生物化學(xué) RNA的合成及調(diào)控

RNA的合成及調(diào)控

RNA

Synthesis（Transcription）and

Regulation目錄Section1.

本章總覽Section2.

轉(zhuǎn)錄

Section3.

轉(zhuǎn)錄的后加工Section

4.

原核轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)Section

5.

真核轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)Section6.基于RNA的RNA復(fù)制12電鏡下的轉(zhuǎn)錄DNASection1.本章總覽RNA3轉(zhuǎn)錄泡（轉(zhuǎn)錄單位）啟動子RNA聚合酶DNA模板鏈方向：5’-3’4模板鏈真核生物的mRNA后加工DNA編碼鏈DNA編碼的遺傳信息的傳遞5Section2.

轉(zhuǎn)錄

轉(zhuǎn)錄的過程：啟動子的結(jié)合和轉(zhuǎn)錄起始promoter

binding

and

initation延長

elongation終止

termination6原核生物RNA聚合酶核心酶corepolymerase:

α2ββ'ω全酶

holoenzyme: α2ββ'ωσω

功能不明。SubunitGeneNumberMass（kDa）αrpoA237βrpoB1151β’rpoC1155σrpoD170ω…1…7原核RNA聚合酶組分與結(jié)合率關(guān)系大腸桿菌含有多種

σ

亞基.

它們和核心酶綁定后向下游搜尋（seek

out）不同的啟動子，開始轉(zhuǎn)錄起始。結(jié)合Kdt1/2全酶+DNA10-7~3

sec全酶+啟動子10-14~2-3

hr核心酶+DNA10-12~60

minEnzymeRNAs

SynthesizedRNA

polymerase

Ilarger

rRNAs（28S，18S，5.8S）RNA

polymerase

IImRNAs，most

small

nuclear

RNAs（snRNAs

and

snoRNAs），most

microRNAs，telomerase

RNARNA

polymerase

IIIother

small

RNAs，tRNAs，5S

RNARNA

polymerase

IV，V（Plants）siRNAs8真核RNA聚合酶Amanitaphalloidesα-Amanitaα-鵝膏蕈堿起始Initiation全酶綁定雙鏈DNA，向下游移動直到σ識別啟動子序列。然后綁定啟動子DNA形成轉(zhuǎn)錄復(fù)合體。在啟動子區(qū)域中有兩個保守序列。-10TATAbox

(Pribnowbox) 5'-TATAAT-3'-35box （Sextama

box）

5'-TTGACA-3'當(dāng)RNA聚合酶綁定后，~-9to+3轉(zhuǎn)錄泡打開，雙鏈被解旋，合成RNAupstream（上游）downstream（下游）910啟動子結(jié)合區(qū)域BubbleOpeningElongationRNA聚合酶需要超螺旋雙鏈DNA，鎂離子及NTPs作為底物，每步反應(yīng)釋放出PPi。RNA合成的方向為5’到3'RNA聚合酶不需要引物，但有核酸外切酶活性及預(yù)讀功能（proofreading）。轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物有l(wèi)eaderandtrailer

segments。1112Elongation+1位為起始位點，往往為嘌呤。RNA聚合酶離開啟動子區(qū)域（約+6~10位），σ因子解離，剩下核心酶繼續(xù)復(fù)制約50bp/s需要兩個DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶在前后部分。當(dāng)RNA聚合酶離開啟動子區(qū)域，另一個RNA聚合酶可以結(jié)合到啟動子區(qū)域。13PolymerizationPolymerization5'Residue5‘末端經(jīng)常為pppA或pppG，保留磷酸。1415終止Termination1.

Hairpin方式這是一個終止位點。是富含重復(fù)G：C的DNA末端序列區(qū)域，幾乎不含A：T，轉(zhuǎn)錄單元的末端含有很短的A：T配對區(qū)域。NusA蛋白能夠在終止位點結(jié)合，polyU部分到發(fā)卡結(jié)構(gòu)部分處于松弛狀態(tài)，很容易從DNA模板上分離開來。16終止Termination2.

Rho()factor是一個依賴于ATP的六聚體解螺旋酶。在轉(zhuǎn)錄RNA中，能夠特異性的識別序列。沿著5’~3’的方向直到捕獲轉(zhuǎn)錄泡，再利用解螺旋酶的活性從RNA模板上將其解開，從而終止轉(zhuǎn)錄。TheRNAtranscript.1718轉(zhuǎn)錄與抗生素：利福平：與依賴DNA的RNA多聚酶的β亞單位牢固結(jié)合，抑制細(xì)菌RNA的合成，防止該酶與DNA連接，從而阻斷RNA轉(zhuǎn)錄過程，使DNA和蛋白的合成停止。19放線菌素D：與DNA分子的脫氧鳥嘌呤發(fā)揮特異性相互作用，嵌入DNA雙螺旋的小溝中，與DNA形成復(fù)合體，阻礙RNA多聚酶的功能，抑制RNA的合成，特別是mRNA的合成。原核生物:mRNA

幾乎沒有轉(zhuǎn)錄后修飾rRNAs

和tRNAs

從轉(zhuǎn)錄初始產(chǎn)物切割而來，并且進(jìn)行修飾。E.coli有7個rRNA基因和60個tRNA基因。其中tRNA的30-40%堿基被修飾。3’末端CCA序列并不編碼，通過nucleotidyltransferase將2CTP和1ATP連接到3’末端。轉(zhuǎn)錄后修飾Post-Transcription：20rRNA甲基化修飾：tRNA修飾：21真核RNA聚合酶22三種聚合酶均需要轉(zhuǎn)錄因子與啟動子相互作用。這里有三種DNA結(jié)合蛋白作為特異性啟動序列能夠起始轉(zhuǎn)錄。真核啟動子23真核啟動子1.啟動子及其調(diào)節(jié)位點在相同DNA分子上能被轉(zhuǎn)錄,稱為順式作用元件PolI用核糖體啟始元件（rlnr），類似TATA序列。還利用在起始位點上游150bp處的上游啟動子元件。24真核啟動子PolII利用一段起始位點處的保守序列，TATA盒作為一種起始原件給起始位點定了范圍。缺乏TATA盒時，下游啟動子元件與起始原件相互作用，其他元件包括了遠(yuǎn)離起始位點1kbp處的增強(qiáng)子。25一百個啟動子的堿基中，真核TATA盒具有一致性。其他啟動子元件，能夠被其他蛋白或者聚合酶識別。26真核啟動子其他能夠與PolII作用的順式作用元件有CAAT盒和/或GC盒，一些轉(zhuǎn)錄因子如PolII其功能能夠被CTD（羧基末端區(qū)域）磷酸化調(diào)控。PolIII啟動子在起始位點的下游，與tRNA和rRNA不同。27總調(diào)控激活劑：正調(diào)控能夠結(jié)合啟動子并激活轉(zhuǎn)錄。例一：配體結(jié)合的激活劑。能夠阻止與啟動子的結(jié)合，轉(zhuǎn)錄不會發(fā)生。例二：配體結(jié)合的激活劑。配體能夠提高與啟動子結(jié)合的活性，轉(zhuǎn)錄水平提高。抑制子：負(fù)調(diào)控，能夠結(jié)合啟動子從而阻止轉(zhuǎn)錄。例一：配體（誘導(dǎo)物）與抑制子相互結(jié)合，阻止抑制子與啟動子相互結(jié)合，轉(zhuǎn)錄發(fā)生。例二：配體（輔助阻遏物）與抑制子相互結(jié)合，抑制子不能與啟動子相互結(jié)合，轉(zhuǎn)錄不能發(fā)生。調(diào)控Eucaryoticpre-rRNA:notethedifferentsizerRNAscomparedtoprocaryoticrRNA.28Pre-rRNA的修飾ModificationofPre-tRNAProcessingeucaryoticpre-tRNA29ModificationofPre-mRNAPrimarymRNAtranscriptsareanywherefrom2000to20000residuesandsometimescalledheterogeneousnuclearRNA(hnRNA).Processingeucaryoticpre-mRNA: 1.The5'endiscapped:RemoveP,addGTPwithlossofPPi.Protects5'fromexonuclease.2.Apoly(A)tailisadded:Cleavageandpolyadenylationspecificityfactor(CPSF)bindsspecificsequence,endonucleaseactivitycleavesdownstreamanddissociationoccurs.Poly(A)polymeraseadds150-250residuesto3'.3.Splicingoccurs:Removeintrons,joinexons.305'Cappingpre-mRNACap0=N7-MeGat5'Cap1=N7-MeGat5'+O2'-Meribosylat2ndresidue.Cap2=N7-MeGat5'+O2'-Meribosylat2ndand3rdresidue.rRNAandtRNAarenotcapped.31PolyATail323334內(nèi)含子是連續(xù)的序列，不同物種中數(shù)量和大小是不一樣的，卵白蛋白中含有7個，而前膠原中含有50個。外顯子是一段能表達(dá)的序列。所有內(nèi)含子中含有保守的5’GU……AG3’兩端，在其末端一個分枝序列（剪切起始位點），其兩端都有一直的序列。在哺乳動物中，分枝序列具有多邊性。剪切SplicingSplicingO2'ofAatbranchsiteattacksPat3'endofAGintheupstreamexon.Cleavageoccursbytransesterification.The3'OHoftheupstreamexonisreleasedandattacksPatthe3'endoftheintron.Thisjoinsthetwoexonsbyasecondtransesterificationreaction.35CleavagebyBranchPointAnalcoholattacksaphosphodiesterbondproducinganewphosphodiesterandanewalcohol.NoATPisinvolvedinthesereactionsteps.36Lariat

IntermediateThelariatoccurshere.37SplicingSteps38SplicingRequiressnRNA剪切需要snRNAsnRNAs能夠結(jié)合蛋白新城snRNPs，能與snurps這種需要ATP的解鏈酶相互結(jié)合與組裝。snRNAs在5’端具有2,2,7-triMeG-pppNcap39UseofsnRNAsMaturemRNAsareconsiderablysmallerthantheoriginalpre-mRNAtranscripts.Somearereducedinsizeasmuchas75-90%40DetailofeventswithsnRNAssnRNPs,splicingfactors&pre-mRNAconstitutea“spliceosome”.4142ProposedeventsofPolIITranscriptionandprocessingofpre-mRNArequiresthecarboxyl-terminaldomain(CTD)ofPolII.CTDbringsinproteinrequiredforcapping,splicingandpolyadenylation.ThesequentialoccurrenceoftheseeventsdependsonthestateofphosphorylationofCTD.Notethatinsomecasesalternatesplicingofpre-mRNAcangeneratedifferentmaturetranscriptsandeventuallypeptides.4344454647原核真核轉(zhuǎn)錄及翻譯：48Section4.

原核轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)

操縱子Operon啟動子Promoter操縱區(qū)Operator阻遏基因Repressor

gene49乳糖操縱子：5051乳糖存在情況下的解除阻遏52乳糖類似物IPTG53藍(lán)白斑篩選54乳糖與葡萄糖存在的情況葡萄糖效應(yīng)（Crabtreeeffect）在葡萄糖沒有被利用完之前，乳糖操縱子就一直被阻遏，乳糖不能被利用。葡萄糖的分解物引起細(xì)胞內(nèi)cAMP含量降低，啟動子釋放cAMP-CAP蛋白，RNA聚合酶不能與乳糖的啟動基因結(jié)合，以至轉(zhuǎn)錄不能發(fā)生。55色氨酸操縱子：色氨酸的合成56色氨酸存在下57Section5.真核轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)

58組蛋白的乙酰化HistoneAcetylation59DNA的甲基化DNA

Methylation三色花貍貓：產(chǎn)生的