14-RNA的生物合成

1、 14.1 RNA14.1 RNA生物合成的概况生物合成的概况 转录（转录（DNADNA指导的指导的RNARNA合成）的概念合成）的概念 DNA携带的遗传信息（基因）传递给RNA分子的 过程称转录（transcription ）。 DNA RNA 转录产物有转录产物有mRNAmRNA、tRNAtRNA、rRNArRNA等等 反应体系：以反应体系：以DNADNA模板模板,NTP,NTP为原料为原料,RNA,RNA聚合聚合 酶催化。酶催化。 模板需要解旋解链，但不需要引物。模板需要解旋解链，但不需要引物。 合成连续进行，合成方向：合成连续进行，合成方向： 5 5 3 3 从头合从头合 成，成，5

2、5 末端的起始核苷酸常为末端的起始核苷酸常为GTPGTP或或ATPATP。 不对称转录不对称转录 不对称转录不对称转录-DNA-DNA片段转录时，片段转录时， 双链双链DNADNA中只有一条链作为中只有一条链作为 转录的模板，这种转录方式转录的模板，这种转录方式 称作不对称转录。称作不对称转录。 模板链模板链(template strand)(template strand)： 指导指导RNARNA合成的合成的DNADNA链为模板链，链为模板链， 又称反义链。又称反义链。 非模板链非模板链(nentemplate strand)(nentemplate strand)： 不作为转录的另一条不作

3、为转录的另一条DNADNA链链 为有义链，又称编码链。为有义链，又称编码链。 （模板链并非永远在同一条单链上）（模板链并非永远在同一条单链上） 不对称转录不对称转录 GCAGTACATGTC 5 5 3 3 DNA CGTCATGTACAG 编码链 模板链 GCAGUACAUGUCmRNA 转录 14.2 原核生物的转录 1.RNA1.RNA聚合酶聚合酶 （以大肠杆菌为例）（以大肠杆菌为例） 全酶由全酶由5 5种亚基种亚基2 2 组成组成； 因子与其它部分的结合不因子与其它部分的结合不 是是 十分紧密，它易于与十分紧密，它易于与 2 2分离；分离； 没有没有亚基的酶称为亚基的酶称为核心核心 酶

4、酶只催化链的延长，对起始只催化链的延长，对起始 无作用。无作用。 全酶全酶 (holoenzyme)(holoenzyme) 核心酶核心酶 (core enzyme)(core enzyme) 大肠杆菌大肠杆菌RNARNA聚合酶各亚基的功能聚合酶各亚基的功能 亚基亚基 基因基因 Mr 亚基亚基 功能功能 数目数目 rpoA 40,OOO 2 rpoA 40,OOO 2 酶的装配，与启动子上游酶的装配，与启动子上游 元件和活化因子结合元件和活化因子结合 rpoB 155,000 1 rpoB 155,000 1 结合核苷酸底物，催化磷结合核苷酸底物，催化磷 酸二酯键形成酸二酯键形成 rpoC 1

5、60,000 1 2rpoC 160,000 1 2个个Zn2+参与催化过程参与催化过程 ，与模板结合与模板结合 rpoD 32,OOO- 1 rpoD 32,OOO- 1 识别启动子，促进转录识别启动子，促进转录 92 92，000 000 的起始的起始 9,OOO 1 9,OOO 1 未知未知 启动子：启动子：指能被指能被RNARNA聚合酶识别、结合并启动聚合酶识别、结合并启动 基因转录的一段基因转录的一段DNADNA序列。序列。 RNA聚合酶能否与启动子相互作用是起始转录 的关键问题。 转录起点：转录起点：与新生与新生RNARNA链第一个核甘酸相对应链第一个核甘酸相对应 DNADNA链上

6、的碱基。链上的碱基。 转录起点是转录起点是+1+1，上游是，上游是-1-1。 不同的不同的 因子可识别不同的启动子因子可识别不同的启动子。 因子因子 编码基因编码基因主要功能主要功能 70 70 rpoD 参与对数生长期和大多数碳代谢过参与对数生长期和大多数碳代谢过 程基因调控程基因调控 54 54 rpoN参与多数氮源利用基因的调控参与多数氮源利用基因的调控 38 38 rpoH分裂间期特异基因的表达调控分裂间期特异基因的表达调控 32 32 rpoS热休克基因的表达调控热休克基因的表达调控 28 28 rpoF鞭毛趋化相关基因的表达调控鞭毛趋化相关基因的表达调控 24 24 rpoE过度热

7、休克基因的表达调节过度热休克基因的表达调节 大肠杆菌中的各种大肠杆菌中的各种因子比较因子比较 for standard promoters; for standard promoters; for heat-shock promoters; for heat-shock promoters; for nitrogen-starvation promoters for nitrogen-starvation promoters Standard Heat-shock Nitrogen starvation 不同的不同的因子识别不同启动子因子识别不同启动子 RNA聚合酶的作用 与与DNADNA结合

8、并使之解链，另外还具有解旋、重新使结合并使之解链，另外还具有解旋、重新使 DNADNA螺旋化作用。螺旋化作用。 催化催化RNARNA聚合反应，负责三种聚合反应，负责三种RNARNA合成。合成。 RNARNA聚合酶核心酶通过与不同的聚合酶核心酶通过与不同的 亚基结合，识别亚基结合，识别 不同的启动子。不同的启动子。 识别启动子，主要依赖于识别启动子，主要依赖于 亚基，亚基， 亚基只参与亚基只参与 转录的起始，并决定转录的方向。转录的起始，并决定转录的方向。 小 结 14.2.2转录的起始转录的起始（原核生物）原核生物） v转录起始点的确定转录起始点的确定 启动子被启动子被RNARNA聚合酶识别、

9、结合并启动基因转录聚合酶识别、结合并启动基因转录 v确定启动子的方法确定启动子的方法-足迹法足迹法 足迹法确定足迹法确定 启动子序列启动子序列 RNA聚合酶能否与启动子相互作用是起始转 录的关键问题。 转录起点：转录起点：与新生与新生RNARNA链第一个核甘酸相链第一个核甘酸相 对应对应DNADNA链上的碱基。链上的碱基。 转录起点是转录起点是+1，上游是，上游是-1。 原核生物的启动子结构原核生物的启动子结构 -10序列（序列（Pribnow框）框） 在转录起点上游大约在转录起点上游大约-10-10处，有一个处，有一个 6bp6bp的保守序列的保守序列TATAATTATAAT，称，称 Pri

10、bnowPribnow框。框。 此段序列出现在此段序列出现在-4-4到到-13bp-13bp之间，之间， 各碱基出现频率如下：各碱基出现频率如下： T89A89T50A65A65T100 Pribnow框决定转录方向。框决定转录方向。 酶在此部位与酶在此部位与DNA结合形成稳定的复结合形成稳定的复 合物，合物，Pribnow框中框中DNA序列在序列在 转录方向上解开，形成开放型起转录方向上解开，形成开放型起 始结构，它是始结构，它是RNA聚合酶牢固的聚合酶牢固的 结合位点，是启动子的关键部位。结合位点，是启动子的关键部位。 编码链 AACTGTATATTA 模板链 TTGACATATAAT 3

11、 5 DNA 转录起始点 Probnow盒子 启动子 3510+1 转录区 53 RNA -3535序列（序列（Sexfama boxSexfama box） （识别区域）（识别区域） 只含只含-10-10序列的序列的DNADNA不能转不能转 录，在录，在-10-10序列上游还有序列上游还有 一个保守序列，其中心约一个保守序列，其中心约 在在-35-35位置，称为位置，称为-35-35序列，序列， 此序列为此序列为RNARNA聚合酶的识聚合酶的识 别区域。别区域。 各碱基出现频率如下：各碱基出现频率如下： T T85 85T T8383G G8181A A6161C C6969A A5252

12、，其中 ，其中 TTGTTG十分保守。十分保守。 编码链 AACTGTATATTA 模板链 TTGACATATAAT 3 5 DNA 转录起始点 Probnow盒子 启动子 3510+1 转录区 53 RNA 大肠杆菌启动子共有序列的功能大肠杆菌启动子共有序列的功能 A G T C TTGACA TAT ATA AAT AACTGT AAT Pribnow 框框 -10序列序列 -35序列序列 识别区识别区 16-19bp 5-9bp 起点 有助于DNA局部 双链解开 提供了RNA聚合 酶识别的信号 起始过程起始过程 全酶在全酶在因子参与下接触到因子参与下接触到DNA上；上； RNA聚合酶通过

13、聚合酶通过因子识别因子识别启动子启动子并与之结合，形并与之结合，形 成封闭性的起始复合物；成封闭性的起始复合物； 酶结合在酶结合在-10区，区，启动子启动子活化；然后解开双链，暴活化；然后解开双链，暴 露模板链；露模板链； 酶移动到转录起始位点，加上第一个核苷三磷酸酶移动到转录起始位点，加上第一个核苷三磷酸(大大 多是多是GTP或或ATP)，形成三元复合物，转录开始。，形成三元复合物，转录开始。 -35 -10 pppG或pppA 55 55 33 33 模板链模板链 E 14.2.3 RNA14.2.3 RNA链的延伸链的延伸 以以NTPNTP为原料和能量为原料和能量,DNA,DNA 模板链

14、为模板，靠核心模板链为模板，靠核心 酶的催化，核苷酸间通酶的催化，核苷酸间通 过过3 3 ,5,5 - -磷酸二酯键成磷酸二酯键成 核糖核酸链核糖核酸链(RNA)(RNA) 整个转录过程是由同一整个转录过程是由同一 个个RNARNA聚合酶来完成的一聚合酶来完成的一 个连续不断的反应，个连续不断的反应，RNARNA 生成后，暂时与生成后，暂时与DNADNA模板模板 链形成链形成DNARNADNARNA杂交体，杂交体， 长度约为长度约为1818个碱基对，个碱基对， 形成一个转录泡。形成一个转录泡。 拓扑异构酶负责消除正拓扑异构酶负责消除正 超螺旋和形成负超螺旋超螺旋和形成负超螺旋 14.2.3 R

15、NA14.2.3 RNA链的延伸链的延伸 亚基释放亚基释放 在合成在合成8 8个核苷酸后，个核苷酸后，亚基释放，离开核心酶，使核心酶亚基释放，离开核心酶，使核心酶 的的亚基构象变化，与亚基构象变化，与DNADNA模板亲和力下降，在模板亲和力下降，在DNADNA上移上移 动速度加快，使动速度加快，使RNARNA链不断延长。链不断延长。 因子被释放的原因因子被释放的原因: : 它已不起作用；它已不起作用； 因子如仍然存在将会造成因子如仍然存在将会造成RNARNA聚合酶与启动子序列结合过聚合酶与启动子序列结合过 紧，以致不能再沿着模板移动。紧，以致不能再沿着模板移动。 所以当所以当因子被释放后，新生

16、链因子被释放后，新生链- -酶复合体与酶复合体与DNADNA模板的结合模板的结合 很弱，并且酶亦不再要求与特异序列的很弱，并且酶亦不再要求与特异序列的DNADNA结合时，链的延结合时，链的延 伸才能达到最佳状态。伸才能达到最佳状态。 14.2.4 转录的终止 v终止子：终止子：提供转录终子信号的提供转录终子信号的DNA序列称为序列称为 终止子，终止子，有两类：有两类：依赖依赖 -因子的终止子和不因子的终止子和不 依赖依赖 -因子的终止子。因子的终止子。 v 终止因子：终止因子：协助协助RNA聚合酶识别终止信号聚合酶识别终止信号 的辅助因子（或蛋白质）。的辅助因子（或蛋白质）。 v抗终止因子：抗

17、终止因子：引起抗终止作用的蛋白质称为引起抗终止作用的蛋白质称为 抗终止因子。抗终止因子。 nusA蛋白蛋白 是一种分子量为是一种分子量为69kd的酸性蛋白，它能与的酸性蛋白，它能与RNA及及 RNA聚合酶相结合，在终止部位使两者被释放。即聚合酶相结合，在终止部位使两者被释放。即 NusA结合到核心酶上（结合到核心酶上（ ），由），由NusA识别终止子序列；转录终止后，识别终止子序列；转录终止后， RNA聚合酶脱离模板，聚合酶脱离模板，NusA又被又被所取代，由此所取代，由此 形成形成RNA聚合酶起始复合物和终止复合物两种形式聚合酶起始复合物和终止复合物两种形式 的循环。的循环。 大肠杆菌两类终

18、止子的回文结构大肠杆菌两类终止子的回文结构 A. 不依赖于不依赖于Rho（ ） 的终止子的终止子 A. 依赖于依赖于Rho（ ）的）的 终止子终止子 富含富含 G-C 系列系列U 该区域提供信 号使RNApol脱 离模板 不依赖于不依赖于的终止的终止 特征：特征： v终止子上游存在一个富含终止子上游存在一个富含 GCGC碱基的二重对称区，由碱基的二重对称区，由 这段这段DNADNA转录产生的转录产生的RNARNA容容 易形成发卡式结构；易形成发卡式结构； v在终止点前面有一段由在终止点前面有一段由4-84-8 个个A A组成的序列，导致转录组成的序列，导致转录 产物的产物的33端为寡聚端为寡聚

19、U U。 v这两种结构特征的存在决这两种结构特征的存在决 定了转录的终止。定了转录的终止。 （a a）是延伸复合物恰好完）是延伸复合物恰好完 成富含成富含U U的的RNARNA链；链； （b b）RNA-RNARNA-RNA杂交物（发杂交物（发 夹）的形成破坏了一部夹）的形成破坏了一部 分分RNA-DNARNA-DNA杂交链，仅留杂交链，仅留 下多聚下多聚U U与多聚与多聚A A的一段的一段 杂交链；杂交链； （c c）多聚）多聚U U与多聚与多聚A A杂交物杂交物 解离，转录本即被释放。解离，转录本即被释放。 RNA合成时形成的发夹终止结构 此图表示，此图表示，RNA的一段短的双螺的一段短的

20、双螺 旋和富含旋和富含U的序列如何导致终止的序列如何导致终止 作用和作用和RNA链的释放的。链的释放的。 为什么这为什么这两个结构能引起终止两个结构能引起终止呢呢? ? v在新生在新生RNA中出现发卡式结构会导致中出现发卡式结构会导致RNA 聚合酶的暂停，破坏聚合酶的暂停，破坏RNA-DNA杂合链杂合链5端端 的正常结构。的正常结构。 v寡聚寡聚U的存在使杂合链的的存在使杂合链的3端部分出现不稳端部分出现不稳 定的定的rUdA区域区域。 v于是新生于是新生RNARNA链将很快自链将很快自DNADNA双链中被排除双链中被排除 出来。出来。 依赖依赖的终止子的终止子 依赖依赖的终止子没有不依赖的终

21、止子没有不依赖 的终止子特有的的终止子特有的多聚多聚dAdA 序列，并且也不是都能形序列，并且也不是都能形 成成稳定的发夹稳定的发夹。 终止点前无寡聚终止点前无寡聚U U序列，回序列，回 文对称区不富含文对称区不富含GCGC。 依赖依赖的终止子，必需在的终止子，必需在 因子存在时，才发生终止因子存在时，才发生终止 作用。作用。 因子（因子（ RhoRho因子因子） 因子（因子（ RhoRho因子因子）：）：是是45KD45KD的的 蛋白质（六聚体蛋白）。蛋白质（六聚体蛋白）。 有有ATPATP酶和解螺旋酶酶和解螺旋酶两种活性两种活性, , 因此能结合转录产物的因此能结合转录产物的33末末 端区

22、并使转录停顿及产物端区并使转录停顿及产物RNARNA 脱离脱离DNADNA模板。模板。 因子在因子在RNARNA的存在下能的存在下能水解水解 ATPATP，说明它能与新生，说明它能与新生RNARNA链链 结合，并可能应用结合，并可能应用ATPATP放出的放出的 能量将能量将RNARNA链从酶和模板中释链从酶和模板中释 出。出。 因子参与的因子参与的RNA合成终止模式合成终止模式 RNARNA合成过程合成过程 起始起始 双链双链DNA 局部解开局部解开 磷酸二酯磷酸二酯 键形成键形成 终止阶段终止阶段 解链区到达解链区到达 基因终点基因终点 延长阶段延长阶段 5 3 RNA 启动子（启动子（pr

23、omoter) 终止子终止子 (terminator) 5 RNA聚合酶聚合酶 5 3 5 3 5 5 3 离开离开 14.3. 14.3. 真核细胞的转录真核细胞的转录 真核生物的转录和原核转录的不同点：真核生物的转录和原核转录的不同点： (1) (1) 原核只有一种原核只有一种RNARNA聚合酶，而真核细聚合酶，而真核细 胞有三种聚合酶；胞有三种聚合酶； (2) (2) 启动子的结构特点不同，真核有三种启动子的结构特点不同，真核有三种 不同的启动子和有关的元件；不同的启动子和有关的元件； (3) (3) 真核的转录有很多蛋白质因子的介入。真核的转录有很多蛋白质因子的介入。 14.3.1 1

24、4.3.1 真核细胞真核细胞的的RNARNA聚合酶聚合酶 v真核细胞真核细胞RNARNA聚合酶有聚合酶有、三类三类, ,均由均由 多亚基构成多亚基构成. . v三种三种RNARNA聚合酶对转录抑制剂鹅膏覃碱的敏感聚合酶对转录抑制剂鹅膏覃碱的敏感 性反应不同性反应不同. . 酶酶 类类 分分 布布 产产 物物 - -鹅膏蕈碱鹅膏蕈碱 对酶的作用对酶的作用 分子量分子量 反应条件反应条件 I I 核仁核仁 核质核质 核质核质 5.8SrRNA5.8SrRNA 18SrRNA18SrRNA mRNAmRNA， snRNAsnRNA tRNA tRNA 5SrRNA5SrRNA U6snRNAU6sn

25、RNA scRNAscRNA 不抑制不抑制 低浓度抑制低浓度抑制 高浓度抑制高浓度抑制 500000500000 700000700000 700 000700 000 _ 低离子强度低离子强度, ,要要 求求MgMg2+ 2+或 或MnMn2+ 2+ 高离子强度高离子强度 高高MnMn2+ 2+浓度 浓度 真核细胞的真核细胞的RNARNA聚合酶聚合酶 14.5 14.5 转录过程的选择性抑制转录过程的选择性抑制 放线菌素放线菌素D是原核和真核细胞是原核和真核细胞RNA聚合酶的专一抑制剂。聚合酶的专一抑制剂。 利福平利福平是原核细胞是原核细胞RNA聚合酶的抑制剂。聚合酶的抑制剂。 特异地抑制细

26、菌特异地抑制细菌RNARNA聚合酶（与聚合酶（与RNARNA聚合酶的聚合酶的亚基结合）的活性。亚基结合）的活性。 -鹅膏蕈碱鹅膏蕈碱是真核细胞是真核细胞RNA聚合酶的抑制剂聚合酶的抑制剂。 放线菌素放线菌素D D利福平利福平鹅膏蕈碱鹅膏蕈碱 原核原核抑制抑制抑制抑制不抑制不抑制 真核真核抑制抑制不抑制不抑制抑制抑制RNARNA聚合酶聚合酶 1414RNARNA转录后的加工转录后的加工 vRNARNA聚合酶合成的原初转录产物，要经过剪切、聚合酶合成的原初转录产物，要经过剪切、 修饰、拼接等过程，才能转变成成熟的修饰、拼接等过程，才能转变成成熟的RNARNA分分 子，此过程称子，此过程称RNARN

27、A转录后加工。转录后加工。 v不论原核或真核生物的不论原核或真核生物的rRNArRNA和和tRNAtRNA都是以初级都是以初级 转录产物形式被合成的，然后再加工成为成熟转录产物形式被合成的，然后再加工成为成熟 的的RNARNA分子。分子。 v绝大数原核生物的绝大数原核生物的mRNAmRNA却不需加工，仍为初级却不需加工，仍为初级 转录产物的形式。转录产物的形式。 v真核生物从断裂基因产生的真核生物从断裂基因产生的mRNAmRNA要经过复杂的要经过复杂的 加工历程，包括去除内含子的剪接反应加工历程，包括去除内含子的剪接反应 (splicing)(splicing)。 . . .rRNArRNA前

28、体的加工前体的加工 在原核生物中，rRNArRNA的基因与某些的基因与某些 tRNAtRNA的基因组成混合操纵子的基因组成混合操纵子。其余tRNA基 因也成簇存在，成簇存在，并与编码蛋白质的基因组 成操纵子。它们在形成多顺反子转录物后， 经断链成为rRNA和tRNA的前体，然后进一 步加工成熟。 （）原核生物（）原核生物rRNArRNA的加工的加工 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16S rRNA、 23S rRNA、5SrRNA以及一个或几个tRNA的基因 所组成，有时在3-端5S rRNA的基因之后还有 1个或几个tRNA的基因。 rRNA的基因

29、原初转录物的沉降常数为30S， 相对分子质量为2.1106，约含6500个核苷酸， 5末端为pppA。 由于在原核生物中rRNA的加工往往与转录 同时进行，因此不易得到完整的前体。 原核生物原核生物rRNArRNA前体的加工过程前体的加工过程 甲基化甲基化 6500个核苷酸个核苷酸 核酸内切酶核酸内切酶RNase、P 核酸外切酶核酸外切酶 参与原核生物参与原核生物rRNArRNA前体加工的酶类前体加工的酶类 v甲基化酶 v切割前体的核酸酶切割前体的核酸酶 有有、D D、E E、F F、P P、 M16M16、M23M23、M5M5等等 如：如：大肠杆菌的 RNase,RNaseERNase,R

30、NaseE； 枯草杆菌RNaseRNase （2)2)真核生物真核生物rRNArRNA前体的加工前体的加工 v真核生物有真核生物有4 4种种rRNArRNA，即，即 5.8S rRNA5.8S rRNA，18S rRNA18S rRNA， 28S rRNA28S rRNA和和5S rRNA5S rRNA。 v基因结构特点：基因结构特点：前三者的前三者的 基因组成一个转录单位，基因组成一个转录单位， 产生产生45S45S的前体的前体RNARNA（不同（不同 生物的生物的rRNArRNA前体大小不同，前体大小不同， 如：有的前体为如：有的前体为38S38S， 37S37S）。）。 v加工过程：加工

31、过程：甲基化修饰甲基化修饰 切割切割 v真核生物真核生物5sRNA5sRNA前体独立于前体独立于 其他三种其他三种rRNArRNA的基因转录。的基因转录。 哺乳动物哺乳动物45S rRNA前体的转录后处理前体的转录后处理 小核仁小核仁RNA（Small nucleolar RNAs； snoRNAs） vrRNArRNA前体的加工需要一系列核仁小前体的加工需要一系列核仁小RNARNA（snoRNAsnoRNA） 的帮助。的帮助。 v小核仁小核仁RNARNA是一类小型是一类小型RNARNA分子，可引导分子，可引导核糖体核糖体RNARNA （rRNArRNA）或其他）或其他RNARNA的化学修饰（

32、如的化学修饰（如甲基化甲基化）作用。）作用。 v可分为可分为C C（AUGAUGAAUGAUGA）/D(CUCA) box/D(CUCA) box与与 H(ANANNA)/ACAboxH(ANANNA)/ACAbox两种。两种。 vsnoRNAsnoRNA含有含有C/D boxC/D box，可识别，可识别rRNArRNA前体的甲基化位前体的甲基化位 点和切割位点；点和切割位点；snoRNAsnoRNA含有含有H/ACA boxH/ACA box，可识别生，可识别生 成尿嘧啶核苷酸化的位点。成尿嘧啶核苷酸化的位点。 14.6.3 tRNA14.6.3 tRNA前体的加工前体的加工 原核生物原核

33、生物tRANtRAN基因的结构特点：基因的结构特点： 原核生物中的tRNA基因往往成簇存在，或与rRNA的基因， 或与编码蛋白质的基因组成混合转录单位。 tDNA-转录转录-相同的：相同的： tRNA tRNA- tRNA- 不同的：不同的： tRNA1- tRNA2- tRNA3- 和和rRNA一起：一起： rRNA- tRNA- rRNA- 举例：大肠杆菌有60个tRNA基因，大都以基因簇存在； T4噬菌体中有转运7个不同tRNA基因组成一簇。 E.coliE.coli共有三种共有三种rRNArRNA，5S rRNA5S rRNA、16S rRNA16S rRNA和和23S rRNA23S

34、 rRNA。 3 3种种rRNArRNA基因和基因和1 14 4个个tRNAtRNA基因组成一个操纵子（基因组成一个操纵子（rrn rrn operonoperon），大肠杆菌中共有），大肠杆菌中共有7 7个这样的操纵子。个这样的操纵子。 举例举例-rrn operon E.coli中已找到两个tRNA基因簇，二者均除 tRNA基因外尚含有其他基因。这两个基因簇均 含有tRNATyr的基因，故命名： tyrU簇，包括4个tRNA基因，tRNA Thr ， tRNAGly，和tRNATyr；EF-Tu蛋白基因 tyrT簇，则仅包含两个相同的基因，编码 tRNATyr。 举例举例- TyrU op

35、eron 在每个tRNA基因簇中，唯一的启动子常位 于第一个tRNA基因之前。 在最后一个tRNA基因的后面还有编码蛋白 质的基因。 在tyrU簇中是基因tutB(编码延长因子EF- Tu的两个基因之一)。 而在tyrT簇中是编码蛋白质P的基因(蛋白 质P是一种类似鱼精蛋白的多肽)。 E.coli中参与tRNA加工的酶有： RNaseP：它是一种内切核酸酶，负责切割 所有tRNA分子的5端。 RNaseP是一种不tRNA基因组成一簇寻常的 酶。它由蛋白质和RNA二者组成，分子中RNA有 375个碱基长(约130KD)；而蛋白质组分要小得 多，大约只有20KD。 RNaseD：它能从RNA的3端

36、一个一个地切去 碱基，以产生tRNA的真正的3端(5端由 RNaseP产生)。 RNase：有外切核酸酶的活性，它能够将 tRNA完全分解完。以前认为它也与tRNA加工有 关，但目前认为它可能仅和RNA的分解代谢有关。 在细菌中有两种tRNA前体，其区别在于其3端 的序列。 tRNAtRNA前体的加工过程前体的加工过程 由核酸内切酶将由核酸内切酶将tRNAtRNA 前体分子切断前体分子切断 剪切和修剪剪切和修剪 RNase pRNase p切除切除5 5 端多余的核苷酸；端多余的核苷酸； Rnase D Rnase D切除切除33端多余的核苷酸；端多余的核苷酸； v经过剪切后的经过剪切后的tR

37、NAtRNA分子还要在拼接酶分子还要在拼接酶 作用下，将成熟作用下，将成熟tRNAtRNA分子所需的片段分子所需的片段 拼起来。拼起来。 3 3末端加上末端加上CCACCA（有的不用另外加因有的不用另外加因 为自身带有该序列）为自身带有该序列） 在核苷酰转移酶作用下，在核苷酰转移酶作用下，3-3-末端末端 除去个别碱基后，换上除去个别碱基后，换上tRNAtRNA分子统一分子统一 的的CCA-OHCCA-OH末端，完成末端，完成tRNAtRNA分子中的氨分子中的氨 基酸臂结构。基酸臂结构。 核苷酸的修饰和异构化核苷酸的修饰和异构化 型分子有CCA三联体在其3端。但某些噬 菌体编码的型分子则没有C

38、CA序列，当其他 碱基被一个一个从前体分子上除去后，另由 称为tRNA核苷酸转移酶的将CCA加到3端上 去。 真核生物中可能所有的tRNA前体都属于 型，在成熟时都需要通过酶的作用，在其3 端加上CCA序列。 关于关于3 3 端端CCACCA三联体三联体 核苷酸的修饰和异构化核苷酸的修饰和异构化 成熟的成熟的tRNAtRNA分子中有许多的稀有碱基：分子中有许多的稀有碱基： v某些嘌呤生成甲基嘌呤如某些嘌呤生成甲基嘌呤如AmA,GmGAmA,GmG v有些尿嘧啶还原为双氢尿嘧啶。有些尿嘧啶还原为双氢尿嘧啶。 v某些腺苷酸脱氨基为成为次黄嘌呤核苷酸某些腺苷酸脱氨基为成为次黄嘌呤核苷酸 （）。）。

39、v尿嘧啶核苷转变为假尿嘧啶核苷。尿嘧啶核苷转变为假尿嘧啶核苷。 不被转录的序列不被转录的序列tRNA基因基因 转录转录 加工加工 切去多余的序列切去多余的序列 加上加上CCACCA、修饰、修饰、 切除内含子切除内含子 真核生物的真核生物的tRNAtRNA前体加工前体加工 核酸内切酶核酸内切酶 环磷酸二环磷酸二 酯酶酯酶 激酶激酶 连接酶连接酶 14.6.4 14.6.4 真核细胞真核细胞mRNAmRNA前体的加工前体的加工 真核生物细胞质中的真核生物细胞质中的mRNAmRNA有三个特点：有三个特点： v真核细胞真核细胞mRNAmRNA一般是以单顺反子的形式存在一般是以单顺反子的形式存在 v 5

40、 5 端存在端存在“帽子帽子”结构结构 v多数多数mRNA 3 mRNA 3 端具有端具有polypoly（A A ）尾巴（组蛋白除外）尾巴（组蛋白除外） 真核生物真核生物mRNAmRNA前体称为前体称为hnRNAhnRNA mRNAmRNA原初转录物是分子量很大的前体，在核内加工过程原初转录物是分子量很大的前体，在核内加工过程 中形成分子大小不等的中间产物，它们被称为核内不均中形成分子大小不等的中间产物，它们被称为核内不均 一一RNARNA（hnRNAhnRNA）。其中，约有）。其中，约有25%25%可转变成成熟的可转变成成熟的mRNAmRNA。 hnRNAhnRNA半寿期很短，比细胞质中的

41、半寿期很短，比细胞质中的mRNAmRNA更不稳定，一般在更不稳定，一般在 几分钟至几分钟至1 1小时。而细胞质小时。而细胞质mRNAmRNA的半寿期为的半寿期为1-101-10小时，神小时，神 经细胞经细胞mRNAmRNA最长可达数年。最长可达数年。 真核细胞真核细胞mRNAmRNA的加工的加工 5 “帽子帽子”PolyA 3 顺反子顺反子(cistron ) m7G-5 ppp-N-3 p AAAAAAA-OH 55端接上一个端接上一个“帽子帽子”(CAP)(CAP)结构结构 33端添加端添加PolyAPolyA“尾巴尾巴”, ,由由RNARNA末端核苷酸转移酶催化末端核苷酸转移酶催化 剪接

42、：剪去内含子剪接：剪去内含子(intron)(intron)，拼接外显子，拼接外显子(extron)(extron) （1）帽子结构的生成）帽子结构的生成 vmRNAmRNA在真核生物中的初级产物称为在真核生物中的初级产物称为hnRNAhnRNA。 v在在mRNA的的5-端加上端加上7-7-甲基鸟苷三磷酸（甲基鸟苷三磷酸（m7Gpppm7Gppp） 的结构。此过程发生在细胞核内，即的结构。此过程发生在细胞核内，即hnRNA即可即可 进行加帽。进行加帽。 v加工过程首先是在磷酸酶的作用下，将加工过程首先是在磷酸酶的作用下，将5-端的磷端的磷 酸基水解，然后再加上鸟苷三磷酸，形成酸基水解，然后再加

43、上鸟苷三磷酸，形成GpppN 的结构，再对的结构，再对G进行甲基化。进行甲基化。 5端帽结构的生成反应中所需要的酶：反应中所需要的酶： RNARNA三磷酸酶三磷酸酶 mRNAmRNA鸟苷酰转移酶鸟苷酰转移酶 mRNAmRNA（鸟嘌呤（鸟嘌呤-7-7-）甲基转移酶）甲基转移酶 mRNAmRNA（核苷（核苷-2-2-）甲基转移酶。）甲基转移酶。 5端帽结构的生成过程 5端帽结 构 pi 5ppp G 磷酸酶 ppi 5p G pppG 5Gppp G 甲基化酶 CH3 mGpppG OHOH 帽1帽0帽2 N N N N O H2N CH3 + O HH CH 2 H OP OPO P O PPP

44、 N1N2N3 O OH O OH O OH OCH3OCH32OH 7 9 H 甲基鸟苷5，5-三磷酸 真核真核mRNA的的5 -末端末端7-甲基鸟嘌呤核苷帽状结构甲基鸟嘌呤核苷帽状结构 由于甲基化的程度不同，有三种类型的帽子：由于甲基化的程度不同，有三种类型的帽子： v在在55末端鸟苷的第末端鸟苷的第7 7位上存位上存 在单个甲基化位点的称在单个甲基化位点的称O O型帽型帽 子子（capOcapO）；）； v在在55次末端核苷酸的核糖上次末端核苷酸的核糖上 的的2-02-0位点上还有一个甲基位点上还有一个甲基 位点的称位点的称1 1型帽子型帽子(cap I)(cap I)； v此外，在第三

45、个核苷酸的核此外，在第三个核苷酸的核 糖上（糖上（2-02-0）有甲基化位点）有甲基化位点 的称的称2 2型帽子型帽子（capIIcapII）。）。 帽子结构功能： 能被核糖体小亚基识别，促使mRNA和核 糖体的结合； m7Gppp结构能有效地封闭mRNA 5末端， 以保护mRNA免受5核酸外切酶的降解， 增强mRNA的稳定。 （2） 3端多聚多聚A A （polyA)polyA)尾巴尾巴的生成 v大多数的真核大多数的真核mRNA mRNA 都有都有33端的多聚腺苷酸的端的多聚腺苷酸的 尾巴（尾巴（polyA)polyA)，多聚（，多聚（A)A)尾巴大约为尾巴大约为20-150bp20-150

46、bp。 vhnRNAhnRNA链由链由RNAaseRNAase切断，由多聚腺苷酸聚合酶切断，由多聚腺苷酸聚合酶 催化，加上催化，加上polyApolyA，ATPATP为供体。为供体。 参与加尾反应的蛋白质或酶 v切割和聚腺苷化特异因子切割和聚腺苷化特异因子 （CPSFCPSF） v剪切刺激因子（剪切刺激因子（CstFCstF） v剪切因子剪切因子和和（CF,CF CF,CF ） v polyApolyA聚合酶聚合酶(PAP)(PAP) v polyApolyA结合蛋白（结合蛋白（PABPPABP） 加尾信号下游加尾信号下游1030 nt处有一处有一5-CA-3二联体。二联体。 二联体的后面有一

47、段富含二联体的后面有一段富含GU的序列。的序列。 加尾信号下游加尾信号下游1030 nt处有一处有一5-CA-3二联体。二联体。 二联体的后面有一段富含二联体的后面有一段富含GU的序列。的序列。 加尾信号：加尾信号：AATAAAAATAAA（或（或 UUAUUUUUAUUU）、）、YGTGTGYYYGTGTGYY （Y Y为嘧啶）。为嘧啶）。 v在大多数真核基因的在大多数真核基因的33一一 端有一个端有一个AATAAAATAA序列，这个序列，这个 序列是序列是mRNA3-mRNA3-端加端加polyApolyA 尾的信号。尾的信号。 v靠核酸酶在此信号下游靠核酸酶在此信号下游10-10- 30

48、30碱基外切断磷酸二酯键，碱基外切断磷酸二酯键， 在在polyApolyA聚合酶催化下，在聚合酶催化下，在 3-OH3-OH上逐一引入上逐一引入100-200100-200 个个A A碱基。碱基。 加尾反应过程 33末端多聚末端多聚A尾结构的作用：尾结构的作用： v与与mRNA mRNA 由核内向胞质的转位有关由核内向胞质的转位有关 v增加增加mRNAmRNA的稳定性的稳定性 v参与翻译起始的调控参与翻译起始的调控 （3 3）m mRNA前体的剪接 v剪接剪接（splicing) : :在细胞核内在细胞核内, hnRNA, hnRNA剪切掉内剪切掉内 含子含子, ,将多个外显子连接为成熟将多个

49、外显子连接为成熟mRNAmRNA的过程为剪的过程为剪 接，通过剪接除去由内含子转录的序列。接，通过剪接除去由内含子转录的序列。 v剪接的本质：剪接的本质：磷酸酯键的转移磷酸酯键的转移 v剪接部位的结构剪接部位的结构 ：剪接部位的结构为内含子剪接部位的结构为内含子 末端的特定序列，分布在内含子的三个部位，末端的特定序列，分布在内含子的三个部位， 55端拼接点为端拼接点为GU;GU;33端拼接点为端拼接点为AGAG；靠近；靠近 33端的一段嘧啶核苷酸组成的序列；存在于端的一段嘧啶核苷酸组成的序列；存在于 内含子内的分支点序列。内含子内的分支点序列。 3端端 5端端 参与RNA剪接的物质- snRN

50、AsnRNA snRNAsnRNA：是核内小分子：是核内小分子RNA RNA vsnRNA分别被命名为分别被命名为U1,U2,U3,U4,U5,和和U6RNA v在真核生物的细胞核中，含有大量的小分子在真核生物的细胞核中，含有大量的小分子RNARNA， 在天然状态下，它们以核糖核蛋白颗粒形式存在，在天然状态下，它们以核糖核蛋白颗粒形式存在， 称为称为snRNPsnRNP（与（与snRNAsnRNA结合的核蛋白）结合的核蛋白） v由由snRNPsnRNP参与剪接的内含子存在于绝大多数真核细参与剪接的内含子存在于绝大多数真核细 胞的蛋白质基因中。胞的蛋白质基因中。 snRNPsnRNP在在RNAR

51、NA剪接中的作用剪接中的作用 vU1-snRNAU1-snRNA与内含子与内含子55端端 剪接部位相互作用剪接部位相互作用 vU2 snRNAU2 snRNA识别分支点识别分支点 vU3-U3-snRNAsnRNA与与rRNArRNA前体的加前体的加 工有关工有关 vU4-snRNAU4-snRNA与与 U6 -snRNAU6 -snRNA可可 能结合在一起形成复合物能结合在一起形成复合物 vU5-snRNAU5-snRNA与识别与识别33端剪端剪 接点有关接点有关 mRNA前体的剪接机制 vU1snRNP结合于内含子的结合于内含子的5 端；端； vU2snRNP结合到内含子的结合到内含子的

52、分支点上；分支点上； vU5snRNP结合到内含子的结合到内含子的3 端，端，U4/U6snRNP结合于结合于U5； vU1和和U2结合，形成套索结合，形成套索 RNA结构；结构； vU4释放，内含子左侧切断，释放，内含子左侧切断， 5外显子作为独立片段释放；外显子作为独立片段释放； v内含子的内含子的3剪接点切断，形剪接点切断，形 成套索内含子，游离出来；成套索内含子，游离出来； v5外显子和外显子和3外显子连接形外显子连接形 成成熟成成熟mRNA。 套索结构套索结构 外显子外显子外显子外显子 内含子内含子 内含子内含子55端断端断 开开 前一个外显子的前一个外显子的33末端末端 攻击下后个

53、外显子的攻击下后个外显子的5 5末末 端端 前后外显子的连接前后外显子的连接 二次转酯反应二次转酯反应 此外： mRNA甲基化：甲基化： 某些真核某些真核mRNAmRNA内部有甲基化的位点，主内部有甲基化的位点，主 要是在要是在N N6 6- -甲基腺嘌呤（甲基腺嘌呤（m m6 6A A）。）。 生物体内生物体内 内含子的主要类型内含子的主要类型 3拼接点拼接点5拼接点拼接点 在线粒体和叶绿体的前在线粒体和叶绿体的前 体体mRNA和前体和前体tRNA中中 也发现了也发现了I型内含子。在型内含子。在 原核生物中也有这类内原核生物中也有这类内 含子的存在。含子的存在。 2 2）II II类内含子的

54、自我剪接类内含子的自我剪接 IIII类内含子存在于真菌和植物的细胞器基因组中，类内含子存在于真菌和植物的细胞器基因组中， 少数存在于原核生物的基因组中。自我剪接的意识是少数存在于原核生物的基因组中。自我剪接的意识是 前体前体RNARNA中的内含子自身折叠成一种特殊的构象，然中的内含子自身折叠成一种特殊的构象，然 后催化自身的释放的过程。后催化自身的释放的过程。 IIII类内含子的剪接机制与核基因内含子的剪接具有类内含子的剪接机制与核基因内含子的剪接具有 一定的相似性。剪接是由内含子的一个保守的腺苷酸一定的相似性。剪接是由内含子的一个保守的腺苷酸 发动的。该腺苷酸的发动的。该腺苷酸的22OHOH

55、作为亲核基团攻击内含作为亲核基团攻击内含 子子55端的磷酸二酯键，使其断裂，内含子形成套索端的磷酸二酯键，使其断裂，内含子形成套索 结构。结构。 上游内含子的上游内含子的33OHOH作为亲核基团攻击内含子作为亲核基团攻击内含子33剪剪 接位点，上游外显子和下游外显子连接起来，释放出接位点，上游外显子和下游外显子连接起来，释放出 内含子。在试管中，在没有任何蛋白质或其他内含子。在试管中，在没有任何蛋白质或其他RNARNA分分 子存在的情况下，上述两种转酯反应能够由子存在的情况下，上述两种转酯反应能够由IIII类内含类内含 子独立完成。子独立完成。 2 2）类内含子的拼接类内含子的拼接 3拼接点拼

56、接点 3拼接点拼接点 常有一致序列常有一致序列 PyPyPyPTAPy 四膜虫前四膜虫前rRNA的自身剪接的自身剪接 (Self-splicing) Ribozyme的发现 Mg2+ v 55端拼接点为端拼接点为GU;GU;33端拼接点为端拼接点为AGAG；靠近；靠近 33端的一段嘧啶核苷酸组成的序列；存在于端的一段嘧啶核苷酸组成的序列；存在于 内含子内的分支点序列。内含子内的分支点序列。 3端端 5端端 3 3）类内含子类内含子 核酸内切酶核酸内切酶 环磷酸二环磷酸二 酯酶酯酶 激酶激酶 激酶激酶 连接酶连接酶 磷酸酯酶磷酸酯酶 4）类内含子（类内含子（核内核内tRNAtRNA前体的酶促拼接

57、）前体的酶促拼接） RNARNA的剪接方式的剪接方式 类型类型I I 自我拼接自我拼接 类型类型IIII 自我拼接自我拼接 核核mRNAmRNA的拼的拼 接体的拼接接体的拼接 核核mRNAmRNA的的 酶促拼接酶促拼接 小结小结 1、RNA拼接是生物体在进化过程中形成的，是进拼接是生物体在进化过程中形成的，是进 化的结果。化的结果。 2、RNA拼接是基因表达调节的重要环节。拼接是基因表达调节的重要环节。 3、基因是由模块装配而成，模块之间的间隔序列、基因是由模块装配而成，模块之间的间隔序列 也就演变成了内含子，因此外显子和内含子有着也就演变成了内含子，因此外显子和内含子有着 同样古老的历史。同

58、样古老的历史。 4、RNA拼接主要存在于真核细胞，原核生物极为拼接主要存在于真核细胞，原核生物极为 少见，但并非完全没有。少见，但并非完全没有。 5、外显子和内含子是相对的，有些内含子具有编、外显子和内含子是相对的，有些内含子具有编 码序列，能够产生蛋白质和功能码序列，能够产生蛋白质和功能RNA。 （4 4）选择性剪接和反式剪接）选择性剪接和反式剪接 v一个基因的原初转录物在不同的发育阶段、一个基因的原初转录物在不同的发育阶段、 不同的细胞类型和生理状态下，通过不同的不同的细胞类型和生理状态下，通过不同的 拼接方式可以得到不同的成熟的拼接方式可以得到不同的成熟的mRNAmRNA和翻译和翻译 产

59、物，这种拼接称为产物，这种拼接称为选择性拼接。选择性拼接。 同一同一RNARNA分子的内含子被除去，外显子连接在一分子的内含子被除去，外显子连接在一 起的剪接称为起的剪接称为顺式剪接（顺式剪接（cis-splicingcis-splicing）。剪接不。剪接不 但能够发生在同一但能够发生在同一RNARNA分子上，也可以发生在不同的分子上，也可以发生在不同的 RNARNA分子间。不同分子间。不同RNARNA分子上的两个外显子剪接在一分子上的两个外显子剪接在一 起的过程称为起的过程称为反式剪接（反式剪接（tran-splicingtran-splicing）。 顺式拼接顺式拼接和和反式拼接反式拼接

60、 14.6.5 RNA14.6.5 RNA编辑编辑 RNA编辑(RNA editing)是RNA加工的一种形式， 它通过位点特异性脱氨作用、插入或删除使原始转录 产物核苷酸序列被更改。 RNA编辑方式：碱基插入、缺失和取代。 RNA编辑现象的发现对分子生物学的一个基本原 则提出了挑战，也为基因表达的修正提供了一种机制。 遗传信息是否都存在于基因序列中？指导编辑的 遗传信息是什么？ RNARNA编辑的不同类型和分布编辑的不同类型和分布 编辑类型编辑类型 机制机制 存在存在 U U的插入与删除的插入与删除 gRNAgRNA的转酯反应的转酯反应 锥虫线粒体锥虫线粒体mRNAmRNA C C、A A或