子雙鏈上某一區(qū)段，一股鏈用作模板指引轉(zhuǎn)錄，另一股鏈不轉(zhuǎn)錄模板鏈并非永遠(yuǎn)在同一條單鏈上。二、RNA聚合酶（一）原核生物的RNA聚合酶RNA聚合酶：大腸桿菌的RNA聚合酶全酶由5種亞基α2ββ’σ組成，σ因子與其它部分的結(jié)合不是十分緊密，它易于與β’βα2分離，沒有σ、亞基的酶稱為核心酶——只催化鏈的延長，對起始無作用。五種亞基的功能分別為：

α亞基：與啟動子結(jié)合功能。

β亞基：含催化部位，起催化作用，催化形成磷酸二酯鍵。

亞基：在全酶中存在，功能不清楚。

β’亞基：與DNA模板結(jié)合功能。

σ亞基：識別起始位點。

RNA聚合酶原核生物的RNA聚合酶RNA聚合酶的特點：1、反應(yīng)底物：NTP，DNA為模板、Mg2+促進(jìn)聚合反應(yīng)。RNA聚合酶不需要引物，合成方向53。2、真核生物與原核生物的RNA聚合酶結(jié)構(gòu)不同。3、利福平抑制原核生物RNA聚合酶活性；α-鵝膏蕈堿

抑制真核生物RNA聚合酶活性。核心酶(coreenzyme)全酶(holoenzyme)RNA聚合酶全酶在轉(zhuǎn)錄起始區(qū)的結(jié)合（二）真核生物的RNA聚合酶

真核細(xì)胞的RNA聚合酶酶類分布產(chǎn)物α-鵝膏蕈堿對酶的作用分子量反應(yīng)條件ⅡIⅢ核仁核質(zhì)核質(zhì)rRNA5.8SrRNA18SrRNA28SrRNAmRNAtRNA5SrRNA不抑制低濃度抑制高濃度抑制500000~700000~700000_低離子強(qiáng)度,要求Mg2+或Mn2+高離子強(qiáng)度高M(jìn)n2+濃度三、模板與酶的辨認(rèn)、結(jié)合原核生物一個轉(zhuǎn)錄單位可視為一個轉(zhuǎn)錄單位，稱為操縱子(operon)，包括若干個結(jié)構(gòu)基因及其上游(upstream)的調(diào)控序列。

5335結(jié)構(gòu)基因調(diào)控序列RNA-pol與RNA聚合酶結(jié)合啟動基因轉(zhuǎn)錄的DNA序列，稱為啟動子(promoter)。目錄開始轉(zhuǎn)錄TTGACAAACTGT-35區(qū)(Pribnowbox)TATAATPuATATTAPy-10區(qū)1-30-5010-10-40-205335原核生物啟動子保守序列RNA-pol辨認(rèn)位點(recognitionsite)55RNA聚合酶保護(hù)區(qū)結(jié)構(gòu)基因33TATA盒CAAT盒GC盒

增強(qiáng)子

順式作用元件結(jié)構(gòu)基因-GCGC---CAAT---TATA轉(zhuǎn)錄起始真核生物啟動子保守序列轉(zhuǎn)錄過程TheProcessofTranscription第二節(jié)RNA的轉(zhuǎn)錄過程：（以大腸桿菌為例）

起始位點的識別

轉(zhuǎn)錄起始鏈的延伸轉(zhuǎn)錄終止RNA的轉(zhuǎn)錄過程（一）轉(zhuǎn)錄起始1.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。2.DNA雙鏈解開，使其中的一條鏈作為轉(zhuǎn)錄的模板。一、原核生物的轉(zhuǎn)錄過程轉(zhuǎn)錄起始需解決的問題：2.DNA雙鏈解開1.RNA聚合酶全酶(2)與模板結(jié)合3.在RNA聚合酶作用下發(fā)生第一次聚合反應(yīng)，形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物RNApol(2)-DNA-pppGpN-OH3轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物:5-pppG-OH+

NTP5-pppGpN

-OH3+ppi轉(zhuǎn)錄起始過程（1）起始位點的識別

RNA的合成不需要引物。體外實驗證明，不含σ亞基的核心酶會隨機(jī)地在一個基因的兩條鏈上啟動，當(dāng)有σ亞基時就會選擇正確的起點。σ亞基起著識別DNA分子上的起始信號（啟動子——指RNA聚合酶識別、結(jié)合和開始轉(zhuǎn)錄的一段DNA序列）的作用。啟動子的結(jié)構(gòu)至少由三部分組成：-35序列提供了RNA聚合酶全酶識別的信號；-10序列是酶的緊密結(jié)合位點（富含AT堿基，利于雙鏈打開）；第三部分是RNA合成的起始點。AACTGTATATTATTGACATATAAT+1轉(zhuǎn)錄起始點5’3’3’5’35序列

Sextama框10序列Pribnow框（2）轉(zhuǎn)錄起始

RNA聚合酶全酶掃描解鏈區(qū)，找到起始點，然后結(jié)合第一個核苷三磷酸。加入的第一個核苷三磷酸常是GTP或ATP，很少是CTP，不用UTP。所形成的啟動子、全酶和核苷三磷酸復(fù)合物稱為三元起始復(fù)合物，第一個核苷三磷酸一旦摻入到轉(zhuǎn)錄起始點，σ亞基就會被釋放脫離核心酶。因子僅與起始有關(guān)，RNA的合成一旦開始，便被釋放E-35-10pppG或pppA5‘5‘3‘3‘模板鏈（二）轉(zhuǎn)錄延長1.亞基脫落，RNA–pol聚合酶核心酶變構(gòu)，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。(NMP)n+NTP(NMP)n+1

+PPi目錄53DNA原核生物轉(zhuǎn)錄過程中的羽毛狀現(xiàn)象核糖體RNARNA聚合酶依賴Rho(ρ)因子的轉(zhuǎn)錄終止非依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止（三）轉(zhuǎn)錄終止指RNA聚合酶在DNA模板上停頓下來不再前進(jìn)，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA鏈從轉(zhuǎn)錄復(fù)合物上脫落下來。分類轉(zhuǎn)錄終止

在DNA分子上（基因末端）提供轉(zhuǎn)錄停止信號的DNA序列稱為終止子（terminators),它能使RNA聚合酶停止合成RNA并釋放出RNA。

需要ρ因子（終止因子，協(xié)助RNA聚合酶識別終止信號）幫助，ρ因子能與RNA聚合酶結(jié)合但不是酶的組分，它的作用是阻止RNA聚合酶向前移動，于是轉(zhuǎn)錄終止，并釋放出已轉(zhuǎn)錄完成的RNA鏈。不依賴于ρ因子。強(qiáng)終止子序列有兩個明顯的特征：（1）在終止點之前具有一段富含G-C的回文區(qū)域。（2）富含G-C的區(qū)域之后是一連串的dA堿基序列，它們轉(zhuǎn)錄的RNA鏈的末端為一連串U（連續(xù)6個）。弱終止子：缺少回文結(jié)構(gòu)強(qiáng)終止子：有回文結(jié)構(gòu)ATP1.依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止2.非依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止DNA模板上靠近終止區(qū)，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)來終止轉(zhuǎn)錄。5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`

RNA5TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT...3DNAUUUU...…UUUU...…5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`莖環(huán)(stem-loop)/發(fā)夾(hairpin)結(jié)構(gòu)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。5′pppG5335RNA-pol新合成的RNA分子中典型的回文結(jié)構(gòu)（發(fā)夾結(jié)構(gòu)）有些終止子的作用可被特異的因子所阻止，使酶得以越過終止子繼續(xù)轉(zhuǎn)錄，稱為通讀（readthrough）能夠引起抗終止作用的蛋白質(zhì)稱為抗終止因子（antiterminationfactors）二、真核生物的轉(zhuǎn)錄（一）轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始時，RNA-pol不直接結(jié)合模板。轉(zhuǎn)錄起始點TATA盒CAAT盒GC盒增強(qiáng)子順式作用元件(cis-actingelement)1.轉(zhuǎn)錄起始前的上游區(qū)段AATAAA切離加尾轉(zhuǎn)錄終止點修飾點外顯子翻譯起始點內(nèi)含子OCT-1OCT-1：ATTTGCAT八聚體順式作用元件(cis-actingelement)

：可影響自身基因表達(dá)活性的DNA序列。反式作用因子(trans-actingfactors)：能直接或間接辨認(rèn)、結(jié)合順式作用元件并反式激活另一基因轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì)，統(tǒng)稱為反式作用因子。

2.轉(zhuǎn)錄因子反式作用因子中，直接或間接結(jié)合RNA聚合酶的，則稱為轉(zhuǎn)錄因子(transcriptionalfactors,TF)。

鋅指(zincfinger)C——CysH——His常結(jié)合GC盒ZnCysHis參與RNA-polⅡ轉(zhuǎn)錄的TFⅡ

3.轉(zhuǎn)錄起始前復(fù)合物(pre-initiationcomplex,PIC)

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。POL-ⅡTFⅡFⅡAⅡB由RNA-PolⅡ催化轉(zhuǎn)錄的PICPol-ⅡTFⅡFⅡHⅡETBPTAFTFⅡD-ⅡA-ⅡB-DNA復(fù)合物TATAⅡAⅡBTBPTAFTATAⅡHⅡECTD-PPIC組裝完成，TFⅡH使CTD磷酸化4.拼板理論(piecingtheory)一個真核生物基因的轉(zhuǎn)錄需要3至5個轉(zhuǎn)錄因子。轉(zhuǎn)錄因子之間互相結(jié)合，生成有活性，有專一性的復(fù)合物，再與RNA聚合酶搭配而有針對性地結(jié)合、轉(zhuǎn)錄相應(yīng)的基因。（二）轉(zhuǎn)錄延長真核生物轉(zhuǎn)錄延長過程與原核生物大致相似，但因有核膜相隔，沒有轉(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)錄延長過程中可以觀察到核小體移位和解聚現(xiàn)象。RNA-PolRNA-PolRNA-Pol核小體轉(zhuǎn)錄延長中的核小體移位轉(zhuǎn)錄方向5------AAUAAA-5------AAUAAA--核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAAGTGTGTG轉(zhuǎn)錄終止的修飾點55333加尾AAAAAAA······3mRNA（三）轉(zhuǎn)錄終止——和轉(zhuǎn)錄后修飾密切相關(guān)真核生物的轉(zhuǎn)錄后修飾Post-transcriptionalModification第三節(jié)一、真核生物mRNA的轉(zhuǎn)錄后加工（一）首、尾的修飾

5端形成帽子結(jié)構(gòu)(m7GpppGp—)3端加上多聚腺苷酸尾巴(polyAtail)5pppG…5GpppG…pppGpi鳥苷酸轉(zhuǎn)移酶5

m7GpppG…甲基轉(zhuǎn)移酶SAM帽子結(jié)構(gòu)的生成5pG…磷酸酶PPi帽子結(jié)構(gòu)（二）mRNA的剪接1.

hnRNA和snRNA核內(nèi)的初級mRNA稱為雜化核RNA(hetero-nuclearRNA,hnRNA)snRNA(smallnuclearRNA)核內(nèi)的蛋白質(zhì)小分子核糖核蛋白體（snRNP）snRNA真核生物結(jié)構(gòu)基因，由若干個編碼區(qū)和非編碼區(qū)互相間隔開但又連續(xù)鑲嵌而成，去除非編碼區(qū)再連接后，可翻譯出由連續(xù)氨基酸組成的完整蛋白質(zhì)，這些基因稱為斷裂基因。斷裂基因(splitegene)CABD編碼區(qū)A、B、C、D非編碼區(qū)2.外顯子(exon)和內(nèi)含子(intron)外顯子在斷裂基因及其初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物上出現(xiàn)，并表達(dá)為成熟RNA的核酸序列。內(nèi)含子隔斷基因的線性表達(dá)而在剪接過程中被除去的核酸序列。雞卵清蛋白基因hnRNA首、尾修飾hnRNA剪接成熟的mRNA雞卵清蛋白基因及其轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后修飾雞卵清蛋白成熟mRNA與DNA雜交電鏡圖DNAmRNA目錄3.內(nèi)含子的分類根據(jù)基因類型和剪接方式，內(nèi)含子分4類：I：線粒體、葉綠體及低等真核生物rRNA基因；II：線粒體、葉綠體mRNA基因；III：是常見的形成套索結(jié)構(gòu)后剪接，大多數(shù)mRNA基因有此類內(nèi)含子；IV：tRNA基因，剪接過程需酶及ATP。4.mRNA的剪接——除去hnRNA中的內(nèi)含子，將外顯子連接。

snRNP與hnRNA結(jié)合成為剪接體①②③UACUACA-AGUGU4U5U6E1E2U1U2UACUACA-AGUGU6E1E2U1、U4、U5pG-OH(ppG-OH,pppG-OH)U-OHGpUpGpA第一次轉(zhuǎn)酯反應(yīng)第二次轉(zhuǎn)酯反應(yīng)UpAGpU外顯子1內(nèi)含子外顯子2G-OHUpUpGpA剪接過程的二次轉(zhuǎn)酯反應(yīng)

(twicetransesterification)

?RNA編輯作用說明，基因的編碼序列經(jīng)過轉(zhuǎn)錄后加工，是可有多用途分化的，因此也稱為分化加工(differentialRNAprocessing)。5.mRNA的編輯(mRNAediting)人類apoB基因mRNA（14500個核苷酸）肝臟apoB100（分子量為500000）腸道細(xì)胞apoB48（分子量為240000）mRNA編輯二、tRNA的轉(zhuǎn)錄后加工tRNA前體RNApolⅢTGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNARNAaseP、內(nèi)切酶tRNA核苷酸轉(zhuǎn)移酶、連接酶ATPADP堿基修飾（2）還原反應(yīng)如：UDHU（3）核苷內(nèi)的轉(zhuǎn)位反應(yīng)如：Uψ（4）脫氨反應(yīng)如：AI如：AAm（1）甲基化（1）（1）（3）（2）（4）三、rRNA的轉(zhuǎn)錄后加工轉(zhuǎn)錄45S-rRNA剪接18S-