第十章 RNA的生物合成

第十章

RNA的生物合成

學(xué)習(xí)目標掌握：轉(zhuǎn)錄的概念；轉(zhuǎn)錄的不對稱性；原核生物RNA聚合酶的組成和各亞基的功能。熟悉：熟悉真核生物RNA聚合酶的類型與功能，結(jié)構(gòu)基因、模板鏈和編碼鏈的含義；幾種RNA轉(zhuǎn)錄后加工修飾；核酶概念。了解：轉(zhuǎn)錄的特點；RNA轉(zhuǎn)錄過程。

DNA→RNA轉(zhuǎn)錄

RNA→RNARNA復(fù)制RNA的生物合成兩種方式存在于絕大多數(shù)生物體存在于某些病毒體內(nèi)一、轉(zhuǎn)錄概念

在DNA指導(dǎo)的RNA聚合酶催化下，以DNA的模板鏈為模板，4種NTP為原料，按堿基配對規(guī)律(T-A,A-U,G-C)合成一條與模板鏈互補的RNA鏈的過程。生物體以DNA為模板合成RNA的過程。DNA的遺傳信息傳遞給RNA的過程。

DNA

轉(zhuǎn)錄RNA反應(yīng)體系：

DNA模板,NTP,酶，Mg2+,Mn2+，合成方向5‘→3’。連接方式---3',5'磷酸二酯鍵

原料：四種磷酸核苷NTP，DNA中的T在RNA合成中變?yōu)閁。

合成過程:連續(xù)，方向：5'→3'合成部位：細胞核內(nèi)5′···GCAGTACATGTC···3′3′···CGTCATGTACAG···5′5′···GCAGUACAUGUC···3′N······Ala·Val·His·Val······C編碼鏈模板鏈mRNA蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄翻譯第一節(jié)參與轉(zhuǎn)錄的物質(zhì)一、轉(zhuǎn)錄模板結(jié)構(gòu)基因

：能作為轉(zhuǎn)錄模板的DNA區(qū)段。模板鏈(templatestrand)有意義鏈

DNA雙鏈中，能按堿基配對規(guī)律指引轉(zhuǎn)錄，生成RNA的一股單鏈。編碼鏈(codingstrand)反義鏈

DNA雙鏈中堿基序列與RNA一致的一股鏈。由于基因分布于不同的DNA單鏈中，即某條DNA單鏈對某個基因是模板鏈，而對另一個基因則是編碼鏈。反義核酸：以編碼鏈為模板合成的核酸，稱為反義核酸（反義RNA、反義DNA）。序列與模板鏈一致，能抑制mRNA表達。二、RNA聚合酶定義：以DNA為模板，催化三磷酸核苷（NTP）聚合形成RNA的酶常稱為轉(zhuǎn)錄酶。全稱為：DNA依賴的RNA聚合酶（DDRP）作用特點：1.DNA為模板。2.不需引物，兩游離NTP或一游離NTP與RNA鏈聚合。3.3'-OH與5'-P聚合形成磷酸二酯鍵。4.方向：5'→3'。一）原核生物的RNA聚合酶組成：RNA聚合酶由5個亞基構(gòu)成，α2ββ

σ為全酶，α2ββ

為核心酶作用：識別DNA分子中轉(zhuǎn)錄的起始部位。促進與模板鏈結(jié)合，并使DNA雙鏈打開17bp。催化NTP的聚合，完成一條RNA鏈的聚合反應(yīng)。識別轉(zhuǎn)錄終止信號，停止聚合反應(yīng)，參與轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控。

全酶：轉(zhuǎn)錄起始α2ββ'(核心酶)

核心酶：能與DNA鏈結(jié)合并啟動轉(zhuǎn)錄，但沒有特異性，轉(zhuǎn)錄出來的可能不是一個完整的基因序列+σ因子σα2ββ'(全酶)ρ因子功能(1)能幫助DDRP識別終止信號并停止轉(zhuǎn)錄(2)具有ATP酶和解鏈酶活性，使RNA-DNA雜化分子解鏈，從而釋放轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA分子核心酶:轉(zhuǎn)錄延長

原核生物的RNA聚合酶二)真核RNA聚合酶真核較原核的酶復(fù)雜，已清楚的有RNA

PolⅠ,Ⅱ,Ⅲ及Mt四型組成和功能：均由多亞基構(gòu)成，聚合酶Ⅱ主要負責mRNA的合成；PolⅠ主要負責rRNA的合成；PolⅢ主要負責tRNA和5srRNA的合成。

1.啟動子（promoter）確保轉(zhuǎn)錄精確而有效地起始的DNA序列是RNA聚合酶與模板DNA結(jié)合的特定部位，是基因轉(zhuǎn)錄的開始部位。兩類DDRP能直接識別的啟動子需蛋白質(zhì)輔助因子的幫助，DDRP才能識別的啟動子三、啟動子及終止信號一般可分為：原核生物啟動子的3個功能部位轉(zhuǎn)錄起始點,常標以+1，第1個核苷酸為嘌呤核苷酸(A或G)。上游或下游,+或-表示結(jié)合部位,長度為7bp,位于-10bp處，有一共有序列(-TATAAT-)

RNA聚合酶的識別部位,由約6bp,位于-35bp,

也有共有序列(-TTGACA-)編碼鏈

5'

3'啟動子5'

MeGPPPRNA產(chǎn)物原核生物啟動子轉(zhuǎn)錄起始部位+1基因轉(zhuǎn)錄區(qū)-10區(qū)TATAAT結(jié)合部位TGTTGACA

-35區(qū)識別部位DNA模板鏈3'

5'2.終止信號(終止子)

DNA分子中決定RNA聚合酶終止轉(zhuǎn)錄的特定堿基序列。

特點：終止部位含GC富集區(qū)與AT富集區(qū),它們分別形成發(fā)卡結(jié)構(gòu)和連續(xù)的U區(qū)，以終止轉(zhuǎn)錄。

蛋白ρ因子輔助識別終止信號，參與終止。有反向重復(fù)序列決定轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的回折形成莖-環(huán)(或稱發(fā)夾)結(jié)構(gòu)AT富集區(qū)GC富集區(qū)反向重復(fù)序列AT富集區(qū)GC富集區(qū)一般認為由終止子引導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄終止是不依賴ρ因子的

四、轉(zhuǎn)錄的特點1.不對稱性：雙鏈DNA分子中一條鏈轉(zhuǎn)錄時，另一條鏈不被轉(zhuǎn)錄，這一現(xiàn)象稱為不對稱轉(zhuǎn)錄。2.連續(xù)性：RNA的轉(zhuǎn)錄不需要引物，從起始位點開始到終止位點為止，連續(xù)合成RNA鏈。3.單向性：模板鏈的方向是3′→5′，聚合時RNA鏈是沿5′→3′方向延伸。4.有特定的起始和終止位點第二節(jié)轉(zhuǎn)錄過程1．轉(zhuǎn)錄的起始2．RNA鏈的延伸3．轉(zhuǎn)錄的終止原核細胞的轉(zhuǎn)錄作用分三個階段進行(以大腸桿菌的轉(zhuǎn)錄為例）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。

辨認起始位點：

亞基辨認啟動子的-35區(qū)，RNA聚合酶全酶(2)與模板疏松結(jié)合。酶滑行到-10區(qū)，通過亞基與模板牢固結(jié)合。

2.DNA雙鏈解開：

RNA聚合酶擠入DNA雙鏈中，解鏈長度約20個核苷酸，拓撲異構(gòu)酶參與。

轉(zhuǎn)錄起始過程：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（啟動子）-5'pppGpN-OH3

轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物：

RNA聚合酶-DNA模板-四磷酸二核苷酸5

-pppG-OH+

NTP

5

-pppGpN

-OH3

+ppi1.RNA聚合酶與啟動子的結(jié)合（σ亞基辨認-35區(qū)）2.DNA雙鏈的打開RNApol（全酶移向-10區(qū)）3.RNA鏈上合成第一個磷酸二酯鍵5

-pppGpN-OH-3

σ亞基脫落（參與下一輪轉(zhuǎn)錄）由核心酶(α2ββ

）催化鏈的延伸二、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.核心酶沿模板鏈3

→5

方向移動，RNA鏈按堿基配對規(guī)律沿5

→3

方向延伸，NTP不斷聚合，RNA鏈不斷延長。

新生RNA鏈與模板鏈形成雜化雙鏈(該雜化分子結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，RNA鏈游離后，DNA雙鏈重新形成雙螺旋結(jié)構(gòu))

3.轉(zhuǎn)錄空泡的形成：隨“轉(zhuǎn)錄泡”和DDRP不斷移動(單鏈模板不斷暴露)，轉(zhuǎn)錄連續(xù)不斷地進行。

轉(zhuǎn)錄空泡(transcriptionbubble)：

DNA解開的兩條單鏈與RNA聚合酶及其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA構(gòu)成的轉(zhuǎn)錄復(fù)合物。RNA-pol：40bp以上；解鏈：20bp；RNA/DNA：12bp。5

3

DNA原核生物轉(zhuǎn)錄過程中的羽毛狀現(xiàn)象核糖體RNARNA聚合酶三、轉(zhuǎn)錄終止

RNA聚合酶移到DNA模板上終止信號時,酶不滑動，聚合停止,轉(zhuǎn)錄完成，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA鏈從轉(zhuǎn)錄復(fù)合物上脫落。

合成特點：ρ因子參與的終止：ρ因子與RNA產(chǎn)物中富含C的部位結(jié)合,并誘使RNA聚合酶構(gòu)象改變停止滑動；ρ因子的解螺旋酶活性,利于RNA產(chǎn)物的釋放。ρ因子機制：依賴Rho(ρ)因子的轉(zhuǎn)錄終止非依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止功能：1.識別結(jié)合富含C的RNA鏈2.ATPase活性3.解螺旋酶活性1.依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止：

具有控制轉(zhuǎn)錄終止作用的蛋白質(zhì)因子。

機制：Rho因子與RNA3

-OH的polyC結(jié)合，

抑制聚合酶活性，激活解螺旋活性。2.非依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止：DNA模板近終止處，有特殊的堿基序列，轉(zhuǎn)錄出RNA產(chǎn)物形成特殊的結(jié)構(gòu)終止轉(zhuǎn)錄。發(fā)夾結(jié)構(gòu)：反向堿基互補序列。末端PolyU：U:A不穩(wěn)定。莖環(huán)結(jié)構(gòu)終止轉(zhuǎn)錄的機理使RNA聚合酶變構(gòu)，轉(zhuǎn)錄停頓；末端polyU使轉(zhuǎn)錄復(fù)合物趨于解離，RNA產(chǎn)物釋放。5′pppG53

35RNA-pol復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的區(qū)別相同點:

DNA

模板依賴DNA的聚合酶堿基配對規(guī)律生成磷酸二酯鍵鏈延長方向5'→3'復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的不同點第三節(jié)轉(zhuǎn)錄后的加工原核RNA不需加工，邊轉(zhuǎn)錄邊翻譯真核RNA需要加工rRNAtRNAmRNA5

加帽3

加尾

剪接在轉(zhuǎn)錄過程中轉(zhuǎn)錄后進行一、mRNA的轉(zhuǎn)錄后加工1.5

端形成帽子結(jié)構(gòu)(m7GpppGp—)

7-甲基鳥嘌呤-三磷酸鳥苷帽子結(jié)構(gòu)的生成：帽子結(jié)構(gòu)的功能:核內(nèi)生成,保護mRNA不被核酸外切酶水解。與翻譯過程有關(guān)，帽子結(jié)構(gòu)結(jié)合蛋白是翻譯起始必需的因子。5ppGp…磷酸酶

Pi5GpppGp…pppG

ppi鳥苷酸轉(zhuǎn)移酶5

m7GpppGp…甲基轉(zhuǎn)移酶SAM5pppGp…2.3

-末端PolyA尾:

（長約100-200bp）

生成：在核內(nèi)修飾,與轉(zhuǎn)錄終止同時進行。

作用：增加mRNA穩(wěn)定性，維持翻譯模板活性。5------AAUAAA-5

------AAUAAA--核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAAGTGTGTG轉(zhuǎn)錄終止的修飾點5

5

3

33加尾AAAAAAA······3mRNA

3.mRNA的剪接

hnRNA被剪接體作用，剪除內(nèi)含子、連接外顯子，產(chǎn)生成熟的mRNA的過程剪接:在細胞核內(nèi),hnRNA剪切掉內(nèi)含子,將多個外顯子連接為成熟mRNA的過程為剪接剪接的本質(zhì)：磷酸酯鍵的轉(zhuǎn)移剪接特點：剪接部位的結(jié)構(gòu)為內(nèi)含子末端的特定序列，分布在內(nèi)含子的