《RNA的合成》PPT课件.ppt

Chapter 36 SYNTHESIS AND PROCESSING OF RNA 概 述 在生物界，RNA合成有两种方式：一是 DNA指导的RNA合成，此为生物体内的主要合 成方式。另一种是RNA指导的RNA合成，此种 方式常见于病毒。 转录产生的初级转录物质是RNA前体（RNA precursor），需经加工过程才具有生物学活 性 遗传信息传递的 中心法则 蛋白质 翻译 转录 逆转录 复制 复制 DNA RNA 生物的遗传信息以密码的形式储存 在DNA分子上，表现为特定的核苷酸排 列顺序。在细胞分裂的过程中，通过 DNA复制把亲代细胞所含的遗传信息忠 实地传递给两个子代细胞。在子代细胞 的生长发育过程中，这些遗传信息通过 转录传递给RNA，再由RNA通过翻译转 变成相应的蛋白质多肽链上的氨基酸排 列顺序，由蛋白质执行各种各样的生物 学功能，使后代表现出与亲代相似的遗 传特征。后来人们又发现，在宿主细胞 中一些RNA病毒能以自己的RNA为模板 复制出新的病毒RNA，还有一些RNA病 毒能以其RNA为模板合成DNA，称为逆 转录这是中心法则的补充。 中心法则总结了生物体内遗传信息的流动规律，揭示遗传的分子基础，不仅使人们对 细胞的生长、发育、遗传、变异等生命现象有了更深刻的认识，而且以这方面的理论和技 术为基础发展了基因工程，给人类的生产和生活带来了深刻的革命。 一一 DNADNA指导下的指导下的RNARNA的合成的合成 二二 RNARNA的转录后加工的转录后加工 三三 RNARNA指导下的指导下的RNARNA和和DNADNA的合成的合成 第第3636章章 RNARNA的生物合成和加工的生物合成和加工 主要内容 转录转录：在：在 RNARNA聚合酶聚合酶的催化下的催化下, ,以以DNADNA的一条链的一条链 为模板，按照为模板，按照碱基配对碱基配对的原则，以的原则，以四种核苷三磷酸四种核苷三磷酸 为原料为原料, ,合成一条合成一条与模板与模板DNADNA互补互补的的RNARNA的过程。的过程。 一 DNA指导下的RNA合成 转 录 RNADNA P455 启动子 （promoter) 终止子 (terminator) DNADNA 5 5 3 3 P455 转录单位 转录单位：从DNA模板的一个特定的转录起点开始, 到转录终点为止的转录区域。 原核生物以多个基因为转录单位,称为多顺反子 真核生物以单个基因为转录单位,称为单顺反子 ( (一一) ) DNA DNA指导的指导的RNARNA聚合酶聚合酶 ( (二二) ) 转录转录的整个过程的整个过程 ( (三三) RNA) RNA生物合成的抑制剂生物合成的抑制剂 第第3636章章 RNARNA的生物合成和加工的生物合成和加工 一一 DNADNA指导下的指导下的RNARNA的合成的合成 一 DNA指导下的RNA合成 ( (一一) ) DNA DNA指导的指导的RNARNA聚合酶聚合酶 1 RNA合成反应： （1）由DNA指导的RNA聚合酶催化。 （2）反应需要的物质：4种核糖核苷三磷酸 (NTP)、DNA模板、 Mg2+等二价阳离子。 （3）RNA链的延伸方向：53 （4）合成反应可逆，由PPi水解推动反应趋向 于聚合。 P455 RNA聚合酶催化的反应 A C G A C G U U 模板DNA 5 3 5 3 新合成RNA 5 3 3 5 模板链编码链 编码链模板链 结构基因 转录方向 转录方向 2 不对称转录 (asymmetric transcription) 在DNA分子双链上某一区段，一股链用作模板指 指导转录，另一股链不转录 。 模板链并非永远在同一条单链上。 模板局部解链P455 v模板链（template strand) DNA双链中可作为模板转录成RNA的一条链(正链)。 v编码链（coding strand） DNA双链中与模板链互补的一条链(负链)。() 5 3 3 5 模板链编码链 编码链模板链 结构基因 转录方向 转录方向 转录产物RNA的碱基序列，除了T变U外，其余与 编码链相同。 、RNA聚合酶 定义：以DNA为模板，催化三磷酸核苷（NTP）聚合形成RNA 的酶。RNA聚合酶(RNA pol)也称转录酶（ transcriptase) ，依赖DNA的RNA聚合酶(DDRPDDRP)。 （）原核生物的RNA聚合酶（ 2 ） 转录泡 2-9nt 5 pppG or pppA RNA-DNA杂交体 Nus A因子 4 原核生物的转录过程 P457 5 真核生物的RNA聚合酶 45S-rRNA，5S-rRNA： 核糖体RNA成分。 hnRNA： mRNA的前体。 snRNA： 参与mRNA剪切。 根据对-鹅膏蕈碱敏感性分为类 P458 真核生物RNA聚合酶必须借助多种转录因子转录因子 才能结合到启动子上。转录过程与原核生 物类似。 真核生物的转录过程分为: 装配装配, , 起始起始, ,延延 长和终止长和终止4个阶段. 5、真核生物的RNA 聚合酶 ( ( 一一) ) DNA DNA指导的指导的RNARNA聚合酶聚合酶 ( (一一) ) DNA DNA指导的指导的RNARNA聚合酶聚合酶 ( (二二) ) 启动子和转录因子启动子和转录因子 ( (三三) RNA) RNA生物合成的抑制剂生物合成的抑制剂 第第3636章章 RNARNA的生物合成和加工的生物合成和加工 一一 DNADNA指导下的指导下的RNARNA的合成的合成 启动子启动子：是指RNA聚合酶识别、结合和开 始转录的一段DNA序列。 利用足迹法(footprint)和DNA测序法可以确 定启动子的序列结构。 ( (二二) ) 启动子和转录因子启动子和转录因子 P459 共有序列(concensus保守序列)： 碱基序列相对稳定，不易发生突变。 TTGACA：-35区，RNA聚合酶的辨认位点 ，亚基结合位点。 TATAAT：-10区，Pribrow盒，RNA聚合酶 的稳定结合位点。亚基的结合位点。 1 原核生物的启动子 P460 开始转录 T T G A C A A A C T G T -35 区 (Pribnow box) T A T A A T Pu A T A T T A Py -10 区 1-30-5010-10-40-20 5 3 3 5 RNA-pol辨认位点 (recognition site) 1 原核生物的启动子 ( (二二) ) 启动子和转录因子启动子和转录因子 P460 真核生物的启动子有三类，分别由三种RNA聚合 酶进行转录。 真核生物的启动子由转录因子识别，多种转录因 子和RNA聚合酶在起点上形成前起始复合物而促 进转录。 参与RNA聚合酶II转录起始的各类因子可分为三类： 通用因子(general factor) 上游因子(upstream factor) 可诱导因子(inducible factor) 一 DNA指导下的RNA合成 2 真核生物的启动子 P461 TATA框 CAAT框 GC框 增强子 顺式作用元件 结构基因 -GCGC-CAAT-TATA 转录起始 真核生物启动子保守序列 转录起始的上游区段是各 种典型的顺式作用元件。 不一定每个基因都全具备 这些元件。 P461-462 反式作用因子反式作用因子(trans-acting factor):(trans-acting factor): 能直接或间 接辨认、结合顺式作用元件，从而调节基因表达的 一类蛋白质因子。 转录因子转录因子(transcriptional factor, TF):(transcriptional factor, TF):反式作用 因子中，直接或间接结合RNA聚合酶的蛋白质因子。 顺式作用元件顺式作用元件: :与基因表达调控有关的DNA非编码序列 ( (一一) ) DNA DNA指导的指导的RNARNA聚合酶聚合酶 ( (二二) ) 启动子和转录因子启动子和转录因子 ( (三三) ) 终止子和终止因子终止子和终止因子 ( (四四) RNA) RNA生物合成的抑制剂生物合成的抑制剂 第第3636章章 RNARNA的生物合成和加工的生物合成和加工 一一 DNADNA指导下的指导下的RNARNA的合成的合成 （三）终止子和终止因子 终止子:提供转录停止信号的DNA序列 终止因子:协助RNA聚合酶识别终止信号 的辅助因子 终止子 不依赖于因子的终止子 (终止) 依赖于因子的终止子 terminator P464 1. 不依赖 Rho因子的转录终止 DNA模板近终止处，有特殊的碱基序列， 转录出RNA产物形成特殊的结构终止转录。 发夹结构：反向碱基互补序列 末端PolyU：U:A不稳定. P464 2. 依赖 Rho因子的转录终止： 因子 1. 识别结合富含C的RNA链 功能 2. ATPase活性 3. 解螺旋酶活性 P465 RNA 聚合酶 因子附在RNA链上 因子 RNA 链形成一个发夹结构，转录 停止，因子利用ATP能滑行 因子发挥解螺旋酶活性，解开发夹和RNA-DNA 依赖Rho因子的转录终止 ( (一一) ) DNA DNA指导的指导的RNARNA聚合酶聚合酶 ( (二二) ) 启动子和转录因子启动子和转录因子 ( (三三) ) 终止子和终止因子终止子和终止因子 ( (四四) RNA) RNA生物合成的抑制剂生物合成的抑制剂 第第3636章章 RNARNA的生物合成和加工的生物合成和加工 一一 DNADNA指导下的指导下的RNARNA的合成的合成 一一 DNADNA指导下的指导下的RNARNA的合成的合成 二二 RNARNA的转录后加工的转录后加工 三三 RNARNA指导下的指导下的RNARNA和和DNADNA的合成的合成 主要内容 第第3636章章 RNARNA的生物合成和加工的生物合成和加工 RNA的转录后加工 （一） 原核生物中RNA的加工 （二） 真核生物 RNA的一般加工 （三） RNA拼接、编辑和再编码 （四） RNA生物功能的多样性 （五） RNA的降解 30S前体 专一核酸内切酶 核酸外切酶 RNase III RNase PRNase E （一） 原核生物中RNA的加工 1 RNase F 2 总结 RNA的转录后加工 （一） 原核生物中RNA的加工 （二） 真核生物 RNA的一般加工 （三） RNA拼接、编辑和再编码 （四） RNA生物功能的多样性 （五） RNA的降解 rRNA 间隔区 （二） 真核生物 RNA的一般加工 2 真核生物 tRNA前体加工： 真核生物 tRNA基因也是成簇排列，被间隔区分开, 由RNARNA聚合酶聚合酶IIIIII转录。 5- tRNA成熟酶类似于原核生物RNase P（但其中的 RNA不是ribozyme），3- 端需要多种核酸内切酶和 核酸外切酶。 真核生物tRNA自身不含有-CCAOH结构，全部由 tRNAtRNA核苷酰转移酶核苷酰转移酶催化合成催化合成。 转录初产物为4.8S（100nt），成熟产物为4S（70- 80nt） 加工 tRNA的初级产物 成熟 tRNA 内切酶 外切酶 连接酶 tRNA转录后各种稀有碱基的生成 (2)还原反应： U DHU (3)核苷内的转位反应：U (4)脱氨反应：A I (1)甲基化：m7GG 3 真核生物 mRNA前体加工： 单顺反子：以单个基因为转录单位 内含子：插入序列，居间序列 核内不均一核内不均一RNARNA（heterogenous nuclear RNA， hnRNAhnRNA）：核内加工过程中mRNA前体形成的分子 量大小不一的中间物。也称为类似类似DNADNA的的RNARNA（D D RNARNA）。 hnRNA半寿期很短，几分钟至几小时。 平均25%的hnRNA转变为mRNA 3 真核生物 mRNA前体加工 1） 5 帽子的形成: 5 帽子：是真核生物mRNA 5 末端特征结构，是在 mRNA 5 末端反向接上的一个鸟苷酸。 形成于核内加工时期。 典型5 帽子结构：mm 7 7 GpppNmNGpppNmN（Cap I型） 5 帽子功能：稳定稳定mRNAmRNA，不被核酸外切酶水解，不被核酸外切酶水解； 翻译起始的识别功能翻译起始的识别功能 (是翻译起始的必要结 构，为核糖体对mRNA的识别提供了信号.) P477 Cap O型 Cap I型 Cap II型 2） 3 polyA尾巴的形成: 3 尾巴：真核生物mRNA的3端大都有20 200 个腺苷酸残基构成的polyA长链。 形成于核内加工时期。 形成位置在mRNA的3-端一段保守序列 - -AAUAAAAAUAAA- - 下游11 30个nt处。 加尾信号加尾信号 多聚腺苷酸尾巴: 与mRNA由细胞核到细胞溶胶的转位有关; 可防止核酸外切酶对mRNA信息序列的降解作用 内含子 核mRNA的拼接体 的拼接 AG 3 5 GU 外显子1 内含子 外显子2 外显子1外显子2 内含子 套索(lariat)结构 第一次转酯反应 第二次转酯反应 mRNA 3） 内含子的切除及hnRNA的拼接： 编码蛋白基因的内含 子结构特征： GT-AGGT-AG规则 即：内含子左端（ 5 端）都是GT；而右端（ 3 端）都是AG。 对应于RNA为GU-AGGU-AG 参考资料 3 真核生物 mRNA前体加工 参考资料 真核生物hnRNA的拼接是由核内小分子核内小分子 RNARNA（snRNAsnRNA）来完成。 snRNA：100-300个nt的RNA，U含量高的 称为U系列snRNA。 其中除了U3以外， U U 1 1 U U6 6 都参与hnRNA的加工。 拼接体（拼接体（splicesomesplicesome）：snRNA与蛋白构 成核糖核蛋白（snRNPsnRNP），组装成为50- 60S的椭球体。主要参与hnRNA的剪接. （三）（三）RNARNA拼接、编辑和再编码拼接、编辑和再编码 RNARNA编码序列的改变称为编码序列的改变称为编辑（编辑（ editingediting） 翻译时译码方式的改变称为翻译时译码方式的改变称为再编码（再编码（recodingrecoding） （三）RNA拼接、编辑和再编码 1 RNA的拼接 2 RNA的编辑 3 RNA的再编码 由于存在选择性的拼接、编辑和再编码，由于存在选择性的拼接、编辑和再编码， 一个基因可以产生多种蛋白质。一个基因可以产生多种蛋白质。 1 RNA1 RNA的拼接的拼接 2 RNA的编辑 3 RNA的再编码 （三）RNA拼接、编辑和再编码 1 RNA的拼接 1）类型I自我拼接(group I self-splicing) 2）类型II自我拼接(group II self-splicing) 3）核mRNA的拼接体的拼接(nuclear mRNA spliceosomal) 4）核内tRNA前体的酶促拼接(nuclear tRNA enzymatic) 5）反式拼接与选择性拼接 （三）RNA拼接、编辑和再编码 RNA的拼接方式 类型I 自我拼接 类型II 自我拼接 hnRNA的拼接 体的拼接 核内tRNA前 体的酶促拼接 1） 类型I自我自我拼接(group I self-splicing) 需要1价和2价阳离子及鸟苷酸（或鸟苷） 类型I自我拼接的内含子分布：真核生物的细胞 器(叶绿体和线粒体)基因，低等真核生物的核 rRNA的基因，细菌和噬菌体的个别基因 1 RNA的拼接 RNA的拼接方式 类型I 自我拼接 类型II 自我拼接 hnRNA的拼接 体的拼接 核内tRNA前 体的酶促拼接 2）类型II自我拼接(group II self-splicing) 内含子靠近3端的腺苷酸2-羟基攻击内含子5磷 酸基 套索结构 类型II类内含子：只见于真菌线粒体和植物叶绿 体基因。 1 RNA的拼接 RNA的拼接方式 类型I 自我拼接 类型II 自我拼接 hnRNA的拼接 体的拼接 核内tRNA前 体的酶促拼接 3）核mRNA的拼接体的拼接(nuclear mRNA spliceosomal) hnRNA的拼接 4）核内tRNA前体的酶促拼接(nuclear tRNA enzymatic) 核酸内切酶，识别tRNA共同的二级结构 RNA连接酶 1 RNA的拼接 6）RNA拼接的生物学意义 RNA拼接是生物机体在进化历史中形成的，是进化的结果 。约半数的基因其外显子与蛋白质结构域、亚结构域或基 序有很好的对应关系。 b. RNA拼接是基因表达调节的重要环节。可通过选择性拼接 控制生物机体生长发育。 c. 基因由模块装配而成，模块间的间隔序列也就演变为内含 子，因此外显子和内含子有着同样古老的历史。 d. RNA拼接主要存在于真核生物，原核生物极为少见。内含 子的存在和拼接作用对生物机体的进化十分重要。促进重 组，增加基因组的复杂性。 e. 有些内含子具有编码序列，能产生蛋白质或功能RNA。 I型内含子能产生核酸内切酶，II型内含子能产生核酸内切 酶或拟转录酶，以帮助内含子转移。许多核仁小RNA是由 内含子产生。 P485 1 RNA的拼接 2 RNA2 RNA的编辑的编辑 3 RNA的再编码 （三）RNA拼接、编辑和再编码 2 RNA2 RNA的编辑的编辑 RNARNA编辑编辑: : 转录产生的转录产生的RNARNA通过删除、插入碱基、碱基的脱氨通过删除、插入碱基、碱基的脱氨 或氨基化而使原编码序列发生改变的方式或氨基化而使原编码序列发生改变的方式. . 一个一个mRNAmRNA前体的编辑产物可以产生多种蛋白质前体的编辑产物可以产生多种蛋白质. . 指导指导RNARNA（guide RNA, guide RNA, gRNAgRNA): ):与被编辑与被编辑mRNAmRNA序列互补，可作序列互补，可作 为编辑的模板。为编辑的模板。 编辑体编辑体( (editosomeeditosome) )：在被编辑的：在被编辑的mRNAmRNA分子上由分子上由gRNAgRNA和蛋白质和蛋白质 装配而成的复合体，参与编辑过程。装配而成的复合体，参与编辑过程。 编辑酶编辑酶 （三）RNA拼接、编辑和再编码 1 RNA的拼接 2 RNA2 RNA的编辑的编辑 3 RNA3 RNA的再编码的再编码 （三）RNA拼接、编辑和再编码 3 RNA3 RNA的再编码的再编码 RNARNA的再编码（的再编码（recoding)recoding)：译码方式不同，即改变了原来：译码方式不同，即改变了原来 编码的含义。编码的含义。 校正校正tRNAtRNA: : 变异的变异的tRNAtRNA，反密码子环碱基发生改变，或，反密码子环碱基发生改变，或 是决定是决定tRNAtRNA特异性即个性的碱基发生改变，从而改变特异性即个性的碱基发生改变，从而改变 了译码规则，使错误的编码信息受到校正。了译码规则，使错误的编码信息受到校正。 消除错义、无义和移码突变的影响。消除错义、无义和移码突变的影响。 核糖体移码核糖体移码(ribosomal (ribosomal frameshiftingframeshifting) )或程序性阅读框架移或程序性阅读框架移 位位(programmed reading (programmed reading frameshiftingframeshifting) )或翻译移码或翻译移码 (translational (translational frameshiftingframeshifting): ): 核糖体遇到某些核糖体遇到某些mRNAmRNA可可 能在翻译的一定位点上发生能在翻译的一定位点上发生“ “打嗝打嗝” ”，由此改变阅读框架，由此改变阅读框架 。 （三）RNA拼接、编辑和再编码 P488 反义反义RNA(antisenseRNA(antisense RNA): RNA): 通过与靶部位序列互 补而与之结合，或直接阻止其功能，或改变靶 部位构象而影响其功能. tmRNAtmRNA: 一半结构类似tRNA，并携带一个丙氨酸 ；另一半可作为mRNA翻译出一个十肽，兼有 tRNA和mRNA的功能。 识别3端残缺的mRNA，使其翻译产物带上标志 （异常十一肽尾部）。 RNARNA干扰干扰(RNA interference, (RNA interference, RNAiRNAi): ):一些小RNA 能关闭有关基因的表达。 多种小分子RNA 参与转录水平调节 一一 DNADNA指导下的指导下的RNARNA的合成的合成 二二 RNARNA的转录后加工的转录后加工 三三 RNARNA指导下的指导下的RNARNA和和DNADNA的合成的合成 主要内容 第第3636章章 RNARNA的生物合成和加工的生物合成和加工 三 RNA指导下的RNA和DNA的合成 （一） RNA复制： 1 噬菌体Q RNA的复制： 噬菌体Q RNA： 4500nt, 编码3-4个蛋白。 外壳蛋白在转录时发生通通 读读，则产生A1蛋白。 噬菌体Q RNA本身(+链) 是mRNA，可以直接翻译 。 复制酶亚基合成后，利 用宿主的成分装配复制酶 A1蛋白 (A或A2蛋白) 复制酶(replicase): RNA指导的RNA聚合酶 2 噬菌体Q复制酶组成 首先以Q RNA（正链）为模板合成负链，再以负链 为模板合成大量正链，并合成成熟所需要的蛋白。 亚亚基来源功能 I（）宿主核糖体蛋白S1与噬菌体Q RNA结结合 II（ ） 噬菌体编码编码 、合成聚合反应应活性中心 III（ ） 宿主细细胞EF-Tu因子 与底物结结合，识别识别 模 板并选择选择 底物 IV（ ） 宿主细细胞EF-Ts因子稳稳定和亚亚基 噬菌体Q的合成 A. 负链的合成 B. 正链的合成 病毒的正链 复制中间体 复制中间体 新合成的正链