華農(nóng)第16章RNA生物合成

第16章

RNA生物合成一、教學(xué)大綱基本要求轉(zhuǎn)錄過程中的RNA聚合酶，啟動子和轉(zhuǎn)錄因子，終止子和終止因子，轉(zhuǎn)錄過程的調(diào)節(jié)控制。轉(zhuǎn)錄后的加工，原核生物RNA加工，真核生物RNA的加工，RNA的拼接和催化機(jī)理。RNA的復(fù)制，噬菌體QβRNA的復(fù)制，病毒RNA復(fù)制的主要方法。RNA指導(dǎo)DNA的合成，反轉(zhuǎn)錄酶，病毒RNA的反轉(zhuǎn)錄，反轉(zhuǎn)錄的生物學(xué)意義。RNA生物合成的抑制，嘌呤和嘧啶類似物，DNA模板功能的抑制劑。二、本章知識要點(diǎn)(一)DNA指導(dǎo)下RNA的合成:1.轉(zhuǎn)錄的基本概念在DNA指導(dǎo)下RNA的合成稱為轉(zhuǎn)錄。轉(zhuǎn)錄中充當(dāng)模板的DNA單鏈稱為模板鏈、反意義鏈或（-）鏈，另一條與之互補(bǔ)的DNA鏈稱為編碼鏈、有意義鏈或（+）鏈。轉(zhuǎn)錄一個mRNA分子的DNA片段稱為一個轉(zhuǎn)錄單位。攜帶一條多肽鏈（或一條rRNA和tRNA鏈）所需信息的DNA片段稱為一個基因（或順反子）。原核細(xì)胞中大多數(shù)轉(zhuǎn)錄單位為多順反子，真核細(xì)胞的大多數(shù)mRNA為單順反子的產(chǎn)物。轉(zhuǎn)錄僅以DNA一條鏈的某一區(qū)段為模板，因而稱為不對稱轉(zhuǎn)錄。轉(zhuǎn)錄在DNA上特定的部位開始，至另一端的特定部位終止，是在DNA模板指導(dǎo)下，按堿基互補(bǔ)的原則，由RNA聚合酶催化完成的。2.RNA聚合酶

RNA聚合酶要求以4種核苷三磷酸作為底物，并需要DNA作為模板，Mg2+能促進(jìn)反應(yīng)，RNA鏈的合成方向也是5ˊ→3ˊ。反應(yīng)是可逆的，焦磷酸的分解可推動反應(yīng)趨向聚合。RNA聚合酶催化的反應(yīng)無需引物，也無校對功能。大腸桿菌的RNA聚合酶只有一種，催化3類RNA的合成。RNA聚合酶全酶有5個亞基(α2ββˊσ

)組成，σ亞基可識別并使全酶穩(wěn)定結(jié)合于啟動子部位（轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游-35序列和-10序列），開始轉(zhuǎn)錄；沒有σ亞基的酶為核心酶（α2ββ’），負(fù)責(zé)RNA鏈的延伸。真核生物的RNA聚合酶有3種：I、II和III。它們分別轉(zhuǎn)錄rRNA、mRNA和小分子量RNA。利用α-鵝膏蕈堿的抑制作用可以區(qū)分這三類RNA聚合酶。3.啟動子和轉(zhuǎn)錄因子

啟動子是RNA聚合酶識別、結(jié)合和開始轉(zhuǎn)錄的一段DNA序列。原核生物的啟動子有兩個保守序列，位于-10的Pribriow框，和位于-35的識別區(qū)。真核生物的啟動子有3類，分別由RNA聚合酶I、Ⅱ和Ⅲ進(jìn)行轉(zhuǎn)錄。RNA聚合酶不能直接識別和結(jié)合到啟動子上，而需借助于轉(zhuǎn)錄因子和輔助轉(zhuǎn)錄因子才能在起點(diǎn)上形成前起始復(fù)合物進(jìn)行轉(zhuǎn)錄。類別I啟動子包括核心啟動子和上游控制元件兩部分，需要UBFl和SLl因子參與作用。

類別Ⅱ啟動子包括四類控制元件：基本啟動子、起始子、上游元件和應(yīng)答元件。識別這些元件的反式因子有通用轉(zhuǎn)錄因子、上游轉(zhuǎn)錄因子和可誘導(dǎo)的因子。類別Ⅲ啟動子有兩類：上游啟動子和基因內(nèi)啟動子，分別由裝配因子和起始因子促進(jìn)轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成和轉(zhuǎn)錄。4.終止子和終止因子

轉(zhuǎn)錄的終止控制元件為終止子，是基因末端一段特殊的序列，它使RNA聚合酶在模板上的移動減慢，停止RNA的合成。終止子的輔助因子為終止因子。大腸桿菌有兩類終止子：依賴于rho因子的終止子和不依賴于rho的終止子。終止子還可用于控制下游基因的表達(dá)。

5.轉(zhuǎn)錄過程的調(diào)節(jié)控制

轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)是基因表達(dá)調(diào)節(jié)的重要環(huán)節(jié)，包括時(shí)序調(diào)節(jié)和適應(yīng)調(diào)節(jié)。原核生物基因組成操縱子既是表達(dá)單位，也是協(xié)同調(diào)節(jié)的單位;它包括在功能上彼此相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因和控制部位（操縱基因和啟動子），可接受調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物質(zhì)(阻遏蛋白)的調(diào)節(jié)。原核生物基因表達(dá)調(diào)節(jié)有正調(diào)節(jié)和負(fù)調(diào)節(jié)，以負(fù)調(diào)節(jié)為主。受一種調(diào)節(jié)蛋白所控制的調(diào)節(jié)系統(tǒng)稱為調(diào)節(jié)子。不同調(diào)節(jié)系統(tǒng)間形成調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)。乳糖操縱子是酶合成誘導(dǎo)型操縱子。它分別受降解物基因活化蛋白和阻遏蛋白的正負(fù)調(diào)控。Trp操縱子屬于酶合成型操縱子。它除了受操縱基因（阻遏物）的調(diào)節(jié)外，還有另一種轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)節(jié)基因即衰減子。衰減作用是比阻遏物更精細(xì)的調(diào)節(jié)。真核生物基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)包括基因的活化、轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成、反式作用因子（即對轉(zhuǎn)錄起重要調(diào)節(jié)作用的許多核蛋白）的相互作用和順式作用元件（指基因5′端上游區(qū)域那些與基因表達(dá)調(diào)控有關(guān)的順序，這些順序均與基因處于順式位置）的順序。真核生物的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)與原核生物有相同之處，也有顯著的不同。①真核生物基因不組成操縱子；②真核生物存在大量順式元件和反式因子，調(diào)節(jié)更復(fù)雜；③真核生物的調(diào)節(jié)以正調(diào)節(jié)為主，可誘導(dǎo)因子以共價(jià)修飾為主；④真核生物具有染色質(zhì)結(jié)構(gòu)水平上的調(diào)節(jié)。上游調(diào)節(jié)因子通常有3個結(jié)構(gòu)域：DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域、轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域和二聚化結(jié)構(gòu)域。最常見的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域有：螺旋—轉(zhuǎn)角—螺旋、鋅指、堿性螺旋—突環(huán)—螺旋以及堿性亮氨酸拉鏈。增強(qiáng)子能在很遠(yuǎn)距離對啟動子產(chǎn)生影響，不論在啟動子上游或下游都有作用，作用無方向性，無生物種族特異性，但受發(fā)育影響。從本質(zhì)上講，增強(qiáng)子與上游元件起同樣作用。（二）轉(zhuǎn)錄后的加工1.原核生物RNA加工

除原核生物mRNA外，其它各類RNA在轉(zhuǎn)錄后需要經(jīng)過一系列復(fù)雜的加工過程才能成為成熟的RNA分子。原核生物的穩(wěn)定RNA(rRNA和tRNA)存在切割、修剪、附加、修飾和異構(gòu)化等加工過程，mRNA一般在轉(zhuǎn)錄的同時(shí)即能進(jìn)行翻譯，不存在加工作用。2.真核生物RNA的加工

在真核生物中，編碼大多數(shù)蛋白質(zhì)的基因?yàn)椴贿B續(xù)基因（或稱隔裂基因），即包含編碼序列（又稱外顯子，extron）和非編碼序列（又稱內(nèi)含子，intron），外顯子被內(nèi)含子隔裂成若干片段，二者一起被轉(zhuǎn)錄。真核生物轉(zhuǎn)錄的mRNA前體分子在核內(nèi)加工形成分子大小不等的中間產(chǎn)物，被稱為核不均一RNA（即hnRNA）；其中有一部分可轉(zhuǎn)變成細(xì)胞質(zhì)的成熟mRNA。mRNA存在特殊結(jié)構(gòu)。由hnRNA轉(zhuǎn)變?yōu)閙RNA的加工過程包括：①5′端形成特殊的帽子結(jié)構(gòu)（m7G5′ppp5′NmpNp-）；②3′端加上polyA尾巴；③通過拼接去除內(nèi)含子相應(yīng)序列；④鏈內(nèi)部核苷被甲基化。真核生物通過RNA的拼接、編輯和再編碼等信息加工過程，可以抽提有用信息，消除錯誤，適應(yīng)調(diào)節(jié)和選擇性的表達(dá)。這類加工還有利于生物進(jìn)化。3.RNA的拼接和催化機(jī)理

大多數(shù)真核基因是斷裂基因，其轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物需通過拼接，去除非編碼區(qū)（即內(nèi)含子，intron），使編碼區(qū)（外顯子，exon）連接成連續(xù)序列。這是基因表達(dá)調(diào)控的一個重要環(huán)節(jié)。RNA的拼接有類型I自我拼接、類型II自我拼接、核mRNA的拼接體的拼接、核tRNA的酶促拼接4種方式。類型I和類型II自我拼接都不需蛋白酶的參與，其內(nèi)含子本身具有催化功能（稱為核酶），能夠自我完成拼接。二者差別在于前者需要游離鳥苷酸（或鳥苷）存在，游離鳥苷酸3′-羥基攻擊內(nèi)含子5′-磷酸基引起轉(zhuǎn)酯反應(yīng)；而后者的轉(zhuǎn)酯反應(yīng)無需游離鳥苷酸（或鳥苷）的發(fā)動，是由內(nèi)含子靠近3′端的腺苷酸2′-羥基攻擊5′-磷酸基引起的。核mRNA前體（既hnRNA）的拼接過程與類型II內(nèi)含子的拼接基本相同，其差別在于前者由拼接體完成，而后者由內(nèi)含子自我催化完成。拼接體是由U1、U2、U4-6snRNP（核糖核蛋白）以及一些拼接因子在RNA的拼接位點(diǎn)逐步裝配而。核內(nèi)tRNA的酶促拼接反應(yīng)分兩步進(jìn)行，分別由不同的酶催化。第一步是由一個特殊核酸內(nèi)切酶斷裂磷酸二酯鍵，切去插入序列，反應(yīng)不需要ATP。第二步需要ATP，由RNA連接酶催化失竊開的使切開的tRNA兩部分共價(jià)連接。（三）RNA的復(fù)制RNA也可以成為遺傳信息的基本攜帶分子。例如，一些病毒的基因組為RNA分子，含有特異的RNA復(fù)制酶，可以在RNA指導(dǎo)下合成RNA。RNA通過復(fù)制將遺傳信息由親代分子傳遞給子代分子。噬菌體QβRNA復(fù)制酶對模板有很高的特異性，只識別病毒自身的RNA，對寄主細(xì)胞或其它病毒的RNA均無反應(yīng)；并且對RNA的復(fù)制和翻譯，正鏈和負(fù)鏈的數(shù)量等存在調(diào)節(jié)控制作用。噬菌體QβRNA為正鏈，當(dāng)它侵入大腸桿菌細(xì)胞后，可以直接進(jìn)行與病毒繁殖有關(guān)的蛋白質(zhì)的合成。在噬菌體特異的復(fù)制酶裝配好后，酶就吸附到正鏈RNA的3ˊ末端，以正鏈為模板合成出負(fù)鏈RNA，直至合成進(jìn)程結(jié)束，負(fù)鏈從模板上釋放。同樣的酶又吸附到負(fù)鏈RNA的3ˊ末端，并以負(fù)鏈為模板合成正鏈。兩條鏈都是由5ˊ→3ˊ方向延長。病毒RNA復(fù)制方式可以歸為下列幾類。①正鏈RNA病毒進(jìn)入宿主細(xì)胞后首先合成復(fù)制酶及有關(guān)蛋白，然后在復(fù)制酶的作用下進(jìn)行病毒RNA的復(fù)制，最后由病毒RNA和蛋白質(zhì)裝配成病毒顆粒；②負(fù)鏈RNA病毒侵入細(xì)胞后，借助于病毒帶進(jìn)去的復(fù)制酶合成出正鏈RNA，再以正鏈RNA為模板合成病毒蛋白和復(fù)制病毒RNA；③雙鏈RNA病毒在病毒復(fù)制酶的作用下通過不對稱轉(zhuǎn)錄先合成出正鏈RNA，并以正鏈RNA為模板翻譯成病毒蛋白質(zhì)，然后再合成負(fù)鏈RNA，形成雙鏈RNA分子。（四）RNA指導(dǎo)下DNA的合成

1.反轉(zhuǎn)錄酶

以RNA為模板合成DNA的過程稱為逆轉(zhuǎn)錄，由逆轉(zhuǎn)錄酶催化。逆轉(zhuǎn)錄酶是依賴RNA的DNA聚合酶，催化以RNA為模板的DNA合成。逆轉(zhuǎn)錄酶最初發(fā)現(xiàn)于致癌RNA病毒。該酶為多功能酶，能以RNA為模板合成第一條cDNA鏈(逆轉(zhuǎn)錄酶活性)，水解除去RNA-DNA雜合分子中的RNA(RNaseH活性)，再以DNA鏈為模板合成雙鏈DNA(DNA聚合酶活性)。病毒RNA的逆轉(zhuǎn)錄要求特定tRNA為引物。逆轉(zhuǎn)錄酶無校正功能，因此錯誤率較高。逆轉(zhuǎn)錄過程共有10步反應(yīng)，其中有兩次逆轉(zhuǎn)錄酶在模板上的轉(zhuǎn)移或稱為跳躍。逆轉(zhuǎn)錄的結(jié)果在前病毒的兩端出現(xiàn)兩個長末端重復(fù)(即U3-R-U5)，這是末端重復(fù)逆轉(zhuǎn)錄和復(fù)制所致。長末端重復(fù)序列中含有整合位點(diǎn)、加工位點(diǎn)以及啟動子和增強(qiáng)子序列，對于前病毒的整合和表達(dá)十分重要。2.病毒RNA的反轉(zhuǎn)錄

逆轉(zhuǎn)錄病毒能夠轉(zhuǎn)導(dǎo)宿主DNA序列。如果病毒攜帶了細(xì)胞的原癌基因，使其高水平表達(dá)或失去調(diào)控即成為癌基因。人免疫缺損病毒主要侵染T淋巴細(xì)胞，它在感染后即殺死宿主細(xì)胞，造成獲得性免疫缺損綜合征(AIDS)。逆轉(zhuǎn)錄過程的研究不僅揭示了DNA和RNA之間的關(guān)系，而且也為RNA病毒致癌