核酸的生物合成

關(guān)于核酸的生物合成第1頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三一、DNA指導下RNA的合成（一）轉(zhuǎn)錄的概念（二）RNA聚合酶及催化反應(yīng)（三）RNA合成過程（四）啟動子和轉(zhuǎn)錄因子（五）終止子和終止因子第2頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三DNA和RNA合成的異同基本化學機制相同：兩者都由模板指導；鏈的延伸都有極性，即5′向3′方向；兩者都用核苷5′－三磷酸（dNTP或NTP）為原料。不同方面：不需要引物；只涉及大的DNA分子中一段；只用互補雙鏈DNA中的一條鏈為模板；無糾錯功能。第3頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三（一）轉(zhuǎn)錄的概念

轉(zhuǎn)錄是在DNA的指導下在RNA聚合酶的催化下，按照堿基配對的原則，以四種核苷酸為原料合成一條與模板DNA互補的RNA

的過程。RNA的轉(zhuǎn)錄從DNA模板的特定位點開始，并在一定的位點終止。此轉(zhuǎn)錄區(qū)域為一個轉(zhuǎn)錄單位。

啟動子promoter

終止子(terminator)模板鏈（templatestrand）反意義鏈(antisensestrand)有意義鏈(sensestrand)非信息區(qū)DNA5′5′3′3′第4頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三大腸桿菌RNA聚合酶的結(jié)構(gòu)示意圖核心酶(α2ββ)起始因子β——和模板DNA結(jié)合β——起始和催化聚合反應(yīng)α——酶的裝配與啟動子上游元件和活化因子結(jié)合全酶(αββ)（二）RNA聚合酶及催化的反應(yīng)第5頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三TheE.coliRNApolymeraseholoenzymeconsistsofsixsubunits:

a2bb’s.PossiblecatalyticsubunitsPromoterspecificityEnzymeassembly,promoterrecognition,activatorbindingRoleunknown（notneededinvitro）36.5kDa15115511kDa(32-90kDa)第6頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三RNA聚合酶催化的反應(yīng)ACGACGUU模板DNA5′3′5′3′新合成RNA第7頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三（三）RNA合成過程起始雙鏈DNA局部解開磷酸二酯鍵形成終止階段解鏈區(qū)到達基因終點延長階段53RNA

啟動子

終止子5RNA聚合酶5353553離開第8頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三RNA鏈的延伸圖解3′5′RNA-DNA雜交螺旋聚合酶的移動方向新生RNA復(fù)鏈解鏈有義鏈模板鏈（反義鏈）延長部位第9頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三第10頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三第11頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三RNA合成發(fā)生在DNA模板上一個“移動”的轉(zhuǎn)錄泡在整個轉(zhuǎn)錄過程中只有一個較短的DNA－RNA雜交分子（在細菌中約8bp）；在每次轉(zhuǎn)錄中，在E.coliDNA中大約17bp區(qū)域解鏈；RNA鏈大約以50-90核苷酸/秒的速率延伸；轉(zhuǎn)錄泡前方解鏈后方復(fù)合分別產(chǎn)生正超螺旋和負超螺旋。第12頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三真核生物和原核生物轉(zhuǎn)錄的差別DNA核核糖體新生蛋白質(zhì)真核生物原核生物mRNA前體轉(zhuǎn)運加工mRNAmRNA真核生物中轉(zhuǎn)錄與復(fù)制在不同的區(qū)域

RNA聚合酶不相同啟動子不同轉(zhuǎn)錄后RNA加工修飾不同第13頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三真核生物RNA聚合酶第14頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三（四）啟動子和轉(zhuǎn)錄因子

啟動子(promoter)是指RNA聚合酶識別、結(jié)合和開始轉(zhuǎn)錄的一段DNA序列。RNA聚合酶起始轉(zhuǎn)錄需要的輔助因子（蛋白質(zhì)）稱為轉(zhuǎn)錄因子（transcriptionalfactor）。利用足跡法（footprint）和DNA測序法可以確定啟動子的序列結(jié)構(gòu)。

例：大腸桿菌啟動子共有序列的功能第15頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三大腸桿菌啟動子共有序列的功能××AGTCTTGACA××××××××××××××××××AAT××××××××××××××TTAAAT××××××AACTGT××××AAT××××××××××××××××Pribnow框-10-35識別區(qū)16-19bp5-9bp起點0－10－35上游轉(zhuǎn)錄區(qū)第16頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三足跡法確定啟動子序列

第17頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三Anactualfootprintingresult(RNApolymerasebindingtothelac.LaneCisacontrolinwhichthelabeledDNAfragmentswerecleavedwithachemicalreagentthatproducesamoreuniformbandingpattern.第18頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三AlignmentofdifferentpromotersequencesfromE.coligenes:the–10(thePribnowbox)and–35consensusregionwererevealed.SequencesofthecodingDNAstrandisconventionallyshownPresentonlyincertainhighlyexpressedgenes第19頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三s亞基使得RNA聚合酶識別特定的啟動子序列RNA聚合酶沒有s亞基（即

a2bb’）在啟動子上不能開始轉(zhuǎn)錄；s亞基降低了RNA聚合酶對普通區(qū)域的親和力；E.coli包含多種s亞基識別不同的啟動子；每種s亞基使得細胞協(xié)調(diào)表達不同的基因。第20頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三StandardHeat-shocks70forstandardpromoterss32forheat-shockpromoterss54fornitrogen-starvationpromotersE.colicontainsmultiplesfactorsforrecognizingdifferenttypesofpromotersNitrogenstarvation第21頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三CommonsequencesinpromotersrecognizedbyeukaryoticRNApolymeraseII（P462）第22頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三TranscriptioninitiationandelongationbyE.coliRNApolymerase第23頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三（五）終止子和終止因子

提供轉(zhuǎn)錄停止信號的DNA序列稱為終止子(terminator)。協(xié)助RNA聚合酶識別終止信號的輔助因子（蛋白質(zhì)）則稱為終止因子

(terminationfactor)。有的終止信號的作用可被特異的因子所阻止，使RNA聚合酶得以越過終止子繼續(xù)轉(zhuǎn)錄，這稱為通讀(readthrough)，這類引起抗終止作用的蛋白質(zhì)稱為抗終止因子(antitermination)。例：大腸桿菌的兩種終止因子第24頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三大腸桿菌兩類終止子的回文結(jié)構(gòu)A.不依賴于Rho（）的終止子A.依賴于Rho（）的終止子富含G-C系列U第25頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三Model

foranr-dependent terminator第26頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三二、RNA轉(zhuǎn)錄后的加工（一）RNA的加工（二）RNA的拼接、編輯和再編碼（三）RNA生物功能的多樣性（四）RNA的降解第27頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三原核生物中rRNA前體的加工

甲基化作用專一核酸外切酶30S前體17StRNA25S專一核酸外切酶16SrRNAtRNA23SrRNA5S

rRNA專一核酸外切酶短線表示甲基化第28頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三tRNA前體分子的加工a、切除tRNA前體兩端多余的序列：

5’—端切除幾到10個核苷酸。b、末端添加：3’-端添加CCA序列。c、修飾：形成稀有堿基如DH2。RNasePRNaseFRNasePRNaseFRNaseDRNaseDACC表示核酸內(nèi)切酶的作用表示核苷酸轉(zhuǎn)移酶的作用表示核酸外切酶的作用

表示異構(gòu)化酶的作用

第29頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三早轉(zhuǎn)錄本成熟tRNA加工酵母酪氨酸t(yī)RNA前體的加工第30頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三真核細胞mRNA的加工（P476）5′端接上一個“帽子”（CAP）結(jié)構(gòu)3′端添加PolyA“尾巴”,由RNA末端核苷酸轉(zhuǎn)移酶催化mRNA的內(nèi)部甲基化，N6－甲基腺嘌呤（m6A）剪接：剪去內(nèi)含子（intron），拼接外顯子（extron）第31頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三5′“帽子”PolyA

3′

順反子(cistron)

m7G-5′ppp-N-3′pAAAAAAA-OH第32頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三第33頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三EMstudiesofmRNA-DNAhybridsforthechickenovalbumingene(theR-loopingtechnique)第34頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三ProcessingofeukaryoticmRNA第35頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三第36頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三（二）RNA的拼接、編輯和再編碼

大多數(shù)的真核基因都是斷裂基因，斷裂基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物需要通過拼接，去除插入部分（即內(nèi)含子，intron），使編碼區(qū)（即外顯子，Exon）成為連續(xù)序列，這是基因表達的一個重要環(huán)節(jié)。RNA編碼序列的改變稱為編輯（editing），RNA編碼和讀碼方式的改變稱為再編碼（recoding）。由于存在選擇性的拼接、編輯和再編碼，一個基因可以產(chǎn)生多種蛋白質(zhì)。第37頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三降鈣素基因相關(guān)蛋白降鈣素第38頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三RNA的拼接方式

類型I自我拼接

類型II自我拼接

核mRNA的拼接體的拼接

核mRNA的酶促拼接第39頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三（三）RNA生物功能的多樣性（P489）1.RNA在遺傳信息的翻譯中起著決定作用。2.RNA具有重要的催化功能和其他持家功能。3.RNA轉(zhuǎn)錄后加工和修飾依賴于各類小RNA和其他蛋白質(zhì)復(fù)合物。4.RNA對基因表達和細胞功能具有重要調(diào)節(jié)作用。5.RNA在生物進化中起重要作用。第40頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三（四）RNA的降解

RNA降解是涉及到基因表達的一個重要環(huán)節(jié)，rRNA和tRNA是穩(wěn)定的RNA，其更新率低；mRNA是不穩(wěn)定的RNA，其更新率非常高。因為mRNA與其編碼基因的表達活性直接有關(guān)，不同的RNA需要以不同的速度進行降解。AveragehalflivesofmRNAmolecules

Bacteria 1.5minutes

Vertebrates 3hours

第41頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三所有細胞中都存在各種核糖核酸酶，可以降解RNA。真核生物mRNA降解的主要途徑首先是poly（A）尾巴的縮短，去腺苷酸化能誘發(fā)脫去5端帽子結(jié)構(gòu)，然后由5→3方向和3→5

方向降解mRNA。第42頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三

三、RNA的復(fù)制有些RNA病毒，進入寄主細胞后，借助復(fù)制酶而進行RNA病毒的復(fù)制。

從感染RNA病毒的細胞中可以分離出RNA復(fù)制酶，這些RNA復(fù)制酶的模板特異性很強，只識別病毒自身的RNA，它以病毒RNA為模板，在有4種核苷三磷酸和Mg2+存在時合成與模板性質(zhì)相同的RNA。第43頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三噬菌體QβRNA的復(fù)制噬菌體Qβ：直徑20nm，正十二面體，含30%RNA，其余為蛋白質(zhì)，單鏈RNA，4500個核苷酸，編碼3-4個蛋白質(zhì)。成熟蛋白（A或A2蛋白）外殼蛋白（或A1蛋白）復(fù)制酶β亞基3’5’Qβ基因結(jié)構(gòu)：第44頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三QβRNA翻譯和復(fù)制的自我調(diào)節(jié)A蛋白基因和復(fù)制酶亞基基因的起始區(qū)可通過堿基配對形成雙螺旋，AUG是起始密碼子，t是終止位點。

外殼蛋白基因有兩個終止位點，t1和t2。剛復(fù)制QβRNA可起始A蛋白的合成，復(fù)制酶亞基的合成有賴于外殼蛋白的合成。第45頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三Qβ復(fù)制酶：α、β、γ、δ四個亞基，只有β是自己編碼，其余三個亞基來自寄主細胞。噬菌體QβRNA進入E.coli細胞后，其RNA即為mRNA，可以直接合成與病毒繁殖有關(guān)的蛋白質(zhì)（復(fù)制酶β亞基）。將具有mRNA功能的鏈稱為正鏈。它的互補鏈為負鏈。第46頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三噬菌體Q的合成A.負鏈的合成B.正鏈的合成病毒的正鏈復(fù)制中間體復(fù)制中間體新合成的正鏈新合成的負鏈負鏈第47頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三噬菌體RNA通過回折形成大量的雙螺旋區(qū)，在此二級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上還可形成緊密的三級結(jié)構(gòu)。噬菌體RNA的高級結(jié)構(gòu)參與了翻譯的調(diào)節(jié)控制。當噬菌體RNA處于天然高級結(jié)構(gòu)狀態(tài)時，成熟蛋白基因的起始區(qū)處于折疊結(jié)構(gòu)之中，無法與核糖體結(jié)合，成熟蛋白基因被關(guān)閉。只有剛剛復(fù)制噬菌體RNA，成熟蛋白基因的起始區(qū)才能接受核糖體，進行成熟蛋白的翻譯。通過這種方式控制各種蛋白質(zhì)合成的時間和合成的量。第48頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三病毒RNA復(fù)制的主要方式（1）病毒含有正鏈RNA（2）病毒含有負鏈RNA和復(fù)制酶（3）病毒含有雙鏈RNA和復(fù)制酶（4）致癌RNA病毒（+）RNA（－）RNAmRNA（+）鏈（±）雙鏈RNA（－