核酸的生物合成

關(guān)于核酸的生物合成一、DNA指導(dǎo)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(dòng)子和轉(zhuǎn)錄因子（五）終止子和終止因子第2頁,共57頁，2024年2月25日，星期天DNA和RNA合成的異同基本化學(xué)機(jī)制相同：兩者都由模板指導(dǎo)；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(bǔ)雙鏈DNA中的一條鏈為模板；無糾錯(cuò)功能。第3頁,共57頁，2024年2月25日，星期天（一）轉(zhuǎn)錄的概念

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

的過程。RNA的轉(zhuǎn)錄從DNA模板的特定位點(diǎn)開始，并在一定的位點(diǎn)終止。此轉(zhuǎn)錄區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)轉(zhuǎn)錄單位。

啟動(dòng)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,共57頁，2024年2月25日，星期天大腸桿菌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(dòng)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,共57頁，2024年2月25日，星期天TheE.coliRNApolymeraseholoenzymeconsistsofsixsubunits:

a2bb’

s.PossiblecatalyticsubunitsPromoterspecificityEnzymeassembly,promoterrecognition,activatorbindingRoleunknown（notneededinvitro）36.5kDa15115511kDa(32-90kDa)第6頁,共57頁，2024年2月25日，星期天RNA聚合酶催化的反應(yīng)ACGACGUU模板DNA5′3′5′3′新合成RNA第7頁,共57頁，2024年2月25日，星期天（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(dá)基因終點(diǎn)延長(zhǎng)階段5

3

RNA

啟動(dòng)子

終止子5

RNA聚合酶

5

3

5

3

5

5

3

離開第8頁,共57頁，2024年2月25日，星期天RNA鏈的延伸圖解3′5′RNA-DNA雜交螺旋聚合酶的移動(dòng)方向新生RNA復(fù)鏈解鏈有義鏈模板鏈（反義鏈）延長(zhǎng)部位第9頁,共57頁，2024年2月25日，星期天第10頁,共57頁，2024年2月25日，星期天第11頁,共57頁，2024年2月25日，星期天RNA合成發(fā)生在DNA模板上一個(gè)“移動(dòng)”的轉(zhuǎn)錄泡在整個(gè)轉(zhuǎn)錄過程中只有一個(gè)較短的DNA－RNA雜交分子（在細(xì)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(fù)超螺旋。第12頁,共57頁，2024年2月25日，星期天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(yùn)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(dòng)子不同轉(zhuǎn)錄后RNA加工修飾不同第13頁,共57頁，2024年2月25日，星期天真核生物RNA聚合酶第14頁,共57頁，2024年2月25日，星期天（四）啟動(dòng)子和轉(zhuǎn)錄因子

啟動(dòng)子(promoter)是指RNA聚合酶識(shí)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(cè)序法可以確定啟動(dòng)子的序列結(jié)構(gòu)。

例：大腸桿菌啟動(dòng)子共有序列的功能第15頁,共57頁，2024年2月25日，星期天大腸桿菌啟動(dòng)子共有序列的功能××AGTCTTGACA××××××××××××××××××AAT××××××××××××××TTAAAT××××××AACTGT××××AAT××××××××××××××××Pribnow框-10-35識(shí)別區(qū)16-19bp5-9bp起點(diǎn)0－10－35上游轉(zhuǎn)錄區(qū)第16頁,共57頁，2024年2月25日，星期天足跡法確定啟動(dòng)子序列

第17頁,共57頁，2024年2月25日，星期天Anactualfootprintingresult(RNApolymerasebindingtothelac.LaneCisacontrolinwhichthelabeledDNAfragmentswerecleavedwithachemicalreagentthatproducesamoreuniformbandingpattern.第18頁,共57頁，2024年2月25日，星期天AlignmentofdifferentpromotersequencesfromE.coligenes:the–10(thePribnowbox)and–35consensusregionwererevealed.SequencesofthecodingDNAstrandisconventionallyshownPresentonlyincertainhighlyexpressedgenes第19頁,共57頁，2024年2月25日，星期天s亞基使得RNA聚合酶識(shí)別特定的啟動(dòng)子序列RNA聚合酶沒有s亞基（即

a2bb’

）在啟動(dòng)子上不能開始轉(zhuǎn)錄；s亞基降低了RNA聚合酶對(duì)普通區(qū)域的親和力；E.coli包含多種s亞基識(shí)別不同的啟動(dòng)子；每種s亞基使得細(xì)胞協(xié)調(diào)表達(dá)不同的基因。第20頁,共57頁，2024年2月25日，星期天StandardHeat-shocks70forstandardpromoterss32forheat-shockpromoterss54fornitrogen-starvationpromotersE.colicontainsmultiplesfactorsforrecognizingdifferenttypesofpromotersNitrogenstarvation第21頁,共57頁，2024年2月25日，星期天CommonsequencesinpromotersrecognizedbyeukaryoticRNApolymeraseII（P462）第22頁,共57頁，2024年2月25日，星期天TranscriptioninitiationandelongationbyE.coliRNApolymerase第23頁,共57頁，2024年2月25日，星期天（五）終止子和終止因子

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

(terminationfactor)。有的終止信號(hào)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,共57頁，2024年2月25日，星期天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,共57頁，2024年2月25日，星期天Model

foranr-dependent terminator第26頁,共57頁，2024年2月25日，星期天二、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,共57頁，2024年2月25日，星期天原核生物中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,共57頁，2024年2月25日，星期天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(gè)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,共57頁，2024年2月25日，星期天早轉(zhuǎn)錄本成熟tRNA加工酵母酪氨酸t(yī)RNA前體的加工第30頁,共57頁，2024年2月25日，星期天真核細(xì)胞mRNA的加工（P476）5′端接上一個(gè)“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,共57頁，2024年2月25日，星期天5′“帽子”PolyA

3′

順反子(cistron)

m7G-5′ppp-N-3′pAAAAAAA-OH第32頁,共57頁，2024年2月25日，星期天第33頁,共57頁，2024年2月25日，星期天EMstudiesofmRNA-DNAhybridsforthechickenovalbumingene(theR-loopingtechnique)第34頁,共57頁，2024年2月25日，星期天ProcessingofeukaryoticmRNA第35頁,共57頁，2024年2月25日，星期天第36頁,共57頁，2024年2月25日，星期天（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(dá)的一個(gè)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(gè)基因可以產(chǎn)生多種蛋白質(zhì)。第37頁,共57頁，2024年2月25日，星期天降鈣素基因相關(guān)蛋白降鈣素第38頁,共57頁，2024年2月25日，星期天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,共57頁，2024年2月25日，星期天（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(duì)基因表達(dá)和細(xì)胞功能具有重要調(diào)節(jié)作用。5.RNA在生物進(jìn)化中起重要作用。第40頁,共57頁，2024年2月25日，星期天（四）RNA的降解

RNA降解是涉及到基因表達(dá)的一個(gè)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?yàn)閙RNA與其編碼基因的表達(dá)活性直接有關(guān)，不同的RNA需要以不同的速度進(jìn)行降解。AveragehalflivesofmRNAmolecules

Bacteria 1.5minutes

Vertebrates 3hours

第41頁,共57頁，2024年2月25日，星期天所有細(xì)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,共57頁，2024年2月25日，星期天

三、RNA的復(fù)制有些RNA病毒，進(jìn)入寄主細(xì)胞后，借助復(fù)制酶而進(jìn)行RNA病毒的復(fù)制。

從感染RNA病毒的細(xì)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(qiáng)，只識(shí)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(shí)合成與模板性質(zhì)相同的RNA。第43頁,共57頁，2024年2月25日，星期天噬菌體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(gè)核苷酸，編碼3-4個(gè)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,共57頁，2024年2月25日，星期天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(duì)形成雙螺旋，AUG是起始密碼子，t是終止位點(diǎn)。

外殼蛋白基因有兩個(gè)終止位點(diǎn)，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,共57頁，2024年2月25日，星期天Qβ復(fù)制酶：α、β、γ、δ四個(gè)亞基，只有β是自己編碼，其余三個(gè)亞基來自寄主細(xì)胞。噬菌體QβRNA進(jìn)入E.coli細(xì)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(bǔ)鏈為負(fù)鏈。第46頁,共57頁，2024年2月25日，星期天噬菌體Q

的合成A.負(fù)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(fù)鏈負(fù)鏈第47頁,共57頁，2024年2月25日，星期天噬菌體RNA通過回折形成大量的雙螺旋區(qū)，在此二級(jí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上還可形成緊密的三級(jí)結(jié)構(gòu)。噬菌體RNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)參與了翻譯的調(diào)節(jié)控制。當(dāng)噬菌體RNA處于天然高級(jí)結(jié)構(gòu)狀態(tài)時(shí)，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(jìn)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(shí)間和合成的量。第48頁,共57頁，2024年2月25日，星期天病毒RNA復(fù)制的主要方式（1）病毒含有正鏈RNA（2）病毒含有負(fù)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（－）RNA（±）雙鏈DNA（－）DNA（+）RNA第49頁,