第14章 RNA的生物合成

1、目目 錄錄第十四章第十四章 RNARNA的生物合成（轉(zhuǎn)錄）的生物合成（轉(zhuǎn)錄）目目 錄錄14.1 RNA生物合成的概況轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄 (transcription)生物體以生物體以DNADNA為模板合成為模板合成RNARNA的過程的過程 。 也就是把也就是把DNADNA的堿基序列抄錄成的堿基序列抄錄成RNARNA的堿基序的堿基序列。列。轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)錄錄RNADNA 目目 錄錄在細(xì)胞增殖周期的某個(gè)階段在細(xì)胞增殖周期的某個(gè)階段轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄某些特定的某些特定的基因基因（轉(zhuǎn)錄有時(shí)間和空間上的嚴(yán)格調(diào)控）成熟成熟RNA轉(zhuǎn)錄的初級(jí)轉(zhuǎn)錄的初級(jí)產(chǎn)物產(chǎn)物剪接和修飾目目 錄錄原料原料: : NTP (ATP, UTP, GTP, CT

2、P) 模板模板: : DNA酶酶: : RNA聚合酶、聚合酶、其他蛋白質(zhì)因子其他蛋白質(zhì)因子1、 DNA指導(dǎo)的指導(dǎo)的 RNA合成合成（轉(zhuǎn)錄）（轉(zhuǎn)錄）2、 RNA指導(dǎo)的指導(dǎo)的 RNA合成合成（自我復(fù)制）（自我復(fù)制）目目 錄錄目目 錄錄目目 錄錄14.2 原核生物的轉(zhuǎn)錄原核生物的RNA聚合酶含有4種亞基：目目 錄錄目目 錄錄原核生物一個(gè)轉(zhuǎn)錄區(qū)段可視為一個(gè)轉(zhuǎn)錄單原核生物一個(gè)轉(zhuǎn)錄區(qū)段可視為一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位，稱為位，稱為操縱子操縱子(operon)，包括若干個(gè)，包括若干個(gè)結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因及其上游及其上游(upstream)的的調(diào)控序列調(diào)控序列。 5 3 3 5 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因調(diào)控序列調(diào)控序列RNA-polR

3、NA聚合酶結(jié)合模板聚合酶結(jié)合模板DNA的部位，稱為的部位，稱為啟啟動(dòng)子動(dòng)子(promoter)。啟動(dòng)子是啟動(dòng)子是RNA合成的特定起合成的特定起始位點(diǎn)。始位點(diǎn)。目目 錄錄開始轉(zhuǎn)錄開始轉(zhuǎn)錄T T G A C AA A C T G T-35 區(qū)區(qū)共有序列共有序列有利于有利于DNA局部解鏈局部解鏈T A T A A T Pu A T A T T A Py-10 區(qū)區(qū)共有序列共有序列1-30-5010-10-40-205 3 3 5 原核生物啟動(dòng)子保守序列原核生物啟動(dòng)子保守序列RNA-pol辨認(rèn)位點(diǎn)辨認(rèn)位點(diǎn)5 5 RNA聚合酶結(jié)合區(qū)聚合酶結(jié)合區(qū)結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因3 3 啟動(dòng)子從啟動(dòng)子從-70延伸到延伸到+

4、30二者之間的距離影響轉(zhuǎn)錄的效率目目 錄錄2. -10序列附近的DNA雙鏈局部解開，形成轉(zhuǎn)錄泡1. RNA聚合酶全酶與模板結(jié)合 3. 在RNA聚合酶作用下發(fā)生第一次聚合反應(yīng)，形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物RNApol ( 2) - DNA - pppGpN- OH 3 轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物:5 -pppG -OH + NTP 5 -pppGpN - OH 3 + ppi目目 錄錄 RNA合成的第一個(gè)核苷酸：G 或 A 在合成8個(gè)以上核苷酸后， 亞基從轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物中脫落下來。目目 錄錄1. 亞基脫落，RNApol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

5、斷聚合，RNA鏈不斷延長。(NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPi目目 錄錄拓?fù)洚悩?gòu)酶 消除形成 轉(zhuǎn)錄泡隨轉(zhuǎn)錄過程移動(dòng)，轉(zhuǎn)錄完成部分的DNA重新形成雙鏈。 一但轉(zhuǎn)錄泡離開啟動(dòng)子一定距離，另一個(gè)RNA聚合酶即可與該啟動(dòng)子結(jié)合。目目 錄錄指指RNA聚合酶在聚合酶在DNA模板上的某一特定模板上的某一特定位置（位置（終止子終止子）停頓下來不再前進(jìn)，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物）停頓下來不再前進(jìn)，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA鏈從轉(zhuǎn)錄復(fù)合物上脫離出來。鏈從轉(zhuǎn)錄復(fù)合物上脫離出來。 轉(zhuǎn)錄終止：轉(zhuǎn)錄終止：目目 錄錄w 因子有因子有ATP酶酶活 力 和 雜 化 雙活 力 和 雜 化 雙螺 旋 解 螺 旋 酶螺 旋 解 螺 旋 酶

6、活 力 。活 力 。 可 使可 使RNA-DNA雜化雜化雙 鏈 的 短 鏈 變雙 鏈 的 短 鏈 變性 ， 從 而 有 利性 ， 從 而 有 利于 轉(zhuǎn) 錄 產(chǎn) 物 從于 轉(zhuǎn) 錄 產(chǎn) 物 從轉(zhuǎn) 錄 復(fù) 合 物 中轉(zhuǎn) 錄 復(fù) 合 物 中釋放出來。釋放出來。目目 錄錄目目 錄錄5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3 5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3 RNA 5 TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACT

7、TTTTAGTCACCAGCCTTTTT. 3 DNA UUUU. UUUU.5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3莖環(huán)莖環(huán)(stem-loop)/發(fā)夾發(fā)夾(hairpin)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)目目 錄錄14.3 真核生物的轉(zhuǎn)錄真核生物的RNA聚合酶分為三類： 它們都不能直接識(shí)別啟動(dòng)子和起始轉(zhuǎn)錄，需要反式作用因子的參與。RNA聚合酶II可認(rèn)為是真核生物中最重要的RNA聚合酶目目 錄錄羧基末端結(jié)構(gòu)域羧基末端結(jié)構(gòu)域 (carboxyl-terminal domain, CTD)RNARNA聚合酶聚合酶最大亞基的羧基末端有一段共有

8、最大亞基的羧基末端有一段共有序列為序列為( (Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Ser) )的重復(fù)序列片的重復(fù)序列片段。段。 這一序列在這一序列在RNA RNA 聚合酶聚合酶中是獨(dú)一無二的。中是獨(dú)一無二的。 所有真核生物的所有真核生物的RNARNA聚合酶聚合酶都具有都具有CTDCTD，只是共有序列的重復(fù)程度不同。只是共有序列的重復(fù)程度不同。 在去磷酸化的在去磷酸化的CTDCTD轉(zhuǎn)錄起始中發(fā)揮作用。轉(zhuǎn)錄起始中發(fā)揮作用。目目 錄錄真核生物的轉(zhuǎn)錄起始上游區(qū)段比原核生物真核生物的轉(zhuǎn)錄起始上游區(qū)段比原核生物多樣化，轉(zhuǎn)錄起始時(shí)，多樣化，轉(zhuǎn)錄起始時(shí)，RNA-pol不直接結(jié)合模不直接結(jié)合模板，其

9、起始過程比原核生物復(fù)雜。板，其起始過程比原核生物復(fù)雜。 真核生物的轉(zhuǎn)錄過程大致分為四個(gè)階段：真核生物的轉(zhuǎn)錄過程大致分為四個(gè)階段：裝配、起始、延伸和終止裝配、起始、延伸和終止 真核生物啟動(dòng)子分為三類：真核生物啟動(dòng)子分為三類：I I類、類、類、類、類類，分別分別控制控制RNARNA聚合酶聚合酶I I類、類、類、類、的轉(zhuǎn)錄起始的轉(zhuǎn)錄起始。目目 錄錄轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)TATA盒盒CAAT盒盒GC盒盒 增強(qiáng)子增強(qiáng)子順式作用元件順式作用元件（真核生物（真核生物DNA包括許多參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控的序列）包括許多參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控的序列）轉(zhuǎn)錄起始前的上游區(qū)段轉(zhuǎn)錄起始前的上游區(qū)段 AATAAA轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn)轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn) 外顯子外

10、顯子 翻譯起始點(diǎn)翻譯起始點(diǎn)內(nèi)內(nèi)含含子子 OCT-1 OCT-1：ATTTGCAT八聚體八聚體目目 錄錄 轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄因子 能直接、間接辨認(rèn)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-acting factors)。 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(transcriptional factors, TF)。 目目 錄錄參與參與RNA-pol轉(zhuǎn)錄的轉(zhuǎn)錄的TF 目目 錄錄轉(zhuǎn)錄起始前復(fù)合物轉(zhuǎn)錄起始前復(fù)合物(pre-initiation complex, PIC) 真核生物真核生物RNA-pol不與不與DNA分子直接結(jié)分子直接結(jié)合，而需

11、依靠眾多的轉(zhuǎn)錄因子。合，而需依靠眾多的轉(zhuǎn)錄因子。 目目 錄錄由由RNA-Pol 催化轉(zhuǎn)錄的催化轉(zhuǎn)錄的PIC POL-TFFHEABTBPTAFTFD-A-B-DNA復(fù)合物復(fù)合物TATAPOL-TFFABTBPTAFTATAHECTD-PPIC組裝完成組裝完成目目 錄錄真核生物轉(zhuǎn)錄延長過程與原核生物大致相真核生物轉(zhuǎn)錄延長過程與原核生物大致相似，但因有核膜相隔，似，但因有核膜相隔，沒有轉(zhuǎn)錄與翻譯同步的沒有轉(zhuǎn)錄與翻譯同步的現(xiàn)象現(xiàn)象。 RNA-pol前移處處都遇上核小體。轉(zhuǎn)錄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。延長過程中可以觀察到核小體移位和解聚現(xiàn)象。 真核生物轉(zhuǎn)錄的終

12、止機(jī)制目前尚不明確真核生物轉(zhuǎn)錄的終止機(jī)制目前尚不明確。 目目 錄錄RNA-PolRNA-PolRNA-Pol核小體核小體轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)錄錄延延長長中中的的核核小小體體移移位位轉(zhuǎn)錄方向轉(zhuǎn)錄方向目目 錄錄轉(zhuǎn)錄與復(fù)制的相似之處轉(zhuǎn)錄與復(fù)制的相似之處w 都以都以DNA為模板為模板w 需要核苷酸作原料，從需要核苷酸作原料，從5到到3延長；生成磷延長；生成磷酸二酯鍵以連接核苷酸酸二酯鍵以連接核苷酸w 都遵從堿基配對(duì)規(guī)律都遵從堿基配對(duì)規(guī)律w 都需要依賴都需要依賴DNA的聚合酶的聚合酶w 產(chǎn)物都是很長的多核苷酸產(chǎn)物都是很長的多核苷酸目目 錄錄轉(zhuǎn)錄和復(fù)制的區(qū)別轉(zhuǎn)錄和復(fù)制的區(qū)別目目 錄錄14.5 轉(zhuǎn)錄的選擇性抑制目目 錄錄1

13、4.6 轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的加工目目 錄錄目目 錄錄主要存在于線粒體、葉綠體及某些低等真核生物的 rRNA基因目目 錄錄套索樣中間體也發(fā)現(xiàn)于線粒體、葉綠體，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物是mRNA目目 錄錄 通過同樣的套索機(jī)制進(jìn)行剪接，只是需要特殊的剪接體(RNA-蛋白復(fù)合物)發(fā)揮作用。大多數(shù)mRNA基因有此類內(nèi)含子。 需要消耗ATP，由內(nèi)切核酸酶水解內(nèi)含子兩端的磷酸二酯鍵，將兩個(gè)外顯子相連起來。是tRNA基因及其初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物中的內(nèi)含子屬于此類。目目 錄錄 原核生物rRNA基因經(jīng)轉(zhuǎn)錄后形成30S的前體rRNA，經(jīng)切割形成rRNA和tRNA前體，然后經(jīng)特異酶的切割，釋放出成熟的有功能的rRNA和tRNA。哺乳動(dòng)物基因轉(zhuǎn)錄：+不

14、同生物的rRNA前體大小不同（1）原核生物tRNA前體的加工含有附加序列的含有附加序列的tRNA前體前體RNA polTGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNARNaseP、切除附加序列（1 1）（1 1）（3 3）（2 2）（4 4）目目 錄錄（2）真核生物tRNA前體的加工真核生物tRNA基因數(shù)目比原核生物多轉(zhuǎn)錄出的都是tRNA前體真核生物tRNA前體的加工需要切除內(nèi)含子目目 錄錄 原核生物轉(zhuǎn)錄出的mRNA無需加工，在轉(zhuǎn)錄尚未完成時(shí)就能進(jìn)行翻譯。 真核生物核內(nèi)轉(zhuǎn)錄的初級(jí)mRNA稱為雜化核RNA (hnRNA)，需要經(jīng)過加工才能生成成熟的mRNA。雞卵清蛋白雞卵清蛋白基因基因hnRN

15、A首、尾修飾首、尾修飾hnRNA剪接剪接成熟的成熟的mRNA雞雞卵卵清清蛋蛋白白基基因因及及其其轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)錄、錄、轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)錄錄后后修修飾飾5 GpppGpGTP ppi鳥苷酸轉(zhuǎn)鳥苷酸轉(zhuǎn)移酶移酶5 m7GpppGp甲基轉(zhuǎn)移酶甲基轉(zhuǎn)移酶SAM5 ppGp磷酸酶磷酸酶 Pi（1）帽子結(jié)構(gòu)的生成帽子結(jié)構(gòu)可提高mRNA的穩(wěn)定性加帽出現(xiàn)在加帽出現(xiàn)在hnRNA中，說明可能在細(xì)胞核中完成，并在剪接之前。中，說明可能在細(xì)胞核中完成，并在剪接之前。5 pppGphnRNA初級(jí)轉(zhuǎn)錄本初級(jí)轉(zhuǎn)錄本 加入加入poly A之前，先由核之前，先由核酸外切酶切去酸外切酶切去3末端一些末端一些過剩的核苷酸，然后加入過剩的核苷酸，然后加入p

16、olyA。 3端修飾也是在細(xì)胞核中，端修飾也是在細(xì)胞核中，在剪接之前進(jìn)行的。在剪接之前進(jìn)行的。 poly A的有無與長短，是的有無與長短，是維持維持mRNA作為翻譯模板作為翻譯模板的活性，以及增加的活性，以及增加mRNA本身的穩(wěn)定性。本身的穩(wěn)定性。（2）多聚A尾的生成 除去除去hnRNA中的內(nèi)含子，將外顯子連接。中的內(nèi)含子，將外顯子連接。 snRNP與與hnRNA結(jié)合成為拼接體結(jié)合成為拼接體目目 錄錄（3）mRNA的剪接snRNA與蛋白質(zhì)結(jié)合形成的小分與蛋白質(zhì)結(jié)合形成的小分子細(xì)胞核內(nèi)核蛋白顆粒子細(xì)胞核內(nèi)核蛋白顆粒GU-AG規(guī)則UACUAAC - AGUGU4U5U6E1E2U1U2U1、U4無

17、活性的剪接體UACUAAC - AGUGU6E1E2有活性的剪接體U5分支點(diǎn)保守序列剪剪接接過過程程的的二二次次轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)酯酯反反應(yīng)應(yīng)外顯子外顯子1外顯子外顯子2內(nèi)含子內(nèi)含子第一次轉(zhuǎn)酯反應(yīng)第一次轉(zhuǎn)酯反應(yīng)第二次轉(zhuǎn)酯反應(yīng)第二次轉(zhuǎn)酯反應(yīng) 選擇性剪接：同一個(gè)初級(jí)轉(zhuǎn)錄物，通過不同方式的剪接，可得到不同的mRNA產(chǎn)物。（4）選擇性剪接和反式剪接選擇性剪接主要類型：外顯子跨越（缺失）外顯子延長內(nèi)含子保留外顯子交替 一般轉(zhuǎn)錄后，加工主要進(jìn)行順式剪接，即發(fā)生在同一個(gè)RNA前體分子內(nèi)部的剪接。 少數(shù)生物體內(nèi)發(fā)生反式剪接，即發(fā)生在兩種RNA前體分子之間的剪接。 RNA編輯作用說明，基因的編碼序列經(jīng)過轉(zhuǎn)錄后加工，編輯作用說

18、明，基因的編碼序列經(jīng)過轉(zhuǎn)錄后加工，是可有多用途分化的，因此也稱為分化加工。是可有多用途分化的，因此也稱為分化加工。人類載脂蛋白基因（人類載脂蛋白基因（apo B） mRNA（14500個(gè)核苷酸）個(gè)核苷酸）肝臟肝臟apo B100（分子量為（分子量為500 000）腸道細(xì)胞腸道細(xì)胞apo B48（分子量為（分子量為240 000）mRNA編輯編輯 RNA編輯：指mRNA轉(zhuǎn)錄后，通過堿基替換、插入或缺失改變遺傳信息，從而表達(dá)出不同蛋白質(zhì)的過程。目目 錄錄14.7 RNA復(fù)制目目 錄錄u含有(+)RNA，進(jìn)入宿主細(xì)胞后，首先合成RNA聚合酶和相關(guān)蛋白，后以(+)RNA為模板復(fù)制，最后由病毒RNA和蛋白質(zhì)組裝成病毒顆粒。例如：噬菌體Q目目 錄錄u(-)