第36章 RNAppt课件.ppt

第36章RNA的生物合成和加工,1,RNA的合成,转录,复制,DNA指导下的RNA合成,RNA指导下的RNA合成（主要针对一些病毒RNA）,2,一、DNA指导下的RNA合成,1.RNA链的合成方向也是5一32.4种NTP（ATCU）合成RNA，镁离子能促进聚合反应。3.RNA聚合酶无需引物，能直接利用DNA模板合成RNA,RNA聚合酶无校对功能。4.以DNA单链为模板（或以一条链，或以这条链某一区段和另一条链的某一区段为模板）,（一）DNA指导的RNA聚合酶,3,编码链（+）,模板链（-）,4,RNA聚合酶的结构,1、原核生物RNA聚合酶,5,（2）真核RNA聚合酶（根据它们对-鹅膏蕈碱的敏感性分类）,真核RNA聚合酶不含因子，但有许多转录因子结合到启动子上参与转录,6,（1）原核生物（457页）a.模板的识别（因子寻找启动子）b.起始（第一个核苷酸常常是嘌呤，延伸2-9个bp后因子解离）c.延伸d.终止（在辅助因子下识别终止信号）,转录的过程,7,8,（2）真核的转录与原核类似，但不含因子，但有许多转录因子结合到启动子上参与转录,9,(二)启动子和转录因子,启动子:是指RNA聚合酶识别、结合和开始转录的一段DNA序列。转录因子:RNA聚合酶起始转录需要的辅助因子(蛋白质)，它的作用或是识别DNA的作用位点，或识别其他因子，或识别RNA聚合酶。,10,1.启动子结构,（1）原核生物的启动子结构,-35区提供RNA聚合酶的识别部位；-10区主要有助于DNA局部双链解开。因子可识别-35区和-10区，引导RNA聚合酶的结合,11,（2）真核生物的启动子结构,I类启动子,II类启动子,III类启动子,用于RNA聚合酶I的转录,用于RNA聚合酶II的转录,用于RNA聚合酶III的转录,12,I类启动子,类别I启动子只控制rRNA前体基因的转录。启动子特点：都有富含GC的区域。,RNA聚合酶I对其转录需要两种因子参与作用。UBFl可结合在两部分富含GC区。随后SLl因子（功能类似因子）结合其上，在SLl因子介导下RNA聚合酶I结合在转录起点上并开始转录。,13,II类启动子,基本启动子,起始子,上游元件,应答元件,14,基本启动子,基本启动子序列中心在-25至-30左右的7bp保守区，功能：与RNA聚合酶的定位有关，DNA双链在此解开并决定转录的起点位置。,TATA框,15,起始子,转录的起点位置处有一保守序列称起始子，其共有序列：PyPyANT(A)PyPy,起始子,16,上游元件,指一些能调控转录水平的保守DNA序列区，主要包括：,CAATbox：共有序列是GCCAATCT,GCbox：共有序列为GGGCGG和CCGCCC,Octamerbox：含有8bp，其共有序列为ATGCAAAT,17,应答元件,能被外界环境诱导表达的转录激活因子结合的DNA区域称为应答元件。例如：热休克效应元件HSE在真核生物中，与细胞类型和发育阶段相关的基因表达，主要通过转录因子的重新合成来进行调节的，因此是长期的过程。对外界刺激的快速反应则主要通过转录激活因子的可诱导调节。,18,III类启动子,为RNA聚合酶所识别，它涉及一些小分子RNA的转录。可分为：（1）基因内启动子：5SrRNA和tRNA基因的启动子位于转录起点下游。（2）基因外启动子：核内小RNA(snRNA)基因的启动子在转录起点的上游，与通常的启动子类似。,19,(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(蛋白质)。有些终止子的作用可被特异的因子所阻止，使酶得以越过终止子继续转录，这称为通读（readthrough）这类引起抗终止作用的蛋白质称为抗终止因子。,20,1.终止子的结构,（1）原核生物的终止子的结构所有原核生物的终止子在终止点之前均有一个回文结构，其产生的RNA可形成由茎环构成的发夹结构。该结构可使聚合酶减慢移动或暂停RNA的合成。,大肠杆菌两种类型的终止子,21,不依赖于rho()因子的终止子,所有原核生物的终止子在终止点之前均有一个回文结构，其产生的RNA可形成由茎环构成的发夹结构。回文对称区通常有一段富含C-C的序列。该结构可使聚合酶减慢移动或暂停RNA的合成。在终点前还有一系列U核苷酸(约有6个)，寡聚U序列可能提供信号使RNA聚合酶脱离模板。,22,依赖于rho()因子的终止子,Rho因子是一种六聚体蛋白质，具有依赖于RNA的NTPase活力。推测，Rho结合在新产生的RNA链上，借助水解NTP获得的能量推动其沿着RNA链移动。RNA聚合酶遇到终止子时发生暂停，使Rho得以追上酶。Rho与酶相互作用，造成释放RNA，并使RNA聚合酶与该因子一起从DNA上脱落下来。,23,终止子的结构,（2）真核生物的终止子的结构不清楚,24,顺式作用元件：指调节转录的DNA序列，如启动子、终止子、增强子反式作用因子：指可以和顺式作用元件结合的调节蛋白，如启动转录因子、终子因子,25,第二节RNA的转录后加工,26,转录后加工,在细胞内，由RNA聚合酶合成的原初转录物往往需要经过一系列的变化，包括链的裂解、5端与3端的切除和特殊结构的形成、核苷的修饰和糖苷键的改变、以及拼接和编辑等过程，才能转变为成熟的RNA分子。此过程总称为RNA的成熟，或称为转录后加工,27,一、原核生物的RNA转录后加工,（1）mRNA一经转录通常立即进行翻译，一般不进行转录后加工。（2）rRNA和tRNA经过一系列后加工才能成为有活性的分子,28,1.原核生物rRNA后加工过程,大肠杆菌共有7个rRNA的转录单位，它们分散在基因组的各处。每个转录单位由16SrRNA、23SrRNA、5SrRNA以及一个或几个tRNA的基因所组成。,核酸酶,29,2.原核生物tRNA后加工过程,大肠杆菌染色体基因组共有tRNA的基因约60个。tRNA的基因大多成簇存在，或与rRNA的基因，或与编码蛋白质的基因组成混合转录单位。tRNA前体的加工包括：由核酸内切酶在tRNA两端切断；由核酸外切酶从3端逐个切去附加的顺序，进行修剪；在tRNA3端加上(CCAOH)；核苷酸的修饰和异构化。,30,（1）RNaseP切断tRNA5端，形成5成熟端；（2）RNaseF从3内切，然后由RNaseD往里切，直到露出3端；（3）tRNA存在种不同的端（需tRNA核苷酰转移酶的作用）（）tRNA分子的修饰（甲基化和假尿嘧啶核苷的合成）,31,真核生物rRNA基因拷贝数较多，通常在几十至几千之间。rRNA基因成簇排列在一起，由16-18S、5.8S和26-28SrRNA基因组成一个转录单位，彼此被间隔区分开，由RNA聚合酶I转录产生一个长的rRNA前体。核仁是rRNA合成、加工和装配成核糖体的场所,rRNA前体转录出来以后也是先甲基化，然后再被切割成成熟的RNA。,二.真核生物RNA后加工过程,1.真核生物rRNA后加工过程,32,1.真核生物rRNA后加工过程,33,2.真核生物tRNA后加工过程,真核生物的tRNA基因也成簇排列，并且被间隔区所分开。tRNA基因由RNA聚合酶III转录，转录产物为稍大的tRNA前体，前体分子在tRNA的5端和3端都有附加的序列，需由核酸内切酶和外切酶加以切除。真核生物tRNA前体的3端不含CCA序列，成熟tRNA3端的CCA是后加上去的，催化该反应的酶是核苷酰转移酶。tRNA的修饰成分由特异的修饰酶所催化。,34,3.真核生物mRNA后加工过程,真核生物编码蛋白质的基因以单个基因作为转录单位，大多数蛋白质基因存在居间序列，它与编码序列一起被转录，需要在最后加工过程中切除掉，mRNA的原初转录物是相对分子质量极大的前体，在核内加工过程中形成分子大小不等的中间物，它们被称为核内不均一RNA(缩写为hnRNA)。,35,由hnRNA转变成mRNA的加工过程包括：5端形成特殊的帽子结构，在链内3端切断并加上polyA尾巴(AAUAA信号)，通过拼接除去由内含子转录来的序列链内部核苷被甲基化（主要是m6A）。,36,37,38,39,三、RNA的拼接、编辑和再编码,断裂基因的转录产物去除内含子，使外显子成为连续序列的过程称为拼接（splicing）RNA编码序列的改变称为编辑(editing)RNA编码和读码方式的改变称为再编码(recoding)，也就是说编码在mRNA上的遗传信息可以以不同的方式进行译码。,40,1.迄今所知，RNA的拼接共有4种方式：,类型I自我拼接,类型自我拼接,核mRNA的拼接体的拼接,核内tRNA的酶促拼接,41,1.类型I自我拼接,类型I自我拼接的内含子分布很广，存在于真核生物的细胞器(线粒体和叶绿体)基因，低等真核生物核的rRNA的基因，细菌和噬菌体的个别基因中。,42,1.类型I自我拼接,研究四膜虫rRNA前体拼接过程中发现，此类拼接无需蛋白质的酶参与作用，它可自我催化完成。26SrRNA的基因中有一个内含子，此拼接过程只需要1价和2价阳离子以及鸟苷酸(或鸟苷)存在即能自发进行。拼接实际上是磷酸酯的转移反应。,43,2.类型自我拼接,类型内含子只见于某些真菌线粒体和植物叶绿体基因。它与类型I内含子自我拼接的差别在于：转酯反应无需游离鸟苷酸(或鸟苷)发动，而是由内含子靠近3端的腺苷酸2-羟基攻击5-磷酸基引起的。经过两次转酯反应，内含子成为套索结构被切除，两个外显子得以连接在一起。,44,内含子靠近3端有一保守序列CUGAC，其上A的2-OH可与末端5-P形成磷酸酯键。,2.类型自我拼接,45,3.核mRNA的拼接体的拼接,这些内含子的左端(5端)均为GT，右端(3端)均为AG，此称为GTAG规则(对应于RNA为GUAG)。此规则不适合于线粒体和叶绿体基因的内含子，也不适合于tRNA和rRNA核基因的内含子,46,3.核mRNA的拼接体的拼接,hnRNA的拼接过程与类型内含子RNA的拼接十分相似，其差别在于前者由拼接体完成，后者由内含子自我催化完成。U1、U2、U4、U5、U6snRNP和约50种蛋白质所组成的复合物组成拼接体参与hnRNA的拼接,47,拼接体与内含子RNA的序列结合，使内含子自身回折形成发夹结构，构成类似于型内含子的催化中心。,48,4.核内tRNA的酶促拼接,酵母基因组共有约400个tRNA的基因，含有内含子的基因仅占十分之一。内含子长度从14-46bp不等，它们之间并无保守序列。推测切除内含子的酶识别的仅是共同的二级结构，而不是共同的序列。通常内含子插入到靠近反密码子处。,49,反应分两步进行，分别由不同的酶所催化。第一步是由一个特殊核酸内切酶断裂磷酸二酯键，切去插入序列，反应不需要ATP。第二步需要ATP，由RNA连接酶催化使切开的tRNA两部分共价连接。,50,5.反式拼接与选择性拼接,分子内拼接，称为顺式拼接。分子间的拼接，称为反式拼接。类似于顺式拼接过程，反式拼接比较少见。一个基因的转录产物在不同的发育阶段、分化细胞和生理状态下，通过不同的拼接方式，可以得到不同的mRNA和翻译产物，称为选择性拼接。,51,选择性拼接,52,选择性拼接举例,降钙素(calcitonin)神经肽（neuropeptide）,53,选择性拼接方式,hnRNA,54,2RNA的编辑,ApoBmRNA前体在小肠细胞中在特定的位置上一个C脱氨变成U，原来编码谷氨酸的密码子CAA变成终止密码子UAA，从而引起翻译提前结束。,肝脏,小肠,55,2RNA的编辑,锥虫线粒体DNA时发现，其细胞色素氧化酶亚基(co)基因与酵母或人的相应基因对比存在一个-1的移码突变，然而酶的功能又是正常的。进一步比较发现转录物在移码突变位点附近有4个不被基因DNA编码的额外尿苷酸，正好纠正了基因的移码突变。,56,2RNA的编辑的生物学意义,（1）RNA编辑可以消除移码突变等基因突变的为害。（2）RNA编辑增加了基因产物的多样性，是基因调控的一种重要方式。（3）RNA编辑还可能使基因产物获得新的结构和功能，有利于生物进化。,57,3RNA的再编码,基因的错义、无义和移码突变，改变了编码信息，使基因活性降低或失活。校正tRNA通常是一些变异的tRNA，它们或是反密码子环碱基发生改变，或是决定tRNA特异性即个性的碱基发生改变，从而改变了译码规则，故而使错误的编码信息受到校正。这是RNA再编码的一种重要方式。（1）校正tRNA在突变的位置上引入一个与原来氨基酸相同或性质相近的氨基酸，因而恢复或部分恢复基因编码蛋白质的活性，（2）通过阅读一个二联体密码子或四联体密码子而消除-1移码或+1移码的效应。,58,第三节在RNA指导下RNA和DNA的合成,59,在RNA指导下RNA和DNA的合成,一、RNA的复制,二、RNA的逆转录,60,一、RNA的复制,从感染RNA病毒的细胞中分离出RNA聚合酶，这种酶以病毒RNA作为模板，在有4种dNTP和Mg2+存