RNA的生物合成動(dòng)物生化

RNA的生物合成動(dòng)物生化第1頁/共54頁第一節(jié)轉(zhuǎn)錄的概念和轉(zhuǎn)錄模板轉(zhuǎn)錄RNADNA

一、轉(zhuǎn)錄(transcription)

以DNA為模板，在RNA聚合酶（RNApolymerase）的作用下合成mRNA，將遺傳信息從DNA分子上轉(zhuǎn)移到mRNA分子上，這一過程稱為轉(zhuǎn)錄。

生物體以DNA為模板合成RNA的過程。

第2頁/共54頁參與轉(zhuǎn)錄的物質(zhì)原料:

NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)模板:

DNA酶:

RNA聚合酶(RNApolymerase,RNA-pol)其他蛋白質(zhì)因子第3頁/共54頁5′···GCAGTACATGTC···3′3′···cgtgatgtacag···5′5′···GCAGUACAUGUC···3′N······Ala·Val·His·Val······C編碼鏈(+)模板鏈(-)mRNA蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄翻譯二、轉(zhuǎn)錄模板

第4頁/共54頁不對(duì)稱轉(zhuǎn)錄(asymmetrictranscription)

在DNA分子雙鏈上某一區(qū)段，一股鏈用作模板指引轉(zhuǎn)錄，另一股鏈不轉(zhuǎn)錄；模板鏈并非永遠(yuǎn)在同一條單鏈上。第5頁/共54頁5335模板鏈編碼鏈編碼鏈模板鏈結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄方向轉(zhuǎn)錄方向第6頁/共54頁核心酶(coreenzyme)全酶(holoenzyme)第二節(jié)原核生物基因的轉(zhuǎn)錄一、原核生物的RNA聚合酶第7頁/共54頁RNA聚合酶全酶在轉(zhuǎn)錄起始區(qū)的結(jié)合第8頁/共54頁酶的連接和裝配亞基

分子量

每分子酶中所含數(shù)目

功能α365122β1506181與底物NTP結(jié)合，延長多核苷酸鏈β′1556131結(jié)合DNA模板σ702631辨認(rèn)起始位點(diǎn)原核生物的RNA聚合酶β利福平作用部位ω100001

未知第9頁/共54頁原核生物一個(gè)轉(zhuǎn)錄區(qū)段可視為一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位，稱為操縱子(operon)，包括若干個(gè)結(jié)構(gòu)基因及其上游(upstream)的調(diào)控序列。

5335結(jié)構(gòu)基因調(diào)控序列RNA-pol模板DNA上結(jié)合RNA聚合酶的部位，稱為啟動(dòng)子(promoter)。二、原核生物啟動(dòng)子第10頁/共54頁開始轉(zhuǎn)錄TTGACAAACTGT-35區(qū)(Pribnowbox)TATAATPuATATTAPy-10區(qū)1-30-5010-10-40-205335RNA-pol辨認(rèn)位點(diǎn)(recognitionsite)

55RNA聚合酶識(shí)別區(qū)結(jié)構(gòu)基因33第11頁/共54頁1）轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始需解決兩個(gè)問題：RNA聚合酶必須準(zhǔn)確地結(jié)合在轉(zhuǎn)錄模板的起始區(qū)域。DNA雙鏈解開，使其中的一條鏈作為轉(zhuǎn)錄的模板。三、原核生物的轉(zhuǎn)錄過程第12頁/共54頁2.DNA雙鏈解開1.RNA聚合酶全酶(2ω)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-DNA-pppGpN-OH3轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物:5-pppG-OH+

NTP

5-pppGpN

-OH3+ppi轉(zhuǎn)錄起始過程:第13頁/共54頁2）轉(zhuǎn)錄延長1.亞基脫落，RNA–pol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不斷聚合，RNA鏈不斷延長。(NMP)n

+

NTP(NMP)n+1

+PPi第14頁/共54頁“轉(zhuǎn)錄泡（transcriptionbubble）”第15頁/共54頁羽毛狀現(xiàn)象

在電子顯微鏡下觀察轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象，可以看到同一DNA模板上，有長短不一的新合成的RNA鏈散開成羽毛狀圖形，這說明在同一DNA基因上可以有很多的RNA聚合酶在同時(shí)催化轉(zhuǎn)錄，生成相應(yīng)的RNA鏈。第16頁/共54頁53DNA原核生物轉(zhuǎn)錄過程中的羽毛狀現(xiàn)象核糖體RNARNA聚合酶第17頁/共54頁依賴Rho(ρ)因子的轉(zhuǎn)錄終止(缺少polyU)非依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止3）轉(zhuǎn)錄終止指RNA聚合酶在DNA模板上停頓下來不再前進(jìn)，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA鏈從轉(zhuǎn)錄復(fù)合物上脫落下來。分類第18頁/共54頁1.非依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止DNA模板上靠近終止處，有些特殊的堿基序列，轉(zhuǎn)錄出RNA后，RNA產(chǎn)物形成特殊的結(jié)構(gòu)來終止轉(zhuǎn)錄。第19頁/共54頁莖環(huán)(stem-loop)/發(fā)夾(hairpin)結(jié)構(gòu)第20頁/共54頁莖環(huán)結(jié)構(gòu)使轉(zhuǎn)錄終止的機(jī)理

使RNA聚合酶變構(gòu)，轉(zhuǎn)錄停頓；使轉(zhuǎn)錄復(fù)合物趨于解離，RNA產(chǎn)物釋放。5′pppG5335RNA-pol第21頁/共54頁ATP2.依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止第22頁/共54頁四、原核生物RNA的轉(zhuǎn)錄后加工1、mRNA

原核生物的mRNA轉(zhuǎn)錄后一般不需要加工，轉(zhuǎn)錄的同時(shí)即進(jìn)行翻譯（半壽期短）。第23頁/共54頁2.rRNA前體的加工

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

rRNA專一核酸外切酶第24頁/共54頁3、tRNA前體的加工：原核生物的tRNA轉(zhuǎn)錄后需要加工。包括：（1）由核酸內(nèi)切酶切除前體上3和5端上多余的核苷酸；（2）由核酸外切酶逐個(gè)在3切去附加序列，進(jìn)行修剪。（3）3’端添加CCAOH序列，由核苷酰轉(zhuǎn)移酶催化。（4）核苷的一些特定的堿基和戊糖進(jìn)行修飾。

第25頁/共54頁一、真核生物的RNA聚合酶

第三節(jié)真核生物基因的轉(zhuǎn)錄第26頁/共54頁TATA盒CAAT盒GC盒

增強(qiáng)子

順式作用元件

結(jié)構(gòu)基因-GCGC---CAAT---TATA轉(zhuǎn)錄起始真核生物啟動(dòng)子保守序列二、真核生物基因的啟動(dòng)子

第27頁/共54頁三、真核生物的轉(zhuǎn)錄過程1）轉(zhuǎn)錄起始真核生物的轉(zhuǎn)錄起始上游區(qū)段比原核生物多樣化，轉(zhuǎn)錄起始時(shí)，RNA-pol不直接結(jié)合模板，其起始過程比原核生物復(fù)雜。第28頁/共54頁轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)TATA盒CAAT盒GC盒

增強(qiáng)子順式作用元件(cis-actingelement)1.

轉(zhuǎn)錄起始前的上游區(qū)段AATAAA切離加尾轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn)修飾點(diǎn)外顯子翻譯起始點(diǎn)內(nèi)含子OCT-1OCT-1：ATTTGCAT八聚體第29頁/共54頁2.

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-actingfactors)。

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(transcriptionalfactors,TF)。第30頁/共54頁參與RNA-polⅡ轉(zhuǎn)錄的TFⅡ

第31頁/共54頁3.轉(zhuǎn)錄起始前復(fù)合物(pre-initiationcomplex,PIC)真核生物RNA-pol不與DNA分子直接結(jié)合，而需依靠眾多的轉(zhuǎn)錄因子才與DNA分子結(jié)合。第32頁/共54頁P(yáng)OL-ⅡTFⅡFⅡAⅡB由RNA-PolⅡ催化轉(zhuǎn)錄的PICPOL-ⅡTFⅡFⅡHⅡETBPTAFTFⅡD-ⅡA-ⅡB-DNA復(fù)合物TATAⅡAⅡBTBPTAFTATAⅡHⅡECTD-PPIC組裝完成，TFⅡH使CTD磷酸化第33頁/共54頁2）轉(zhuǎn)錄延長真核生物轉(zhuǎn)錄延長過程與原核生物大致相似，但因有核膜相隔，沒有轉(zhuǎn)錄與翻譯同步的現(xiàn)象。RNA-pol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。第34頁/共54頁5------AAUAAA-5------AAUAAA--核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAAGTGTGTG轉(zhuǎn)錄終止的修飾點(diǎn)55333加尾AAAAAAA······3mRNA3）轉(zhuǎn)錄終止——

和轉(zhuǎn)錄后修飾密切相關(guān)。第35頁/共54頁復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的區(qū)別第36頁/共54頁幾種主要的修飾方式1.剪接(splicing)2.剪切(cleavage)3.

修飾(modification)4.

添加(addition)四、真核生物RNA轉(zhuǎn)錄后的修飾第37頁/共54頁（一）mRNA的加工1.首、尾的修飾5端形成帽子結(jié)構(gòu)(m7GpppGp—)3端加上多聚腺苷酸尾巴(polyAtail)第38頁/共54頁帽子結(jié)構(gòu)第39頁/共54頁5pppGp…5GpppGp…pppGppi鳥苷酸轉(zhuǎn)移酶5

m7GpppGp…甲基轉(zhuǎn)移酶SAM帽子結(jié)構(gòu)的生成5ppGp…磷酸酶Pi第40頁/共54頁2mRNA的剪接（1）

hnRNA

和snRNA核內(nèi)的初級(jí)mRNA稱為雜化核RNA(hetero-nuclearRNA,hnRNA)snRNA(smallnuclearRNA)核內(nèi)的蛋白質(zhì)小分子核糖核酸蛋白體（并接體,splicesome）snRNA第41頁/共54頁真核生物結(jié)構(gòu)基因，由若干個(gè)編碼區(qū)和非編碼區(qū)互相間隔開但又連續(xù)鑲嵌而成，去除非編碼區(qū)再連接后，可翻譯出由連續(xù)氨基酸組成的完整蛋白質(zhì)，這些基因稱為斷裂基因。斷裂基因(splitegene)CABD編碼區(qū)A、B、C、D非編碼區(qū)第42頁/共54頁（2）外顯子(exon)和內(nèi)含子(intron)外顯子在斷裂基因及其初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物上出現(xiàn)，并表達(dá)為成熟RNA的核酸序列。內(nèi)含子隔斷基因的線性表達(dá)而在剪接過程中被除去的核酸序列。第43頁/共54頁雞卵清蛋白基因hnRNA首、尾修飾hnRNA剪接成熟的mRNA雞卵清蛋白基因及其轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后修飾第44頁/共54頁雞卵清蛋白成熟mRNA與DNA雜交電鏡示意圖DNAmRNA第45頁/共54頁（二）rRNA的轉(zhuǎn)錄后加工轉(zhuǎn)錄45S-rRNA剪接18S-rRNA5.8S和28S-rRNArDNA內(nèi)含子內(nèi)含子28S5.8S18S第46頁/共54頁（三）tRNA的轉(zhuǎn)錄后加工tRNA前體RNApolⅢTGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNA第47頁/共54頁RNAaseP、內(nèi)切酶第48頁/共54頁tRNA核苷酸轉(zhuǎn)移酶、連接酶ATPADP第49頁/共54頁堿基修飾（2）還原反應(yīng)如：UDHU

（3）核苷內(nèi)的轉(zhuǎn)位反應(yīng)如：Uψ（4）脫氨反應(yīng)如：AI

如：AAm（1）甲基化（1）（1）（3）（2）（4）第50頁/共54頁轉(zhuǎn)錄過程的選擇性抑