生物化學第十四章 RNA的生物合成

DNAReplicationRNAReplicationReverseTranscriptionProteinTranslationTranscriptionCentraldogma第十四章RNA的生物合成RNABiosynthesis轉(zhuǎn)錄(transcription)DNA指導下RNA的生物合成。

轉(zhuǎn)錄RNADNA

復制和轉(zhuǎn)錄的區(qū)別A-U，T-A，G-CA-T，G-C配對mRNA，tRNA，rRNA子代雙鏈DNA（半保留復制）產(chǎn)物RNA聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶酶NTPdNTP原料模板鏈轉(zhuǎn)錄（不對稱轉(zhuǎn)錄）兩股鏈均復制模板轉(zhuǎn)錄復制A-U，T-A，G-CA-T，G-C配對mRNA，tRNA，rRNA子代雙鏈DNA（半保留復制）產(chǎn)物RNA聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶酶NTPdNTP原料模板鏈轉(zhuǎn)錄（不對稱轉(zhuǎn)錄）兩股鏈均復制模板轉(zhuǎn)錄復制引物需要不需要加工與修飾不需要需要參與轉(zhuǎn)錄的物質(zhì)模板:

DNA酶:

RNA聚合酶(RNApolymerase,RNA-pol)原料:

NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)其他蛋白質(zhì)因子轉(zhuǎn)錄體系第一節(jié)一、RNA聚合酶（一）原核生物的RNA聚合酶a40000與啟動子上游元件和活化因子結(jié)合b155000催化中心b￠160000結(jié)合DNA模板s32000~92000識別啟動子促進轉(zhuǎn)錄的起始亞基分子量功能σ因子核心酶(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聚合酶種類ⅠⅡⅢ對鵝膏蕈堿的反應45S-rRNAhnRNA5S-rRNAtRNAsnRNA不敏感極敏感中度敏感轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物snRNA真核生物的RNA聚合酶Ⅱ沒有因子這樣的存在，必須借助各種轉(zhuǎn)錄因子啟動轉(zhuǎn)錄。核心亞基：CTD（羧基末端結(jié)構(gòu)域）磷酸化與去磷酸化二、轉(zhuǎn)錄模板DNA分子上轉(zhuǎn)錄出RNA的區(qū)段，稱為結(jié)構(gòu)基因(structuralgene)。DNA雙鏈中的某一基因轉(zhuǎn)錄時作為有效轉(zhuǎn)錄模板的一股單鏈，稱為模板鏈(templatestrand)，也稱作反義鏈或負鏈，按堿基配對規(guī)律能指引轉(zhuǎn)錄生成RNA。相對的另一股單鏈是編碼鏈(codingstrand)，也稱為有意義鏈或正鏈。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)錄翻譯不對稱轉(zhuǎn)錄(asymmetrictranscription)

1.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；2.模板鏈并非永遠在同一條單鏈上。

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（一）、啟動子原核生物一個轉(zhuǎn)錄區(qū)段可視為一個轉(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-polRNA聚合酶識別、結(jié)合和開始轉(zhuǎn)錄的一段DNA序列，稱為啟動子(promoter)。RNA聚合酶保護法目錄開始轉(zhuǎn)錄TTGACAAACTGT-35區(qū)

結(jié)合部位

TATA盒又稱PribnowboxTATAATATATTA-10區(qū)1-30-5010-10-40-205335原核生物啟動子保守序列RNA-pol識別部位55RNA聚合酶保護區(qū)結(jié)構(gòu)基因33G或A，以G為多見起始部位大腸桿菌中部分啟動子上的一致順序-25，TATA盒，Hognessbox-70，CAAT盒GC盒

增強子

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（1）上游啟動序列啟動子決定了被轉(zhuǎn)錄基因的啟動頻率與精確性，在序列中的位置和方向是嚴格固定的。（2）轉(zhuǎn)錄因子真核生物的啟動子由轉(zhuǎn)錄因子而不是RNA聚合酶所識別的。多種轉(zhuǎn)錄因子和RNA聚合酶形成轉(zhuǎn)錄前起始復合物，啟動和促進轉(zhuǎn)錄。轉(zhuǎn)錄因子可分為三型：通用因子上游因子可誘導因子（二）、終止子是指提供轉(zhuǎn)錄終止信號的DNA序列真核生物的轉(zhuǎn)錄終止與轉(zhuǎn)錄后的加工修飾有關(guān)原核生物RNA轉(zhuǎn)錄終止子有兩類：依賴Rho(ρ)因子的轉(zhuǎn)錄終止非依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止轉(zhuǎn)錄過程TheProcessofTranscription

第二節(jié)（一）轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始需解決兩個問題：RNA聚合酶必須準確地結(jié)合在轉(zhuǎn)錄模板的起始區(qū)域。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，形成轉(zhuǎn)錄起始復合物RNApol(2)-DNA-pppGpN-OH3轉(zhuǎn)錄起始復合物:5-pppG-OH+

NTP5-pppGpN

-OH3+ppi轉(zhuǎn)錄起始過程轉(zhuǎn)錄起始不需要引物，起始點處兩個與模板配對的相鄰核苷酸，在RNA-pol催化下形成磷酸二酯鍵。（二）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

+PPi轉(zhuǎn)錄空泡(transcriptionbubble)：RNA-pol（核心酶）

····DNA

····RNA目錄目錄依賴Rho(ρ)因子的轉(zhuǎn)錄終止非依賴Rho(ρ)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，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA鏈從轉(zhuǎn)錄復合物上脫落下來。分類1.依賴ρ因子的轉(zhuǎn)錄終止ρ因子：控制轉(zhuǎn)錄終止的蛋白質(zhì)，對RNA中polyC的結(jié)合能力強，具有ATP酶活性和解螺旋酶活性。作用方式：當RNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物出現(xiàn)終止信號polyC時，ρ因子與RNA結(jié)合，使RNA聚合酶和ρ因子發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，停止轉(zhuǎn)錄，RNA鏈從轉(zhuǎn)錄復合物中釋放。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)來終止轉(zhuǎn)錄。GA

CCGCCGCU

GGCGGCAUUUU-OH3’5’UUC

G

G5’…GCCGCCAGUUCGGCUGGCGGCAUUUU…3’RNA5’…GCCGCCAGTTCGGCTGGCGGCATTTT…3’terminatorTheRNAmadefromtheDNApalindromeisself-complementaryandsoformedainternalhairpinstructurefollowedbyafewUbases.Thesignalsthatterminatestranscri-ptionarelocalizedinthegene3’end.AsimpleterminationsignalisaGC-richregionthatisapalindrome,followedbyAT-richsequence.DNA34莖環(huán)結(jié)構(gòu)使轉(zhuǎn)錄終止的機理

使RNA聚合酶變構(gòu)，轉(zhuǎn)錄停頓；使轉(zhuǎn)錄復合物趨于解離，RNA產(chǎn)物釋放。5′pppG5335RNA-pol

processoftranscriptioninprokaryote5’5’25’35’pppG5’45’pppGN5’55’75’pppGmRNA5’5’pppG5’61’3653DNA原核生物轉(zhuǎn)錄過程中的羽毛狀現(xiàn)象核糖體RNARNA聚合酶二、真核生物的轉(zhuǎn)錄（一）轉(zhuǎn)錄起始真核生物的轉(zhuǎn)錄起始上游區(qū)段比原核生物多樣化，轉(zhuǎn)錄起始時，RNA-pol不直接結(jié)合模板，由轉(zhuǎn)錄因子來識別起始部位，其起始過程比原核生物復雜。轉(zhuǎn)錄起始點TATA盒CAAT盒GC盒

增強子順式作用元件(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2.

轉(zhuǎn)錄因子能直接、間接辨認和結(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-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)。參與RNA-polⅡ轉(zhuǎn)錄的TFⅡ

蛋白激酶活性，使CTD磷酸化TFⅡH結(jié)合RNA-polⅡ和TFⅡ

B57（a）34（b）TFⅡE30，74TFⅡF促進RNA-polⅡ結(jié)合及作為其他因子結(jié)合的橋梁33TFⅡB穩(wěn)定TFⅡD-DNA復合物12，19，35TFⅡA輔助TBP-DNA結(jié)合TAF**結(jié)合TATA盒TBP*38TFⅡD功能亞基組成，分子量(kD)轉(zhuǎn)錄因子蛋白激酶活性，使CTD磷酸化TFⅡH57（a）34（b）TFⅡE解螺旋酶ATPase30，74TFⅡF促進RNA-polⅡ結(jié)合及作為其他因子結(jié)合的橋梁33TFⅡB穩(wěn)定TFⅡD-DNA復合物12，19，35TFⅡA輔助TBP-DNA結(jié)合TAF**結(jié)合TATA盒TBP*38TFⅡD功能亞基組成，分子量(kD)轉(zhuǎn)錄因子3.轉(zhuǎn)錄起始前復合物(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復合物TATAⅡAⅡBTBPTAFTATAⅡHⅡECTD-PPIC組裝完成，TFⅡH使CTD磷酸化4.模板理論(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，有專一性的復合物，再與RNA聚合酶搭配而有針對性地結(jié)合、轉(zhuǎn)錄相應的基因。（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)。第三節(jié)

RNA的轉(zhuǎn)錄后加工幾種主要的加工方式1.剪接(splicing)2.剪切(cleavage)3.

修飾(modification)4.

添加(addition)5.RNA編輯(RNAediting)原核生物中RNA的加工原核生物中rRNA前體的加工原核生物中tRNA前體的加工原核生物中mRNA前體的加工真核生物中RNA的加工真核生物中rRNA前體的加工真核生物中tRNA前體的加工真核生物中mRNA前體的加工（一）真核生物中的rRNA基因真核生物的rRNA基因?qū)儆谪S富基因族的DNA序列,每個基因又被不能轉(zhuǎn)錄的基因間隔分段隔開。真核生物內(nèi)是一種45S的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物，通過剪切形成18SrRNA、5.8SrRNA、28SrRNA，成熟后，與核糖體蛋白質(zhì)形成核糖體，輸出胞漿。（一）、真核生物中rRNA前體的加工轉(zhuǎn)錄45S-rRNA剪接18S-rRNA5.8S和28S-rRNArDNA內(nèi)含子內(nèi)含子28S5.8S18S(二)、tRNA前體的加工tRNA前體RNApolⅢTGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNA目錄RNAaseP、內(nèi)切酶目錄tRNA核苷酸轉(zhuǎn)移酶、連接酶ATPADP目錄堿基修飾（2）還原反應如：UDHU

（3）核苷內(nèi)的轉(zhuǎn)位反應如：Uψ（4）脫氨反應如：AI

如：AAm（1）甲基化（1）（1）（3）（2）（4）目錄（三）、真核生物mRNA前體的加工1、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)帽子結(jié)構(gòu)5pppGp…5GpppGp…pppGppi鳥苷酸轉(zhuǎn)移酶5

m7GpppGp…甲基轉(zhuǎn)移酶SAM帽子結(jié)構(gòu)的生成5ppGp…磷酸酶Pi真核生物mRNA的帽子結(jié)構(gòu)

真核生物mRNA帽子結(jié)構(gòu)的功能為核糖體對mRNA識別提供信號增加mRNA的穩(wěn)定性：免遭核酸酶的破壞功能細胞核→細胞質(zhì)增加mRNA在細胞質(zhì)中的穩(wěn)定性3端加上多聚腺苷酸尾巴(polyAtail)2、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)小核核糖核酸蛋白體（并接體,splicesome）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)，并表達為成熟RNA的核酸序列。內(nèi)含子隔斷基因的線性表達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)錄后修飾目錄雞卵清蛋白成熟mRNA與DNA雜交電鏡圖DNAmRNA目錄(3).

內(nèi)含子的分類根據(jù)基因的類型和剪接的方式，通常把內(nèi)含子分為4類。I：主要存在于線粒體、葉綠體及某些低等真核生物的rRNA基因；II：也發(fā)現(xiàn)于線粒體、葉綠體，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物是mRNA；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：是tRNA基因及其初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物中的內(nèi)含子，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)合成為并接體①目錄②③UACUACA-