分子生物學(xué)原理-RNA的生物合成課件

第十一章RNA的生物合成（轉(zhuǎn)錄）RNABiosynthesis,Transcription2023/2/6分子生物學(xué)原理轉(zhuǎn)錄RNADNA

轉(zhuǎn)錄(transcription)生物體以DNA為模板合成RNA的過程。也就是把DNA的堿基序列抄錄成RNA的堿基序列。2023/2/6分子生物學(xué)原理復(fù)制與轉(zhuǎn)錄的異同點相同點：不同點:復(fù)制轉(zhuǎn)錄

以DNA作模板

雙鏈復(fù)制

模板鏈

需4種NTP

dNTP

NTP

堿基配對

A=T

A=U,T=A

合成方向5’3’

依賴DNA的聚合酶

DDDP

DDRP

多聚核苷酸大分子

半保留式子代

mRNA、tRNA、rRNA2023/2/6分子生物學(xué)原理模板和酶TemplatesandEnzymes第一節(jié)2023/2/6分子生物學(xué)原理一、轉(zhuǎn)錄模板結(jié)構(gòu)基因：strucuralgene能轉(zhuǎn)錄出mRNA然后指導(dǎo)蛋白質(zhì)生成的部分。模板鏈：templatestrand可作為模板轉(zhuǎn)錄成RNA的一股鏈。也稱作有意義鏈或Watson鏈。編碼鏈：codingstrand相對于模板鏈的另一股鏈。也稱為反義鏈或Crick鏈。2023/2/6分子生物學(xué)原理模板:轉(zhuǎn)錄、翻譯的序列比較5’GCATTAGCTAGCTACTAGC3’DNA3’cgtaatcgatcgatgatcg5’雙鏈轉(zhuǎn)錄5’GCAUUAGCUAGCUACUAGC3’mRNA翻譯NAlaLeuAlaSerTryC肽鏈2023/2/6分子生物學(xué)原理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2023/2/6分子生物學(xué)原理二、RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄酶：依賴DNA的RNA聚合酶

DNAdependentRNApolymerase

DDRP

2023/2/6分子生物學(xué)原理原核生物的RNA聚合酶大腸桿菌的RNA聚合酶：2’其中2’稱為核心酶：只有轉(zhuǎn)錄功能亞基：辨別轉(zhuǎn)錄起始點+2’=全酶受利福平或利福霉素（結(jié)核菌藥物）的特異性抑制。2023/2/6分子生物學(xué)原理RNA聚合酶全酶在轉(zhuǎn)錄起始區(qū)的結(jié)合

2023/2/6分子生物學(xué)原理原核生物的RNA聚合酶2023/2/6分子生物學(xué)原理真核生物的RNA聚合酶RNA聚合酶II可認為是真核生物中最重要的RNA聚合酶2023/2/6分子生物學(xué)原理三、模板與酶的辨認結(jié)合啟動區(qū)的保守序列原核生物有兩個元件-35bp的辨認位點：5’-TTGACA--10bp的Pribnow盒:5’-TATAATPu真核生物有多個元件(如-30的Hogness或TATA盒)。2023/2/6分子生物學(xué)原理RNA聚合酶保護法目錄2023/2/6分子生物學(xué)原理開始轉(zhuǎn)錄TTGACAAACTGT-35區(qū)(Pribnowbox)TATAATPuATATTAPy-10區(qū)1-30-5010-10-40-205335原核生物啟動子保守序列RNA-pol辨認位點(recognitionsite)55RNA聚合酶保護區(qū)結(jié)構(gòu)基因332023/2/6分子生物學(xué)原理轉(zhuǎn)錄過程TheProcessofTranscription第二節(jié)2023/2/6分子生物學(xué)原理（一）轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始需解決兩個問題：RNA聚合酶必須準確地結(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)錄過程2023/2/6分子生物學(xué)原理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)錄起始過程2023/2/6分子生物學(xué)原理轉(zhuǎn)錄空泡(transcriptionbubble)：RNA-pol（核心酶）

····DNA

····RNA2023/2/6分子生物學(xué)原理（二）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

+PPi2023/2/6分子生物學(xué)原理轉(zhuǎn)錄的過程2023/2/6分子生物學(xué)原理轉(zhuǎn)錄的延長2023/2/6分子生物學(xué)原理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2023/2/6分子生物學(xué)原理（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。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。2023/2/6分子生物學(xué)原理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。2023/2/6分子生物學(xué)原理ATP1.依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止2023/2/6分子生物學(xué)原理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)來終止轉(zhuǎn)錄。2023/2/6分子生物學(xué)原理2、非依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止2023/2/6分子生物學(xué)原理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)2023/2/6分子生物學(xué)原理莖環(huán)結(jié)構(gòu)使轉(zhuǎn)錄終止的機理使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-pol2023/2/6分子生物學(xué)原理不依賴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。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RNA新鏈從模板上脫落的促進因素。2023/2/6分子生物學(xué)原理二、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，RNA-pol不直接結(jié)合模板，其起始過程比原核生物復(fù)雜。2023/2/6分子生物學(xué)原理轉(zhuǎn)錄起始點TATA盒CAAT盒GC盒增強子順式作用元件(cis-actingelement)1.

轉(zhuǎn)錄起始前的上游區(qū)段AATAAA切離加尾轉(zhuǎn)錄終止點修飾點外顯子翻譯起始點內(nèi)含子OCT-1OCT-1：ATTTGCAT八聚體2023/2/6分子生物學(xué)原理2.

轉(zhuǎn)錄因子能直接、間接辨認和結(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)。2023/2/6分子生物學(xué)原理參與RNA-polⅡ轉(zhuǎn)錄的TFⅡ

2023/2/6分子生物學(xué)原理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。2023/2/6分子生物學(xué)原理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2023/2/6分子生物學(xué)原理4.模板理論(piecingtheory)一個真核生物基因的轉(zhuǎn)錄需要3至5個轉(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性地結(jié)合、轉(zhuǎn)錄相應(yīng)的基因。2023/2/6分子生物學(xué)原理（二）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。2023/2/6分子生物學(xué)原理RNA-PolRNA-PolRNA-Pol核小體轉(zhuǎn)錄延長中的核小體移位轉(zhuǎn)錄方向2023/2/6分子生物學(xué)原理5------AAUAAA-5------AAUAAA--核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAAGTGTGTG轉(zhuǎn)錄終止的修飾點55333加尾AAAAAAA······3mRNA（三）轉(zhuǎn)錄終止——和轉(zhuǎn)錄后修飾密切相關(guān)。2023/2/6分子生物學(xué)原理真核生物轉(zhuǎn)錄終止的特點真核生物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，再下游還有相當多的GT序列，這些序列稱為轉(zhuǎn)錄終止的修飾點。2023/2/6分子生物學(xué)原理轉(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；生成磷酸二酯鍵以連接核苷酸都遵從堿基配對規(guī)律都需要依賴DNA的聚合酶產(chǎn)物都是很長的多核苷酸2023/2/6分子生物學(xué)原理轉(zhuǎn)錄和復(fù)制的區(qū)別2023/2/6分子生物學(xué)原理真核生物的轉(zhuǎn)錄后修飾Post-transcriptionalModification第三節(jié)2023/2/6分子生物學(xué)原理轉(zhuǎn)錄后的修飾轉(zhuǎn)錄生成的RNA，稱為初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物。無論在真核生物或原核生物中，初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物都經(jīng)過一定程度的修飾加工，才能表現(xiàn)其功能。2023/2/6分子生物學(xué)原理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)2023/2/6分子生物學(xué)原理一、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)2023/2/6分子生物學(xué)原理帽子結(jié)構(gòu)2023/2/6分子生物學(xué)原理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

Pi2023/2/6分子生物學(xué)原理真核生物mRNA的轉(zhuǎn)錄后加工5’和3’首尾的修飾剪接2023/2/6分子生物學(xué)原理5’加帽轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的第一個核苷酸pppG水解成5’-ppG或5’-pG與另一個三磷酸鳥苷生成三磷酸雙鳥苷第二個鳥嘌呤被甲基化加帽出現(xiàn)在hnRNA中，說明可能在細胞核中完成，并在剪接之前。2023/2/6分子生物學(xué)原理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’末端一些過剩的核苷酸，然后加入polyA。3’端修飾也是在細胞核中，在剪接之前進行的。PolyA的有無與長短，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。2023/2/6分子生物學(xué)原理3’端修飾示意圖2023/2/6分子生物學(xué)原理（二）mRNA的剪接1.

hnRNA

和snRNA核內(nèi)的初級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）snRNA2023/2/6分子生物學(xué)原理真核生物結(jié)構(gòu)基因，由若干個編碼區(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)2023/2/6分子生物學(xué)原理2.外顯子(exon)和內(nèi)含子(intron)外顯子在斷裂基因及其初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物上出現(xiàn)，并表達為成熟RNA的核酸序列。內(nèi)含子隔斷基因的線性表達而在剪接過程中被除去的核酸序列。2023/2/6分子生物學(xué)原理雞卵清蛋白基因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2023/2/6分子生物學(xué)原理雞卵清蛋白成熟mRNA與DNA雜交電鏡圖DNAmRNA2023/2/6分子生物學(xué)原理真核細胞mRNA的剪接DNA模板與hnRNA是完全配對的，而成熟的mRNA與hnRNA或DNA雜交都只是部分配對。因此真核生物的基因有斷裂性。2023/2/6分子生物學(xué)原理斷裂基因真核生物的結(jié)構(gòu)基因，由若干個編碼區(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。2023/2/6分子生物學(xué)原理內(nèi)含子的種類線粒體，葉綠體轉(zhuǎn)錄初級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完成。tRNA基因。2023/2/6分子生物學(xué)原理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基因及其初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物中的內(nèi)含子，剪接過程需酶及ATP。2023/2/6分子生物學(xué)原理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①2023/2/6分子生物學(xué)原理②③UACUACA-AGUGU4U5U6E1E2U1U2UACUACA-AGUGU6E1E2U1、U4、U52023/2/6分子生物學(xué)原理pG-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剪接過程的二次轉(zhuǎn)酯反應(yīng)

(twicetransesterification)

2023/2/6分子生物學(xué)原理?RNA編輯作用說明，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(differentialRNAprocessing)。5.mRNA的編輯(mRNAediting)人類apoB基因mRNA（14500個核苷酸）肝臟apoB100（分子量為500000）腸道細胞apoB48（分子量為240000）mRNA編輯2023/2/6分子生物學(xué)原理內(nèi)含子的功能內(nèi)含子有利于物種的進化選擇調(diào)節(jié)功能2023/2/6分子生物學(xué)原理tRNA的轉(zhuǎn)錄后加工初級產(chǎn)物中有5’端的16個堿基和反密碼子后的14個堿基需要去除。2023/2/6分子生物學(xué)原理二、tRNA的轉(zhuǎn)錄后加工tRNA前體RNApolⅢTGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNA2023/2/6分子生物學(xué)原理RNAaseP、內(nèi)切酶2023/2/6分子生物學(xué)原理tRNA核苷酸轉(zhuǎn)移酶、連接酶ATPADP2023/2/6分子生物學(xué)原理堿基修飾（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）2023/2/6分子生物學(xué)原理涉及加工的反應(yīng)甲基化還原核苷內(nèi)的轉(zhuǎn)位反應(yīng)脫氨反應(yīng)3’端加上CCA-OH2023/2/6分子生物學(xué)原理三、rRNA的轉(zhuǎn)錄后加工轉(zhuǎn)錄45S-