《RNA生物合成》课件.ppt

第十二章 RNA生物合成 RNA transcription,概述：DNA转录RNA前体 加工成熟RNA的过程 RNA合成的两种方式： 1、 DNA指导的 RNA合成。 2、 RNA指导的 RNA合成。 第一节 转录作用 一、转录作用及特点 由DNA指导的RNA合成， DNA以碱基互补原则，决 定合成RNA的全部碱基成分及排列顺序，将DNA模板 上的遗传信息传递到RNA分子的过程为转录作用。 1、反应体系： DNA模板,NTP,酶，Mg2+,Mn2+，合成 方向53。连接方式- 3 , 5磷酸二酯键。 2、转录特点： 不对称转录（asymmetric transcription）,DNA片段转录时，双链DNA中只有一条链作为转录 的模板，这种转录方式称作不对称转录。（图12-1 模板链及反意义链：（template strand） 指导RNA合成的DNA模板链。 编码链及有意义链：（coding strand） 不作为转录的另一条DNA链。 （图12-2） 由于基因分布于不同的DNA单链中，即某条DNA单 链对某个基因是模板链，而对另一个基因则是编 码链。 原料：四种磷酸核苷NTP,DNA中的A在RNA中变为U 合成过程是连续的，方向： 53 合成部位：细胞核内 二、原核RNA聚合酶,组成：5个亚基，2为全酶， 2为核心酶。 作用： 识别DNA分子中转录的起始部位。 促进与模板链结合，并使DNA双链打开17bp.。 催化NTP的聚合，完成一条RNA链的聚合反应。 识别转录终止信号，停止聚合反应，参与转录 水平的调控。（图12-3） 特点： 聚合速率慢，3085NTP/秒。 缺乏外切酶活性,无校对功能，错误率10-6。 不同的识别不同的启动子。例：32识别热休 克启动子。 可被药物抑制（利福平）。人的RNA聚合酶对利 福平不敏感。利用此特点可研制杀菌药物。 三、真核RNA聚合酶,真核较原核的酶复杂，已清楚的有,及Mt 4 型。（表12-1） 组成：均由多亚基构成，聚合酶中的某个亚基与原核聚合酶的亚基高度同源。 四、启动子及终止子（promoter,terminator,stop signal） （一）启动子 1、原核启动子：结构约55bp,分为起始点（start site）、结合部位、识别部位。 功能 起始点:转录起始部位以+1表示，转录的 第1个核苷酸常为嘌呤-G,A。 结合部位：约6bp组成,是高度保守区,共有序列 为5-TATAAT-3 ,位于起始点上游-10。因Tm低,DNA,易解开双链，为RNA聚合酶提供场所。 识别部位：约6bp组成,在-35处,为高度保守区,序 列5-TTGACA-3, 因子识别此部位。（图12-4） 2、真核启动子结构（以RNA pol为例） 于-25处含AT富集区, 共有序列TATAA（TATA box） -70处含共有序列CAAT ,还含许多其它box ,例如 GC box,E-box等。（图12-5） 含增强子enhancer和静息子silencsr RNA pol和 RNA pol与聚合酶所识别的启动 子差异较大。 （二）终止信号：（图12-6） 特点：终止部位含GC富集区与AT富集区,它们分别 形成发卡结构和连续的U区，以终止转录。,蛋白因子辅助识别终止信号，参与终止。 五、转录过程 （以原核为例） （一）起始 RNA聚合酶-识别起始位点 核心酶与DNA结合 E 以核心酶 DNA构象改变局部双链打开17bpNTP形成3,5二酯键 形式沿 DNA滑动 因子可再次与核心酶结合，循环使用。 (二）延长 形成转录泡-由DNA双链,RNA聚合酶与新合成的 转录本RNA局部形成的结构,它贯穿于延长过程的 始终。 E 与DNA模板互补的NTP 3,5磷酸二酯键相连 合成方向5 3,合成出的RNA与DNA形成杂交分子,约12bp，因结 合不紧很易脱离。（图12-7） （三）终止 合成移到终止信号时,酶不滑动,聚合停止,转录完成。 特点参与的终止：与RNA产物中富含C的部位 结合,并诱使RNA聚合酶构象改变停止滑动; 因子的 解螺旋酶活性,利于RNA产物的释放。（图12-8） 其它终止方式：GC区形成发卡结构，聚U区使配 对不稳定, RNA产物的释放。（图12-9） （四）真核生物转录特点 启动子复杂,某些基因不含TATA box。 顺式作用元件cis-acting-element:指影响自身基因表达活性的DNA序列。,形成转录起始复合物，需多种蛋白因子参与。 转录因子transcription factor与反式作用因子trans-acting factor:（表12-2） 调节基因表达的蛋白为转录因子；它们与特异的 顺式作用元件相互作用,并激活另一基因的转录。 起始前复合物的形成 pre-initiation complex,PIC TATATFD TF A TF B RNAPol /TF F TF E PIC （图12-10） 转录终止序列，在3端之后有共同序列AATAAA及 多个GT序列，mRNA在转录终止序列处被切断。 第二节 真核生物转录后的加工 意义：转录生成的前体RNA,无生物学活性,需加 工变为成熟、有活性的RNA。 加工种类： 剪切与剪接（cleavage,splicing）,末端添加核苷酸（terminal additing） 修饰（modification）：在碱基和核糖上进行化 学修饰。 RNA编辑（ RNA editing） 一、mRNA前体的加工 （一）生成特点：原核 ： mRNA是多顺反子 (polycistronic,每分子RNA中含几种蛋白质信息， RNA寿命短，转录没完时翻译即开始。 例:乳糖操纵子，含Z,Y,A三个基因,分别编码半乳糖 苷酶、透过酶及乙酰基转移酶。 真核：单顺反子monocistronic,一个mRNA仅编 码一种蛋白质。 外显子exon-在真核生物基因中编码蛋白质的序列。,内含子intron-非编码蛋白的序列,因其插于外显 子之间又称插入序列,居间序列。 hnRNAhetorogenous RNA-为mRNA的前体, 转录物中外显子与内含子间隔排列，需经剪 接加工后生成mRNA。 （二） mRNA前体加工过程 原核：多顺反子mRNARNase单独的顺反子 真核：1. 5末端帽子的生成：部位:核内（图12-10-2） 2. 3末端多聚尾的生成：部位:核内 ,胞质有酶也可进 行。 3 . 剪接作用:部位-胞核 在细胞核内, hnRNA剪切内含子,将个外显子连接,为成熟mRNA的过程。少数基因不需剪接干扰素 例1：卵清蛋白基因成熟过程 （图12-11）。 例2:同一转录本, 在不同的组织, 因剪接差异产生各 自不同的mRNA。（图12-12） 剪接特点： 剪接部位为内含子末端的特定序列-5端剪切点 为GU;3端剪切点为AG；含A序列的分支点。 套索的形成及剪除： 机制-二次磷酸酯转移 （图12-13） 剪接体的生成-由hnRNA与非特异的小核核糖核 蛋白（snRNP）结合而成。（U1、U2-U6） 4 .甲基化：甲基化发生在剪接之前,在非编码区分子含12个m6A。,5.RNA编辑（RNA editing） 某些mRNA的核苷酸序列,在生成转录产物后还 需插入、删除或取代一些核苷酸残基,方能生成具 有正确翻译功能的模板,遗传信息在mRNA水平上 的改变过程，称为RNA编辑。 例1:锥虫细胞色素氧化酶（图12-14） 例2 :血浆脂蛋白的apo B编辑作用 （图12-15） 二、tRNA前体的加工 1、切除多余的核苷酸，RNase p切除5端多余的 核苷酸；Rnase D切除3端多余的核苷酸. 2、剪切内含子：核酸内切酶切除内含子,连接酶 进行连接。 3、修饰与3末端加-CCA:甲基化,脱氨基,还原反应,在核苷酸基转移酶催化下，加入CCA。（图12-16） 三、rRNA前体的加工 特点： rRNA拷贝多,原核5107;真核:果蝇260;Hela细 胞1100个拷贝。 过程 1、剪切作用，需核酸酶。 2、甲基化修饰，在碱基上。 3、自我剪接。 加工过程5S变化不大。 无转录功能 原核rRNA加工 rRNA含非转录的间隔区 产物 tRNA 30S前体rRNARNase 17S-tRNA-23S-5S-tRNA 核酸酶16S,23S,5S,tRNA （图12-17） 真核rRNA加工1. 5S自成体系加工少无修饰剪接。 2.45S加工中含剪切和甲基化修饰，需核酸酶。,（图12-18） 第三节 核酶（ribozyme） 背景1982年Cech发现四膜虫rRNA前体自我剪接作 用，RNA有催化作用;1983年发现RNase P中的RNA可 催化tRNA前体的加工。 例:四膜虫rRNA前体剪接过程: 1.二次剪接以磷酸酯转移形式，需鸟苷作辅助因子。 2 .内含子自身环化时剪切核苷酸。（图12-19） 核酶的结构与作用：锤头结构（图12-20） 1.核苷酸转移作用。 2.水解反应，即磷酸二酯酶作用。 3.磷酸转移反应，类似磷酸转移酶作用。 4.脱磷酸作用，即酸性磷酸酶作用。,5.RNA内切反应，即RNA限制性内切酶作用。 意义： 1. RNA为生物催化剂，具有重要 生物学意义。 2.打破了酶是蛋白质的传统观念。 3.在生命起源问题上，为先有核酸提供了依据。 4.为治疗破坏有害基因，肿瘤等疾病提供手段。 核酶与内含子的关系： 1.目前发现的核酶数量较少，常见于rRNA的内含子. 2.内含子存在于各种RNA分子中，它们并不都具有 核酶的功能。 3.内含子分为三类： （1）内含子可自我剪接,不需任何蛋白质参与,分两 型-需鸟苷参与。形成套索形式剪接。,（2）内含子的剪接需要蛋白酶的参与，如tRNA。 （3）内含子的剪接需形成剪接体的形式，除各种蛋白因子外还需各种snRNP的参与。,图 12-1 转录作用,图 12-3原核生物的RNA聚合酶,表 12-1 真核生物的聚合酶,图 12-4 原核生物启动子,图 12-4 原核生物启动子,图 12-5 真核基因调节序列示意图,图 12-5 真核启动子,图 12-6 转录终止结构,图 12-7 RNA转录,图 12-8 因子的终止作用,图 12-9 原核转录终止模式 转录产物影响转录终止,表 12-2 参与RNA-pol II转录的TFII,图 12-