遺傳信息傳遞-RNA的生物合成（生物化學(xué)課件）

RNA轉(zhuǎn)錄體系首先，認(rèn)識(shí)RNA轉(zhuǎn)錄體系包括：DNA模板四種核糖核苷酸（NTP）RNA聚合酶某些蛋白質(zhì)因子及必要的無(wú)機(jī)離子轉(zhuǎn)錄因子（TF）和ρ因子（一）RNA轉(zhuǎn)錄的特征以DNA一條鏈的片斷為模板

稱為模板鏈1.模板另一條鏈稱為編碼鏈轉(zhuǎn)錄的不對(duì)稱性5CGCTATAGCGTTT3DNA編碼鏈3GCGATATCGCAAA5

DNA模板鏈5CGCUAUAGCGUUU3RNA轉(zhuǎn)錄物模板鏈并非永遠(yuǎn)在同一條單鏈上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2.參與轉(zhuǎn)錄的酶原核生物只有1種RNA聚合酶真核生物具有3種不同的RNA聚合酶，RNA聚合酶Ⅰ、RNA聚合酶Ⅱ和RNA聚合酶Ⅲ以大腸桿菌RNA聚合酶為例……核心酶(coreenzyme)全酶(holoenzyme)RNA聚合酶是多亞基酶大腸桿菌RNA聚合酶

亞基能特異性地識(shí)別DNA模板鏈上的起始部位。2.真核生物的RNA聚合酶：3種RNApolⅠ：催化rRNA前體的生成RNApolⅡ：催化mRNA前體—hnRNA生成RNApolⅢ：催化tRNA前體、5SrRNA和小RNA生成3.RNA轉(zhuǎn)錄的方向RNA聚合酶通過(guò)在RNA的3-羥基端加入核苷酸延長(zhǎng)RNA鏈，以5

到3方向合成RNA。4.其它特征RNA聚合酶不需要引物就能直接啟動(dòng)RNA鏈的延長(zhǎng)。在RNA合成中會(huì)形成RNA-DNA雜合雙螺旋和轉(zhuǎn)錄泡的特殊結(jié)構(gòu)。RNA聚合酶向前移動(dòng)時(shí)，DNA雙螺旋伴有拓?fù)鋵W(xué)的結(jié)構(gòu)變化。

RNA聚合酶和DNA的特殊序列——啟動(dòng)子結(jié)合后，就能啟動(dòng)RNA合成。（一）轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始需解決兩個(gè)問(wèn)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。一、原核生物的轉(zhuǎn)錄過(guò)程2.DNA雙鏈解開1.RNA聚合酶全酶(2)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-OH3轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物:5-pppG-OH+

NTP5-pppGpN

-OH3+ppi轉(zhuǎn)錄起始過(guò)程轉(zhuǎn)錄起始中的事件解鏈形成轉(zhuǎn)錄空泡為首的為三磷酸GTP或ATP轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物(RNA-聚合酶全酶-DNA-pppGpN’-OH)第一個(gè)磷酯鍵形成后，亞基從轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物中脫落下來(lái)。RNA聚合酶沿DNA鏈向前移動(dòng)。轉(zhuǎn)錄空泡(transcriptionbubble)：RNA-pol（核心酶）

····DNA

····RNA（二）轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)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(zhǎng)。(NMP)n

+

NTP(NMP)n+1

+PPi轉(zhuǎn)錄的延長(zhǎng)轉(zhuǎn)錄的延長(zhǎng)是以5’到3’的方向進(jìn)行的。(NMP)n+NTP(NMP)n+1+PPi以G=C、A=U、T=A堿基配對(duì)。轉(zhuǎn)錄完成部分的DNA重新形成雙鏈。較長(zhǎng)的RNA鏈上有核糖體結(jié)合，說(shuō)明在某些情況下，轉(zhuǎn)錄的同時(shí)，翻譯已經(jīng)開始進(jìn)行了。轉(zhuǎn)錄的過(guò)程轉(zhuǎn)錄的延長(zhǎng)53DNA原核生物轉(zhuǎn)錄過(guò)程中的羽毛狀現(xiàn)象核糖體RNARNA聚合酶（三）轉(zhuǎn)錄的終止轉(zhuǎn)錄終止：是RNA聚合酶在模板上的某一位置停頓，RNA鏈從轉(zhuǎn)錄復(fù)合物上脫離出來(lái)。分為依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止和不依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止。1、依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止Rho因子的左右是使RNA-DNA雜化雙鏈的短鏈變性，從而有利于轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物從轉(zhuǎn)錄復(fù)合物中釋放出來(lái)。ATP1.依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止2.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(lái)終止轉(zhuǎn)錄。2、非依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`

RNA5TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT...3

DNAUUUU...…UUUU...…5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`莖環(huán)(stem-loop)/發(fā)夾(hairpin)結(jié)構(gòu)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不依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止模式RNA鏈出現(xiàn)莖-環(huán)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄的終止。1.這樣的結(jié)構(gòu)改變RNA聚合酶的構(gòu)象，使酶不再向下移動(dòng)。2.DNA和RNA各自形成自己的局部雙鏈，使雜化鏈更加不穩(wěn)定，以致轉(zhuǎn)錄復(fù)合物趨于解體。接著的一串寡聚U，則更是促進(jìn)RNA新鏈從模板上脫落的促進(jìn)因素。轉(zhuǎn)錄的過(guò)程RNA轉(zhuǎn)錄過(guò)程可分為起始、延伸、終止三個(gè)階段1.起始包括四個(gè)方面σ亞基起著識(shí)別DNA分子上起始信號(hào)的作用識(shí)別啟動(dòng)子RNA聚合酶結(jié)合模板DNA的部位，稱為啟動(dòng)子(promoter)。生成封閉型啟動(dòng)子復(fù)合物

得到開放型的啟動(dòng)子復(fù)合物

σ亞基被釋放脫離核心酶DNA構(gòu)象活化

解開DNA雙鏈，識(shí)別其中的模板鏈該部位應(yīng)該富含A-T堿基對(duì)，有利于DNA解鏈

動(dòng)畫演示轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)過(guò)程…...σσ形成閉合啟動(dòng)子復(fù)合體形成開放啟動(dòng)子復(fù)合體RNA聚合酶識(shí)別結(jié)合啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄開始啟動(dòng)子清除轉(zhuǎn)錄延伸5’3’3’5’-35-10+1

另外：在起始位點(diǎn)的全酶結(jié)合第一個(gè)三磷酸核苷常是GTP或ATP。形成的啟動(dòng)子、全酶和三磷酸核苷復(fù)合物稱為三元起始復(fù)合物。第一個(gè)核苷酸摻入的位置稱為轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)。5’3’

2.延伸

核心酶沿模板移動(dòng)，并按模板序列選擇下一個(gè)核苷酸，將核苷酸加到生長(zhǎng)的RNA鏈3′-OH端，催化形成磷酸二酯鍵。RNA-DNA的雜交區(qū)5’3’

雜交區(qū)結(jié)合不太牢固，解鏈后，DNA又恢復(fù)雙螺旋結(jié)構(gòu)

3.終止在DNA分子上有引起終止轉(zhuǎn)錄的特殊堿基序列稱為終止子。分為依賴ρ因子型和非依賴ρ因子型以非依賴ρ因子型為例說(shuō)明……5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`

RNA

5TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT...3

DNAUUUU...…UUUU...…5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`莖環(huán)/發(fā)夾結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)錄的過(guò)程RNA轉(zhuǎn)錄過(guò)程可分為起始、延伸、終止三個(gè)階段1.起始包括四個(gè)方面σ亞基起著識(shí)別DNA分子上起始信號(hào)的作用識(shí)別啟動(dòng)子RNA聚合酶結(jié)合模板DNA的部位，稱為啟動(dòng)子(promoter)。生成封閉型啟動(dòng)子復(fù)合物

得到開放型的啟動(dòng)子復(fù)合物

σ亞基被釋放脫離核心酶DNA構(gòu)象活化

解開DNA雙鏈，識(shí)別其中的模板鏈該部位應(yīng)該富含A-T堿基對(duì)，有利于DNA解鏈

動(dòng)畫演示轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)過(guò)程…...σσ形成閉合啟動(dòng)子復(fù)合體形成開放啟動(dòng)子復(fù)合體RNA聚合酶識(shí)別結(jié)合啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄開始啟動(dòng)子清除轉(zhuǎn)錄延伸5’3’3’5’-35-10+1

另外：在起始位點(diǎn)的全酶結(jié)合第一個(gè)三磷酸核苷常是GTP或ATP。形成的啟動(dòng)子、全酶和三磷酸核苷復(fù)合物稱為三元起始復(fù)合物。第一個(gè)核苷酸摻入的位置稱為轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)。5’3’

2.延伸

核心酶沿模板移動(dòng)，并按模板序列選擇下一個(gè)核苷酸，將核苷酸加到生長(zhǎng)的RNA鏈3′-OH端，催化形成磷酸二酯鍵。RNA-DNA的雜交區(qū)5’3’

雜交區(qū)結(jié)合不太牢固，解鏈后，DNA又恢復(fù)雙螺旋結(jié)構(gòu)

3.終止在DNA分子上有引起終止轉(zhuǎn)錄的特殊堿基序列稱為終止子。分為依賴ρ因子型和非依賴ρ因子型以非依賴ρ因子型為例說(shuō)明……5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`

RNA

5TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT...3

DNAUUUU...…UUUU...…5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`莖環(huán)/發(fā)夾結(jié)構(gòu)二、真核生物的轉(zhuǎn)錄起始（一）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(guò)程比原核生物復(fù)雜。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)。參與RNA-polⅡ轉(zhuǎn)錄的TFⅡ

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。POL-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4.模板理論(piecingtheory)一個(gè)真核生物基因的轉(zhuǎn)錄需要3至5個(gè)轉(zhuǎn)錄因子。轉(zhuǎn)錄因子之間互相結(jié)合，生成有活性，有專一性的復(fù)合物，再與RNA聚合酶搭配而有針對(duì)性地結(jié)合、轉(zhuǎn)錄相應(yīng)的基因。（二）轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)真核生物轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)過(guò)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(zhǎng)過(guò)程中可以觀察到核小體移位和解聚現(xiàn)象。RNA-PolRNA-PolRNA-Pol核小體轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)中的核小體移位轉(zhuǎn)錄方向5------AAUAAA-5------AAUAAA--核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAAGTGTGTG轉(zhuǎn)錄終止的修飾點(diǎn)55333加尾AAAAAAA······3mRNA（三）轉(zhuǎn)錄終止——

和轉(zhuǎn)錄后修飾密切相關(guān)。真核生物轉(zhuǎn)錄終止的特點(diǎn)真核生物mRNA帶有聚腺苷酸尾巴的結(jié)構(gòu)，這是轉(zhuǎn)錄之后加上的。在模板鏈讀碼框架的3’端之后，常有一組共同序列AATAAA，再下游還有相當(dāng)多的GT序列，這些序列稱為轉(zhuǎn)錄終止的修飾點(diǎn)。轉(zhuǎn)錄與復(fù)制的相似之處都以DNA為模板需要核苷酸作原料，從5’到3’延長(zhǎng)；生成磷酸二酯鍵以連接核苷酸都遵從堿基配對(duì)規(guī)律都需要依賴DNA的聚合酶產(chǎn)物都是很長(zhǎng)的多核苷酸轉(zhuǎn)錄和復(fù)制的區(qū)別轉(zhuǎn)錄后的修飾轉(zhuǎn)錄生成的RNA，稱為初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物。無(wú)論在真核生物或原核生物中，初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物都經(jīng)過(guò)一定程度的修飾加工，才能表現(xiàn)其功能。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)一、真核生物mRNA的轉(zhuǎn)錄后加工（一）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)帽子結(jié)構(gòu)5pppGp…5GpppGp…pppG

ppi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真核生物mRNA的轉(zhuǎn)錄后加工5’和3’首尾的修飾剪接5’加帽轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的第一個(gè)核苷酸pppG水解成5’-ppG或5’-pG與另一個(gè)三磷酸鳥苷生成三磷酸雙鳥苷第二個(gè)鳥嘌呤被甲基化加帽出現(xiàn)在hnRNA中，說(shuō)明可能在細(xì)胞核中完成，并在剪接之前。3’端加上聚腺苷酸尾巴真核生物mRNA中polyA的出現(xiàn)是不依賴于DNA模板的。加入polyA之前，先由核酸外切酶切去3’末端一些過(guò)剩的核苷酸，然后加入polyA。3’端修飾也是在細(xì)胞核中，在剪接之前進(jìn)行的。PolyA的有無(wú)與長(zhǎng)短，是維持mRNA作為翻譯模板的活性，以及增加mRNA本身的穩(wěn)定性。3’端修飾示意圖（二）mRNA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)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(guò)程中被除去的核酸序列。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)錄后修飾雞卵清蛋白成熟mRNA與DNA雜交電鏡圖DNAmRNA真核細(xì)胞mRNA的剪接DNA模板與hnRNA是完全配對(duì)的，而成熟的mRNA與hnRNA或DNA雜交都只是部分配對(duì)。因此真核生物的基因有斷裂性。斷裂基因真核生物的結(jié)構(gòu)基因，由若干個(gè)編碼區(qū)被非編碼區(qū)相互間隔開，但又連續(xù)鑲嵌而成，因此真核生物的基因稱為斷裂基因。外顯子代表了基因上編碼氨基酸的核苷酸序列。內(nèi)含子表示相應(yīng)的非編碼序列。原核生物結(jié)構(gòu)基因是連續(xù)的編碼序列，不是斷裂基因。內(nèi)含子的種類線粒體，葉綠體轉(zhuǎn)錄初級(jí)rRNA基因線粒體，葉綠體的mRNA形成套索狀結(jié)構(gòu)的剪接，由SnRNA和核內(nèi)蛋白形成的核小核糖核酸蛋白來(lái)完成。tRNA基因。3.

內(nèi)含子的分類根據(jù)基因的類型和剪接的方式，通常把內(nèi)含子分為4類。I：主要存在于線粒體、葉綠體及某些低等真核生物的rRNA基因；II：也發(fā)現(xiàn)于線粒體、葉綠體，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物是mRNA；III：是常見的形成套索結(jié)構(gòu)后剪接，大多數(shù)mRNA基因有此類內(nèi)含子；IV：是tRNA基因及其初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物中的內(nèi)含子，剪接過(guò)程需酶及ATP。4.mRNA的剪接——除去hnRNA中的內(nèi)含子，將外顯子連接。snRNP與hnRNA結(jié)合成為并接體①②③UACUACA-AGUGU4U5U6E1E2U1U2UACUACA-AGUGU6E1E2U1、U4、U5pG-OH(ppG-OH,pppG-OH)U-OHGpUpGpA第一次轉(zhuǎn)酯反應(yīng)第二次轉(zhuǎn)酯反應(yīng)UpAGpU外顯子1內(nèi)含子外顯子2G-OHUpUpGpA