生物化學(xué)教學(xué)課件：16-RNA的生物合成

第十六章RNA的生物合成（轉(zhuǎn)錄）RNABiosynthesis,Transcription生物界RNA的合成方式DNA指導(dǎo)的RNA合成，也叫轉(zhuǎn)錄。由RNA依賴的RNA聚合酶(RNA-dependentRNApolymerase)催化，常見于病毒，是逆轉(zhuǎn)錄病毒以外的RNA病毒在宿主細(xì)胞以病毒的單鏈RNA為模板合成RNA的方式。RNA指導(dǎo)的RNA合成，也叫RNA復(fù)制。主要轉(zhuǎn)錄過程與特點轉(zhuǎn)錄過程是RNA生物大分子的合成，促進(jìn)RNA合成的酶稱為RNA聚合酶。轉(zhuǎn)錄過程是從特定一段DNA取出信息，合成一段RNA的過程，不像DNA復(fù)制是全部DNA信息的復(fù)制。被取出信息的DNA序列稱為模板DNA。哪一段DNA信息被取出用于轉(zhuǎn)錄RNA，取決于被轉(zhuǎn)錄DNA片段前的DNA序列結(jié)構(gòu)及其與蛋白質(zhì)的相互作用1.模板均為DNA2.延長機(jī)理都是形成磷酸二酯鍵3.方向均為5'→3'轉(zhuǎn)錄與復(fù)制的相似點復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的區(qū)別復(fù)制轉(zhuǎn)錄模板兩鏈均復(fù)制模板鏈轉(zhuǎn)錄（不對稱轉(zhuǎn)錄）原料dNTPNTP酶DNA聚合酶RNA聚合酶(RNA-pol)產(chǎn)物子代雙鏈DNA（半保留復(fù)制）mRNA，tRNA，rRNA配對A→T，G→CA→U，T→A，G→C轉(zhuǎn)錄體系（參與轉(zhuǎn)錄的物質(zhì)）模板:DNA原料:NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)酶:依賴DNA的RNA聚合酶(簡寫RNA-pol)其他蛋白質(zhì)因子原核生物轉(zhuǎn)錄的模板和酶Templates&EnzymesinProkaryoticTranscription第一節(jié)一、原核生物轉(zhuǎn)錄的模板編碼蛋白質(zhì)或其他RNA的DNA序列，稱為結(jié)構(gòu)基因

(structuralgene)DNA雙鏈中能夠按照堿基互補(bǔ)規(guī)律指引轉(zhuǎn)錄生成RNA的一股單鏈，稱為模板鏈

(templatestrand)

<有意義鏈，正義鏈>；另一股單鏈稱為編碼鏈

(codingstrand)<無意義鏈，反義鏈>。轉(zhuǎn)錄具有選擇性，稱為不對稱轉(zhuǎn)錄

(asymmetrictranscription)編碼鏈模板鏈mRNA蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄翻譯DNAGCAGTACACTGT……cgtcatgtgaca……Ala·Val·His·Val……53GCAGUACACUGU……轉(zhuǎn)錄是以模板鏈DNA序列為基礎(chǔ)合成RNA的過程，而產(chǎn)物RNA序列與編碼鏈DNA序列更相似RNA產(chǎn)物最終可以是蛋白質(zhì)，也可以是其他RNA55N33C結(jié)構(gòu)基因編碼鏈(codingstrand)編碼鏈模板鏈模板鏈(templatestrand)不對稱轉(zhuǎn)錄模板鏈并非永遠(yuǎn)在同一條單鏈上。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；5'3'3'5'二、RNA聚合酶（一）RNA聚合酶能直接啟動RNA鏈的合成RNA聚合酶DNA聚合酶DNA依賴的RNA聚合酶DNA依賴的DNA聚合酶合成RNA合成DNA(NMP)n+NTP→(NMP)n+1+PPi<n=1~…>(dNMP)n+dNTP→(dNMP)n+1+PPi<n常為幾十>不需要引物需要引物（二）RNA聚合酶由多個亞基組成（以E.

coli為例）亞基分子量功能36512決定哪些基因被轉(zhuǎn)錄150618催化功能155613結(jié)合DNA模板70263辨認(rèn)起始點RNA聚合酶(DDRP)1.原核生物的RNA聚合酶E.coli的RNA聚合酶是由四種亞基組成的五聚體（2）

熱休克蛋白在體內(nèi)有著廣泛的功能、涉及了應(yīng)激、免疫、蛋白質(zhì)折疊等多方面。

熱休克蛋白（heatshockproteins,HSPs）是指細(xì)胞在高溫（熱休克）或其他應(yīng)激原作用下所誘導(dǎo)生成或合成增加的一組蛋白質(zhì)。當(dāng)溫度升高到一定程度時，大部分蛋白質(zhì)已經(jīng)停止合成，而HSPs仍能繼續(xù)合成，原因就在于HSPs使用與一般蛋白質(zhì)不同的σ亞基（

σ32，本身也是一種HSPs）識別DNA分子中轉(zhuǎn)錄的起始部位。識別轉(zhuǎn)錄終止信號，停止聚合反應(yīng)。參與轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控。催化NTP的聚合，完成一條RNA鏈的聚合反應(yīng)。促進(jìn)與模板鏈結(jié)合，并使DNA雙鏈打開17bp。RNA聚合酶的作用RNA聚合酶的特點缺乏外切酶活性,無校對功能，錯誤率10-6。不同的識別不同的啟動子。聚合速率慢，30~85NTP/秒。可被藥物抑制（利福平）。人的RNA聚合酶對利福平不敏感。利用此特點可研制殺菌藥物。全酶僅在起始階段存在，延長階段只有核心酶。結(jié)構(gòu)基因之前一段DNA為調(diào)節(jié)序列，結(jié)構(gòu)基因DNA與調(diào)節(jié)序列DNA共同組成一個轉(zhuǎn)錄單位，稱為操縱子

(operon)三、酶對模板的辨認(rèn)和結(jié)合5335調(diào)控序列結(jié)構(gòu)基因原核生物以RNA聚合酶全酶結(jié)合到DNA的啟動子上而啟動轉(zhuǎn)錄，其中由亞基辨認(rèn)啟動子，其他亞基相互配合。啟動子：指RNA聚合酶結(jié)合模板DNA的部位。是調(diào)控轉(zhuǎn)錄的關(guān)鍵部位。原核生物啟動子序列按功能的不同可分為三個部位，即識別部位、結(jié)合部位、起始部位。RNA聚合酶保護(hù)法用于研究啟動子開始轉(zhuǎn)錄TTGACAAACTGT-35區(qū)PribnowboxTATAATATATTA-10區(qū)1-30-5010-10-40-205335原核生物啟動子保守序列55結(jié)構(gòu)基因33RNA-pol辨認(rèn)位點(recognitionsite)起始部位：指DNA分子上開始轉(zhuǎn)錄的部位，該部位含有與轉(zhuǎn)錄生成新生RNA鏈的第一個核苷酸互補(bǔ)的堿基，將該堿基的序號定為+1。識別部位：RNA聚合酶因子的識別部位。中心部位在-35bp處，堿基序列具有高度保守性，該序列的一致性序列為TTGACA。結(jié)合部位：RNA聚合酶的結(jié)合的部位，其長度為7bp中心部位在-10bp處，一致性序列為TATAAT序列，稱為Pribnow盒。原核啟動子原核生物的轉(zhuǎn)錄過程TheProcessofTranscriptioninProkaryote第二節(jié)一、原核生物的轉(zhuǎn)錄起始需解決兩個問題：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。轉(zhuǎn)錄起始需要RNA聚合酶全酶E.coli的轉(zhuǎn)錄起始和延長2.DNA雙鏈解開（20bp以下，17bp左右）1.RNA聚合酶全酶(2)

與模板結(jié)合3.在轉(zhuǎn)錄的起始位點，RNA聚合酶催化發(fā)生第一次聚合反應(yīng)，形成四磷酸二核苷酸，與全酶、DNA模板共同組成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物。RNApol(2)-DNA-pppGpN-OH轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物5-pppG-OH-3(GTP)+NTP→

5-pppGpN-OH-3+PPi轉(zhuǎn)錄起始過程（不需要引物）4.亞基從轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物上脫落，核心酶連同四磷酸二核苷酸，沿DNA鏈前移，進(jìn)入延長階段。二、原核生物的轉(zhuǎn)錄延長1.亞基脫落，RNA–pol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。(NMP)n+NTP

→

(NMP)n+1+PPi3.原核生物轉(zhuǎn)錄延長時蛋白質(zhì)的翻譯也同時進(jìn)行第一個磷酸二酯鍵生成后，亞基從轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物上脫落，形成轉(zhuǎn)錄空泡。核心酶沿模板DNA前移，轉(zhuǎn)錄進(jìn)入延長階段。RNA-pol（核心酶）-DNA-RNA轉(zhuǎn)錄空泡

(transcriptionbubble)：也稱轉(zhuǎn)錄復(fù)合物，是由RNA聚合酶的核心酶、DNA模板和轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA三者結(jié)合在一起的復(fù)合體。53DNA原核生物轉(zhuǎn)錄過程中的羽毛狀現(xiàn)象核糖體RNARNA聚合酶在同一DNA模板上，有多個轉(zhuǎn)錄同時在進(jìn)行；原核生物的mRNA無需加工；轉(zhuǎn)錄尚未完成，翻譯已在進(jìn)行。轉(zhuǎn)錄與翻譯偶聯(lián)。三、原核生物的轉(zhuǎn)錄終止轉(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。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：依賴(Rho)因子的轉(zhuǎn)錄終止非依賴(Rho)因子的轉(zhuǎn)錄終止1.依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止

Rho因子是rho基因的產(chǎn)物，廣泛存在于原核和真核細(xì)胞中，由6個亞基組成，分子量300kD。Rho因子結(jié)合在新生的RNA鏈上，由5'端向3'端利用ATP水解供能快速移動。Rho因子有ATP酶的活性和解螺旋酶的活性因子的作用原理因子

DNARNARNA聚合酶2.非依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止①轉(zhuǎn)錄出的新RNA形成穩(wěn)定的莖環(huán)結(jié)構(gòu)，阻礙RNA聚合酶前移。②轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物莖環(huán)結(jié)構(gòu)之后有一串寡聚U。rU:dA最不穩(wěn)定，

RNA-DNA雜交雙鏈解開，RNA脫離，轉(zhuǎn)錄終止。DNA模板上靠近終止處，有些特殊的堿基序列（終止子），使得RNA產(chǎn)物形成特殊的結(jié)構(gòu)來終止轉(zhuǎn)錄。終止子

(terminator)：DNA模板上能夠在轉(zhuǎn)錄即將結(jié)束時，提供終止信號的序列。通常為一段被間隔開的回文序列，存在于RNApol已經(jīng)轉(zhuǎn)錄過的序列中。5’5’3’3’回文序列海上游客游上海關(guān)下守將守下關(guān)模板鏈RNA鏈莖環(huán)結(jié)構(gòu)使轉(zhuǎn)錄終止5′pppG5335RNA-pol近終止區(qū)的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)（莖環(huán)結(jié)構(gòu)），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。轉(zhuǎn)錄的特點：1、不對稱性2、連續(xù)性3、單向性4、有特定的起始和終止位點小結(jié)真核生物的RNA聚合酶

增強(qiáng)子

調(diào)控序列結(jié)構(gòu)基因-GCGC---CAAT---TATATATA盒CAAT盒GC盒

轉(zhuǎn)錄起始真核生物啟動子保守序列

真核生物編碼基因兩側(cè)的DNA序列，可影響自身基因的表達(dá)活性，通常是非編碼序列，包括啟動子、增強(qiáng)子、沉默子真核生物轉(zhuǎn)錄起始前的上游區(qū)段

順式作用元件(cis-actingelement)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)，統(tǒng)稱為反式作用因子(trans-actingfactors)。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)。Post-transcriptionalModificationofEukaryoticRNA第四節(jié)真核生物RNA的加工真核生物轉(zhuǎn)錄生成的RNA分子是初級RNA轉(zhuǎn)錄物(primaryRNAtranscript)，幾乎所有的初級RNA轉(zhuǎn)錄物都要經(jīng)過加工，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)行。如5端形成帽子結(jié)構(gòu)(m7GpppGp—)如3端加上多聚腺苷酸尾巴(polyAtail)（1）剪接(splicing)（2）剪切(cleavage)（3）修飾(modification)（4）添加(addition)幾種主要的修飾方式一、真核生物mRNA的轉(zhuǎn)錄后加工轉(zhuǎn)錄生成：hnRNA（非均一核RNA，前體mRNA）翻譯需要：成熟mRNA斷裂基因(splitegene)編碼區(qū)A、B、C非編碼區(qū)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。CABAA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。雞卵清蛋白成熟mRNA與DNA雜交電鏡圖DNA成熟mRNAE1I1E4E2E3I3I2DNAhnRNAmRNAm7Gppp——AAAAAAnE1E4E2E3E1I1E4E2E3I3I2

3535531、前體mRNA在5-末端加入“帽”結(jié)構(gòu)2、前體mRNA在3端特異位點斷裂并加上多聚腺苷酸尾3、前體mRNA的剪接主要是去除內(nèi)含子4、mRNA編輯是對基因的編碼序列進(jìn)行轉(zhuǎn)錄后加工1.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-甲基鳥嘌呤的帽結(jié)構(gòu)。這個真核mRNA加工過程的起始步驟由兩種酶催化完成：鳥苷酸轉(zhuǎn)移酶(cappingenzyme)、甲基轉(zhuǎn)移酶(methyltransferase)5pppGpN…5GpppGpN…pppGPPi鳥苷酸轉(zhuǎn)移酶5

m7

GpppGpN…甲基轉(zhuǎn)移酶SAM帽子結(jié)構(gòu)的生成5ppGpN…磷酸酶

Pi帽子結(jié)構(gòu)557m7GpppNpO‖HNH2NN︳︳︳CH3︳N+

︳OH

O

O

O

‖

‖

‖H2C—O—P—O—P—O—P—O—CH2︳︳︳︳︳︳

O-O-

O-

︳

︳O‖O—P—O-︳O︴AAA-OHNO

︳OHO鳥嘌呤

︳OCH3︳帽子結(jié)構(gòu)的意義：可以使mRNA免遭核酸酶的攻擊；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，啟動蛋白質(zhì)的生物合成。2.前體mRNA在3-末端加上多聚腺苷酸尾尾部修飾是和轉(zhuǎn)錄終止同時進(jìn)行的過程。polyA的有無與長短，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polyA長度為100至200個核苷酸之間，也有少數(shù)例外。核內(nèi)的初級mRNA稱為雜化核RNA，即hnRNA3.前體mRNA經(jīng)剪接除去內(nèi)含子除去hnRNA中的內(nèi)含子，將外顯子連接。雞卵清蛋白基因hnRNA首、尾修飾hnRNA剪接成熟mRNA雞卵清蛋白基因及其轉(zhuǎn)錄后修飾4.mRNA的編輯(mRNAediting)人類apoB基因mRNA（14500個核苷酸）肝臟apoB100（4536AA）（分子量為500kD）腸道細(xì)胞apoB48（2152AA）（分子量為240kD）mRNA編輯RNA編輯作用說明，基因的編碼序列經(jīng)過轉(zhuǎn)錄后加工，是可以有多種用途的，因此也稱