RNA的生物合成和加工課件

一、轉(zhuǎn)錄——DNA指導(dǎo)下RNA的合成9/14/20231一、轉(zhuǎn)錄——DNA指導(dǎo)下RNA的合成8/4/20231DNA復(fù)制：以DNA為模板合成DNA，遺傳信息自上一代細(xì)胞向下一代細(xì)胞傳遞轉(zhuǎn)錄：以DNA為模板合成RNA，遺傳信息自DNA轉(zhuǎn)錄至RNA分子翻譯：以mRNA為模板合成蛋白質(zhì)，遺傳信息表達(dá)至蛋白質(zhì)反轉(zhuǎn)錄：以RNA為模板合成DNA（RNA病毒、真核細(xì)胞的端粒酶）RNA復(fù)制：以RNA為模板合成RNA（RNA病毒）9/14/20232DNA復(fù)制：以DNA為模板合成DNA，遺傳信息自上一代細(xì)胞向（一）模板1、轉(zhuǎn)錄模板兩股DNA單鏈中只有一股可轉(zhuǎn)錄可作為模板轉(zhuǎn)錄成RNA的一股DNA鏈——模板鏈對(duì)應(yīng)的一股DNA鏈——編碼鏈能轉(zhuǎn)錄出mRNA，指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的部分——結(jié)構(gòu)基因其余的DNA可能轉(zhuǎn)錄(rRNA,tRNA)，也可能不轉(zhuǎn)錄9/14/20233（一）模板1、轉(zhuǎn)錄模板兩股DNA單鏈中只有一股可轉(zhuǎn)錄8/2、不對(duì)稱轉(zhuǎn)錄在一個(gè)包含許多基因的雙鏈DNA分子中，各個(gè)基因的模板鏈不一定是同一條，對(duì)于某些基因以某一條鏈為模板進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，而對(duì)另一些基因則可由另一鏈為模板鏈。9/14/202342、不對(duì)稱轉(zhuǎn)錄在一個(gè)包含許多基因的雙鏈DNA分子中，各個(gè)基因1.模板：DNA2.合成方向：5′→3′3.酶：均依賴DNA4.堿基互補(bǔ)配對(duì)原則5.產(chǎn)物：多聚核苷酸鏈復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的異同點(diǎn)相同點(diǎn)：9/14/202351.模板：DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的異同點(diǎn)相同點(diǎn)：8/4/20235不同點(diǎn)：復(fù)制轉(zhuǎn)錄模板兩股鏈均作為模板模板鏈作為模板原料dNTPNTP聚合酶DNA聚合酶RNA聚合酶產(chǎn)物子代DNA雙鏈mRNA;tRNA;rRNA配對(duì)A-T；G-CA-U；T-A;G-C引物RNA引物不需要引物方式(特點(diǎn))半保留復(fù)制不對(duì)稱轉(zhuǎn)錄9/14/20236不同點(diǎn)：復(fù)制轉(zhuǎn)錄模板兩股鏈均作為模板模（二）參與轉(zhuǎn)錄的酶1.原核細(xì)胞的RNA聚合酶σ因子為起始因子2.真核細(xì)胞的RNA聚合酶Ⅰ（核仁）：催化rRNA前體的合成；Ⅱ：催化mＲＮＡ的合成；Ⅲ：催化小分子ＲＮＡ的合成9/14/20237（二）參與轉(zhuǎn)錄的酶1.原核細(xì)胞的RNA聚合酶σ因子為起始Mw：465～480kD亞基組成：α2ββ′σ(全酶)

α2ββ′（核心酶）1、原核生物的RNA聚合酶（大腸桿菌）σ：起始因子，識(shí)別DNA模板上的轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)前的特異堿基序列,引導(dǎo)RNA聚合酶結(jié)合到DNA的啟動(dòng)子，開始轉(zhuǎn)錄不同菌種σ因子大小差別很大轉(zhuǎn)錄開始后，σ脫離聚合酶，核心酶催化RNA的延長(zhǎng)9/14/20238Mw：465～480kD1、原核生物的RNA聚合酶（大腸桿菌RNA鏈的轉(zhuǎn)錄起始于DNA模板的一個(gè)特定位點(diǎn),其上游有特異的堿基序列,為啟動(dòng)子(promoter）并在另一位點(diǎn)處終止（終止子terminator）此轉(zhuǎn)錄區(qū)域稱為轉(zhuǎn)錄單位（DNA）轉(zhuǎn)錄單位：轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)9/14/20239RNA鏈的轉(zhuǎn)錄起始于DNA模板的一個(gè)特定位點(diǎn),轉(zhuǎn)錄單位：轉(zhuǎn)錄大腸桿菌的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(zhǎng)，對(duì)起始無作用。四種亞基的功能分別為：

α亞基：與啟動(dòng)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。

β’亞基：與DNA模板結(jié)合功能。

σ亞基：識(shí)別起始位點(diǎn)。

9/14/202310大腸桿菌的RNA聚合酶8/4/202310RNA聚合酶：Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ專一地轉(zhuǎn)錄不同的基因轉(zhuǎn)錄過程、產(chǎn)物不同對(duì)鵝膏蕈堿的敏感性不同2、真核生物的RNA聚合酶加工產(chǎn)生5.8SrRNA，18SrRNA、28SrRNA9/14/202311RNA聚合酶：Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ2、真核生物的RNA聚合酶加工產(chǎn)生58～14個(gè)亞基，Mw500KD左右無σ識(shí)別亞基轉(zhuǎn)錄：起始復(fù)合體（轉(zhuǎn)錄因子、啟動(dòng)子、RNA聚合酶）線粒體、葉綠體RNA聚合酶類似于原核生物mRNA不穩(wěn)定，壽命短，RNA聚合酶Ⅱ最重要9/14/2023128～14個(gè)亞基，Mw500KD左右8/4/202312（三）轉(zhuǎn)錄過程：起始、延長(zhǎng)、終止σ因子辨認(rèn)啟動(dòng)子RNA聚合酶結(jié)合到DNA的啟動(dòng)子，開始轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)子具有共有的序列——保守序列或一致性序列：在-10bp處有-TATAAT-，Pribnow盒；-35bp處有-TTGACA-，辨認(rèn)點(diǎn)1、模板的識(shí)別：9/14/202313（三）轉(zhuǎn)錄過程：起始、延長(zhǎng)、終止σ因子辨認(rèn)啟動(dòng)子1、模板的σ識(shí)別正確的啟動(dòng)位點(diǎn)，啟動(dòng)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(shí)別的信號(hào)；-10序列是酶的緊密結(jié)合位點(diǎn)（富含AT堿基，利于雙鏈打開）；第三部分是RNA合成的起始點(diǎn)。3’5’+1轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)AACTGTATATTATTGACATATAAT5’3’－35序列

Sextama框－10序列Pribnow框9/14/202314σ識(shí)別正確的啟動(dòng)位點(diǎn)，啟動(dòng)子的結(jié)構(gòu)至少由三部分組成：3’5’

單獨(dú)的核心酶與DNA隨機(jī)疏松結(jié)合（低親和力），不能區(qū)分啟動(dòng)子和一般序列全酶：與啟動(dòng)子結(jié)合牢固（高親和力），并開始轉(zhuǎn)錄全酶通過擴(kuò)散作用與DNA隨機(jī)結(jié)合與酶結(jié)合的DNA迅速被置換全酶不斷改變與DNA的結(jié)合部位，直到啟動(dòng)子，轉(zhuǎn)變?yōu)榫o密結(jié)合9/14/202315單獨(dú)的核心酶全酶：與啟動(dòng)子結(jié)合牢固（高親和力），并開始轉(zhuǎn)錄

真核生物：轉(zhuǎn)錄因子識(shí)別啟動(dòng)子RNA聚合酶在起點(diǎn)處形成起始復(fù)合體－25bp（Hogness盒）CAATGCTATAmRNA轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)增強(qiáng)子，增強(qiáng)啟動(dòng)子活性，增強(qiáng)子序列可以遠(yuǎn)離啟動(dòng)子幾千bp，位于上游或者下游，位于模板鏈或編碼鏈，均能發(fā)揮作用9/14/202316真核生物：轉(zhuǎn)錄因子識(shí)別啟動(dòng)子mRNA轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)增強(qiáng)子，增強(qiáng)啟動(dòng)子和轉(zhuǎn)錄因子啟動(dòng)子：與基因表達(dá)相關(guān)的特定的DNA序列（順式作用元件）RNA聚合酶與之特異結(jié)合，基因轉(zhuǎn)錄的開始部位強(qiáng)啟動(dòng)子2秒鐘啟動(dòng)依次一次轉(zhuǎn)錄弱啟動(dòng)子10分鐘一次轉(zhuǎn)錄因子：RNA聚合酶起始轉(zhuǎn)錄需要的輔助因子（蛋白質(zhì)）與順式作用元件結(jié)合（反式作用因子）識(shí)別啟動(dòng)子9/14/202317啟動(dòng)子和轉(zhuǎn)錄因子啟動(dòng)子：與基因表達(dá)相關(guān)的特定的DNA序列（2、轉(zhuǎn)錄的起始在模板鏈上通過堿基配對(duì)合成最初的RNA鏈加入的第一個(gè)核苷三磷酸常是GTP或ATP。所形成的啟動(dòng)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(gè)核苷三磷酸一旦摻入到轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)，σ亞基就會(huì)被釋放脫離核心酶。9/14/2023182、轉(zhuǎn)錄的起始在模板鏈上通過堿基配對(duì)合成最初的RNA鏈加入3、轉(zhuǎn)錄的延伸σ因子脫離，核心酶向前移動(dòng)，RNA鏈延長(zhǎng)原核、真核生物基本相同，不需要引物σ因子脫落，核心酶構(gòu)象變松弛RNA的5′端伸展在轉(zhuǎn)錄空泡之外模板為A，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物相應(yīng)為U原核生物：轉(zhuǎn)錄、翻譯同時(shí)進(jìn)行9/14/2023193、轉(zhuǎn)錄的延伸σ因子脫離，核心酶向前移動(dòng)，RNA鏈延長(zhǎng)原核第一個(gè)堿基總是G或A9/14/202320第一個(gè)堿基總是G或A8/4/2023204、轉(zhuǎn)錄的終止RNA聚合酶到達(dá)基因轉(zhuǎn)錄終點(diǎn)RNA、RNA聚合酶自DNA脫離不依賴ρ因子：模板鏈終止區(qū)的堿基形成特殊結(jié)構(gòu)RNA3′端形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)和一串寡聚U依賴ρ因子(ρ因子與RNA結(jié)合，具ATP酶、解鏈酶活性)1）原核生物轉(zhuǎn)錄終止：終止子：能夠使轉(zhuǎn)錄終止的DNA序列終止因子：協(xié)助RNA聚合酶識(shí)別終止信號(hào)的輔助蛋白質(zhì)因子抗終止因子：能夠使轉(zhuǎn)錄酶越過終止子繼續(xù)轉(zhuǎn)錄蛋白質(zhì)因子9/14/2023214、轉(zhuǎn)錄的終止RNA聚合酶到達(dá)基因轉(zhuǎn)錄終點(diǎn)不依賴ρ因子：模不依賴ρ因子9/14/202322不依賴ρ因子8/4/2023229/14/2023238/4/2023232）真核生物的轉(zhuǎn)錄終止

編碼鏈：mRNA合成一段AAUAAA，在此處酶將其切斷。

mRNA：polyA尾巴9/14/2023242）真核生物的轉(zhuǎn)錄終止編碼鏈：mRNA合成一段AAUAA二、轉(zhuǎn)錄后加工轉(zhuǎn)錄生成的RNA——初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物（前體RNA，RNA前體）無論是原核、真核生物，初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物必須經(jīng)過一定程度的加工、修飾，才能體現(xiàn)生物學(xué)功能——轉(zhuǎn)錄后加工常見形式：去除或添加核苷酸、剪切拼接等9/14/202325二、轉(zhuǎn)錄后加工轉(zhuǎn)錄生成的RNA——初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物（前體RNA原核生物轉(zhuǎn)錄后加工相對(duì)簡(jiǎn)單

mRNA：轉(zhuǎn)錄、翻譯同時(shí)進(jìn)行，一般不進(jìn)行加工修飾

tRNA、rRNA：加工，剪切和修飾真核生物轉(zhuǎn)錄后加工較復(fù)雜RNA轉(zhuǎn)錄在細(xì)胞核、翻譯在細(xì)胞質(zhì)，因此先轉(zhuǎn)錄，后翻譯hnRNA經(jīng)加帽、切尾，切除內(nèi)含子、拼接外顯子形成mRNARNA通過不同的加工方式，表達(dá)不同的信息9/14/202326原核生物轉(zhuǎn)錄后加工相對(duì)簡(jiǎn)單mRNA：轉(zhuǎn)錄、翻譯同時(shí)進(jìn)行，一（一）原核生物的rRNA加工E.Coli：7個(gè)rRNA的轉(zhuǎn)錄單位轉(zhuǎn)錄單位：16S、23S、5SRNA、若干tRNA基因組成16S、23S之間常由tRNA隔開9/14/202327（一）原核生物的rRNA加工E.Coli：7個(gè)rRNA的轉(zhuǎn)（二）原核生物的tRNA加工1）5‘切割2）3’切割3）3’加CCA-OH4）堿基修飾成稀有堿基（甲基化堿基、假尿苷）5）拼接（RNA酶P）9/14/202328（二）原核生物的tRNA加工1）5‘切割8/4/2023289/14/2023298/4/202329真核mRNA的剪輯真核生物的結(jié)構(gòu)基因通常是斷裂的斷裂基因（Splitgeneorinterruptedgene）表達(dá)蛋白質(zhì)的基因中間被一些不能表達(dá)蛋白質(zhì)的核苷酸序列（插入序列或內(nèi)含子）隔開，致使一個(gè)結(jié)構(gòu)基因被斷裂成若干部分，這樣的基因～(二)真核細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄后加工9/14/202330真核mRNA的剪輯真核生物的結(jié)構(gòu)基因通常是斷裂的斷裂基因（S外顯子（exon）DNA分子中編碼mRNA某一部分序列的區(qū)域；真核細(xì)胞中，結(jié)構(gòu)基因一般被若干插入順序（內(nèi)含子）隔開被隔開的每一部分均稱為外顯子內(nèi)含子（intron）基因中能被轉(zhuǎn)錄成前體轉(zhuǎn)錄物，卻不能成為mRNA組成成分的序列（插入序列，居間序列；interveningsequence）原核基因中一般（除少數(shù)外）不含內(nèi)含子真核基因均含數(shù)量不等、大小不一的內(nèi)含子9/14/202331外顯子（exon）DNA分子中編碼mRNA某一部分序列的區(qū)9/14/2023328/4/2023329/14/2023338/4/202333真核mRNA剪接：切除內(nèi)含子、拼接外顯子9/14/202334真核mRNA剪接：切除內(nèi)含子、拼接外顯子8/4/2023349/14/2023358/4/2023359/14/2023368/4/2023369/14/2023378/4/202337原核細(xì)胞基因表達(dá)轉(zhuǎn)錄調(diào)控方式基因表達(dá)調(diào)控概述：特定的基因在特定的時(shí)間和部位進(jìn)行特定量的表達(dá)原核生物以操縱子為單元進(jìn)行表達(dá)和調(diào)控，特異的阻遏蛋白是控制原核啟動(dòng)序列活性的重要因素。操作子：由幾個(gè)功能相關(guān)的調(diào)控結(jié)構(gòu)基因及其調(diào)控區(qū)組成一個(gè)基因表達(dá)的協(xié)同單位。啟動(dòng)子：結(jié)合RNA聚合酶操縱區(qū)：控制RNA聚合酶能否通過的“開關(guān)”阻遏基因：位于調(diào)控區(qū)上游，能夠轉(zhuǎn)錄為阻遏物9/14/202338原核細(xì)胞基因表達(dá)轉(zhuǎn)錄調(diào)控方式基因表達(dá)調(diào)控概述：特定的基因在特原核細(xì)胞轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)——操縱子學(xué)說乳糖操縱子（誘導(dǎo)操縱子）的調(diào)節(jié)機(jī)制色氨酸操縱子（阻遏操縱子）的調(diào)節(jié)機(jī)制9/14/202339原核細(xì)胞轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)——操縱子學(xué)說乳糖操縱子（誘導(dǎo)操縱子）乳糖操縱子(lacoperon)調(diào)控區(qū)阻遏基因啟動(dòng)子操縱區(qū)結(jié)構(gòu)基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶ZYAOPDNAI9/14/202340乳糖操縱子(lacoperon)調(diào)控區(qū)阻遏基因啟動(dòng)子操縱阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)

當(dāng)無誘導(dǎo)物乳糖存在時(shí)，調(diào)節(jié)基因編碼的阻遏蛋白（repressorprotein）處于活性狀態(tài)，阻止RNA聚合酶與啟動(dòng)基因的結(jié)合，則無法啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄。當(dāng)有乳糖存在時(shí)，乳糖進(jìn)入細(xì)胞，經(jīng)β－半乳糖苷酶催化，轉(zhuǎn)變?yōu)榘肴樘?。后者作為一種誘導(dǎo)劑分子結(jié)合阻遏蛋白，使蛋白構(gòu)象變化，導(dǎo)致阻遏蛋白與O序列解離、轉(zhuǎn)錄發(fā)生。9/14/202341阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)8/4/202341mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時(shí)阻遏基因與操縱區(qū)結(jié)合，RNA聚合酶則不起作用，不轉(zhuǎn)錄乳糖操縱子：乳糖可作為誘導(dǎo)物，誘導(dǎo)分解利用乳糖的酶的基因轉(zhuǎn)錄9/14/202342mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時(shí)阻遏基mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時(shí)IDNAZYAOPpol啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶9/14/202343mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時(shí)IDNAZYAOPpol啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄CAP（分解代謝基因活化蛋白）的正性調(diào)節(jié)

當(dāng)沒有葡萄糖及cAMP濃度較高時(shí)，cAMP與CAP結(jié)合，可刺激RNA轉(zhuǎn)錄活性。葡萄糖的分解代謝產(chǎn)物能降低cAMP的濃度，CAP不能被活化形成CAP－cAMP復(fù)合物，則不能轉(zhuǎn)錄。lac阻遏蛋白負(fù)性調(diào)節(jié)與CAP正性調(diào)節(jié)兩種機(jī)制協(xié)調(diào)合作：當(dāng)Lac阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時(shí)，CAP對(duì)該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用；但是如果沒有CAP存在來加強(qiáng)轉(zhuǎn)錄活性，即使阻遏蛋白從操縱序列上解聚仍幾無轉(zhuǎn)錄活性。

lac操縱子強(qiáng)的誘導(dǎo)作用既需要乳糖存在又需缺乏葡萄糖。9/14/202344CAP（分解代謝基因活化蛋白）的正性調(diào)節(jié)8/4/20234阻遏蛋白操縱區(qū)結(jié)構(gòu)基因調(diào)節(jié)基因mRNA酶蛋白阻遏蛋白不能與操縱區(qū)結(jié)合，所以通常結(jié)構(gòu)基因表達(dá)。酶代謝產(chǎn)物一旦大量積累阻遏蛋白被產(chǎn)物激活，結(jié)構(gòu)基因不表達(dá)。原核生物基因主要是轉(zhuǎn)錄控制。Trp操縱子----產(chǎn)物阻遏常規(guī)酶的合成9/14/202345阻遏蛋白操縱區(qū)結(jié)構(gòu)基因調(diào)節(jié)基因mRNA酶蛋白阻遏蛋白不能與操真核細(xì)胞基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控順式作用元件(cis-actingelements)

真核基因的順式調(diào)控元件是基因周圍能與特異轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合而影響轉(zhuǎn)錄的DNA序列。其中主要是起正性調(diào)控作用的順式作用元件，包括啟動(dòng)子(promoter)、增強(qiáng)子(enhancer)。9/14/202346真核細(xì)胞基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控順式作用元件(cis-actinge反式作用因子(trans-actingfactors)與順式作用元件進(jìn)行特異性結(jié)合的蛋白質(zhì)因子TBP(TATAboxbindingprotein)是唯一能識(shí)別TATA盒并與其結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子，是三種RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄時(shí)都需要的；不同基因由不同的上游啟動(dòng)子元件組成，能與不同的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合，這些轉(zhuǎn)錄因子通過與基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)錄復(fù)合體作用而影響轉(zhuǎn)錄的效率。同一DNA序列可被不同的蛋白因子所識(shí)別；能直接結(jié)合DNA序列的蛋白因子是少數(shù)，但不同的蛋白因子間可以相互作用，因而多數(shù)轉(zhuǎn)錄因子是通過蛋白質(zhì)－蛋白質(zhì)間作用與DNA序列聯(lián)系并影響轉(zhuǎn)錄效率的9/14/202347反式作用因子(trans-actingfactors)8/蛋白質(zhì)的鋅指結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)錄調(diào)控的實(shí)質(zhì)在于蛋白質(zhì)與DNA、蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間的相互作用

堿性亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)及其與DNA的結(jié)合

9/14/202348蛋白質(zhì)的鋅指結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)錄調(diào)控的實(shí)質(zhì)在于蛋白質(zhì)與DNA、蛋白質(zhì)與逆轉(zhuǎn)錄：以RNA為模板合成DNA以病毒RNA為模板，以dNTP為原料，由逆轉(zhuǎn)錄酶催化，按堿基配對(duì)規(guī)律合成DNA的過程逆轉(zhuǎn)錄酶：依賴于RNA模板，具有催化合成DNA的活性——依賴RNA的DNA聚合酶RNA單鏈DNA（cDNA）雙鏈DNA插入寄主DNA逆轉(zhuǎn)錄酶：RNA病毒——潛在的致癌可能9/14/20