生物化学：第十章RNA生物合成ppt课件

1、 第十章 RNA生物合成 周口师范学院生命科学系 (2019. 12) 主要内容主要内容DNA dependent DNA polymeraseDDDPDNA dependent RNA polymeraseDDRPRNA dependent RNA polymeraseRDRPRNA dependent DNA polymeraseRDDPDNA复制复制DDDP转录转录DDRPRNA蛋白质蛋白质翻译翻译RNA复制复制RDRP反转录反转录RDDP第一节第一节 DNA转录转录 一、转录的概念一、转录的概念二、二、RNA聚合酶及催化反响聚合酶及催化反响三、三、RNA合成过程合成过程一、转录的概念一

2、、转录的概念DNA的有义链和反义链的有义链和反义链 启动子启动子promoter) 终止子终止子(terminator)模板链templatte strand 反意义链(antisense strand)有意义链(sense strand)非信息区非信息区5533 模板链：双链模板链：双链DNADNA中具有转录活性的的链称为模中具有转录活性的的链称为模板链，又称反义链或负链。板链，又称反义链或负链。 编码链：双链编码链：双链DNADNA中无转录活性的链称为编码链，中无转录活性的链称为编码链，又称有义链或正链。又称有义链或正链。a a、一样点：、一样点： 都需求模板都需求模板 都以三磷酸核苷酸为

3、底物都以三磷酸核苷酸为底物NTPNTP或或dNTPdNTP 合成方向都是合成方向都是5 533转录与复制的比较转录与复制的比较b b、不同点、不同点 转录不需引物；转录不需引物； 只转录只转录DNADNA分子中的一个片段称为转录单位或支配分子中的一个片段称为转录单位或支配子子,operon),operon)； 双链双链DNADNA中只需一条链具有转录活性称为模板链；中只需一条链具有转录活性称为模板链； 哪个基因被转录与特定的时间、空间、生理形状有关。哪个基因被转录与特定的时间、空间、生理形状有关。 RNARNA聚合酶无校正功能。聚合酶无校正功能。大肠杆菌的大肠杆菌的RNARNA聚合酶聚合酶 二

4、、二、RNA聚合酶及催化反响聚合酶及催化反响由由5 5种亚基种亚基22 组成全酶；没有组成全酶；没有、 亚基的亚基的酶称为中心酶，只催化链的延伸；酶称为中心酶，只催化链的延伸；称为起始因子，称为起始因子，能识别能识别DNADNA链的转录起始信号启动子链的转录起始信号启动子大肠杆菌RNA聚合酶的构造表示图 中心酶中心酶(2(2) )起始因子起始因子和模板和模板DNADNA结合结合起始和催化聚合反响起始和催化聚合反响？全酶全酶(2(2 ) ) 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 Mr 亚基亚基 功能功能 数目数目 rpoA 40,OOO 2 r

5、poA 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 160,000 1 rpoC 160,000 1 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 未知未知原核细胞原核细胞RNARNA的催化反响的催化反响1960年，RNA 聚合酶被发现。在E.col

6、i中，RNA 聚合酶催化RNA的合成需求：模板：双链或单链 DNA活性单体物质：四种NTP二价金属离子：Mg2+或Mn2+，在生物体中(in vivo发现的是Mg2+合成方向：5 3解螺旋解螺旋恢复螺旋恢复螺旋转录泡转录泡模板链模板链编码链编码链RNARNA聚合酶作用表示图聚合酶作用表示图RNA聚合酶催化的反响聚合酶催化的反响ACGACGUU模板模板DNA5353新合成新合成RNA酶酶类类分分布布产产物物-鹅膏蕈碱对酶的作用分子量反响条件I I核仁核质核质rRNA5.8SrRNA18SrRNA28SrRNAmRNAsnRNAtRNA 5SrRNA不抑制低浓度抑制高浓度抑制50000070000

7、0700 000700 000_低离子强度,要求Mg2+或Mn2+高离子强度高Mn2+浓度真核细胞的真核细胞的RNARNA聚合酶聚合酶同样，真核同样，真核RNARNA聚合酶无校正功能。聚合酶无校正功能。RNARNA聚合酶的特点聚合酶的特点 反响底物：NTP，DNA为模板、Mg2+促进聚 合反响。 RNA聚合酶不需求引物，合成方向53 。 真核生物与原核生物的RNA聚合酶构造不同. 利福平抑制原核生物RNA聚合酶活性； - 鹅膏蕈碱抑制真核生物RNA聚合酶活性。 起始位点的识别 转录起始 链的延伸 转录终止三、三、RNA的转录过程：以大肠杆菌为例的转录过程：以大肠杆菌为例 起始位点的识别与启动子

8、起始位点的识别与启动子 RNA的合成不需求引物。体外实验证明，不含的合成不需求引物。体外实验证明，不含亚亚基的中心酶会随机地在一个基因的两条链上启动，当基的中心酶会随机地在一个基因的两条链上启动，当有有亚基时就会选择正确的起点。亚基时就会选择正确的起点。 亚基起着识别亚基起着识别DNA分子上的起始信号启动子的作用。分子上的起始信号启动子的作用。 启动子启动子-指指RNA聚合酶识别、结合和开场转录聚合酶识别、结合和开场转录的一段的一段DNA序列序列启动子的构造至少由三部分组成：启动子的构造至少由三部分组成：-35-35序列提供了序列提供了RNARNA聚合酶全酶识别的信号；聚合酶全酶识别的信号；-

9、 -1010序列是酶的严密结合位点富含序列是酶的严密结合位点富含ATAT碱基，碱基，利于双链翻开；第三部分是利于双链翻开；第三部分是RNARNA合成的起始合成的起始点。点。AACTGTATATTATTGACATATAAT+1转录起始点5335 35序列 Sextama 框 10序列Pribnow框 转录起始转录起始 RNA聚合酶全酶扫描解链区，找到起始点，然后结合第一个核苷三磷酸。参与的第一个核苷三磷酸常是GTP或ATP，很少是CTP，不用UTP。所构成的启动子、全酶和核苷三磷酸复合物称为三元起始复合物，第一个核苷三磷酸一旦掺入到转录起始点， 亚基就会被释放脱离中心酶。 因子仅与起始有关，因子

10、仅与起始有关，RNARNA的合成一旦开场，的合成一旦开场，便被释放便被释放 E-35-10pppG或pppA5 55 53 33 3模板链下一页上一页RNA转录起始RNARNA链的延伸链的延伸延伸：中心酶沿着延伸：中心酶沿着DNA链由链由3 5 的方向挪动，的方向挪动， RNA链沿链沿5 3延伸，转录区间的延伸，转录区间的DNA双链解螺旋，而转双链解螺旋，而转录完的区间录完的区间DNA又恢复双螺旋构造又恢复双螺旋构造.RNA链的延伸图解链的延伸图解35RNA-DNA杂交螺旋杂交螺旋聚合酶的挪动方向聚合酶的挪动方向新生新生RNA复链复链解链解链有义链有义链模板链反义链模板链反义链延伸部位延伸部位

11、 转录终止与终止子转录终止与终止子终止子终止子: :在在DNADNA分子上基因末端提供转分子上基因末端提供转录停顿信号的录停顿信号的DNADNA序列称为终止子序列称为终止子terminators),terminators),它能使它能使RNARNA聚合酶停顿合聚合酶停顿合成成RNARNA并释放出并释放出RNARNA。 终止：中心酶到达终止子，终止：中心酶到达终止子，RNA与中心酶从与中心酶从DNA上零落上零落.需求因子终止因子，协助RNA聚合酶识别终止信号的蛋白质， 因子能与RNA聚合酶结合但不是酶的组分，它的作用是阻止RNA聚合酶向前挪动，于是转录终止，并释放出已转录完成的RNA链。不依赖于

12、因子。强终止子序列有两个明显的特征：1在终止点之前具有一段富含G-C的回文区域。2富含G-C的区域之后是一连串的dA碱基序列，它们转录的RNA链的末端为一连串U延续6个。弱终止子：短少回文构造弱终止子：短少回文构造强终止子：有回文构造强终止子：有回文构造大肠杆菌两类终止子的回文构造大肠杆菌两类终止子的回文构造A. 不依赖于不依赖于Rho的终止的终止子子B. 依赖于依赖于Rho的终止的终止子子富含富含G-C系列系列U 不依赖不依赖-因子的终止因子的终止子：含富子：含富GC的回文序的回文序列和寡聚列和寡聚U序列。序列。RNARNA合成过程合成过程起始起始双链双链DNA部分解开部分解开磷酸二酯磷酸二

13、酯键构成键构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伸阶段延伸阶段53 RNA 启动子启动子promoter) 终止子终止子(terminator)5 RNA聚合酶聚合酶 5 35 3553 分开分开DNA和和RNA合成的比较合成的比较真核生物和原核生物转录的差别真核生物和原核生物转录的差别DNA核核核糖体核糖体新生蛋白质新生蛋白质真核生物真核生物原核生物原核生物mRNA前体前体转运转运加工加工mRNAmRNA 真核生物中转录与复制在不同的区真核生物中转录与复制在不同的区域域 RNA聚合酶不一样聚合酶不一样 启动子不同启动子不同 转录后转录后RNA加工修饰不同加工修饰不同第二节

14、第二节 RNA转录后的加工转录后的加工一、一、RNA的加工的加工二、二、 RNA的拼接、编辑和再编码的拼接、编辑和再编码三、三、RNA生物功能的多样性生物功能的多样性四、四、RNA的降解的降解一一 转录产物的加工转录产物的加工 在细胞内，由RNA聚合酶合成的原始转录物primary transcript往往需求一系列的变化，包括链的裂解、5和3末端的切除和特殊构造的构成、核苷的修饰、以及拼接和编辑等过程，才转变为成熟的RNA分子。此过程总称为RNA的成熟或称为RNA的转录后加工。 原核生物的mRNA转录后普通不需求加工，转录的同时即进展翻译半寿期短。 rRNA rRNA前体的加工前体的加工 t

15、RNAtRNA前体的加工前体的加工 真核真核mRNAmRNA前体的加工前体的加工 rRNArRNA前体的加工前体的加工 加工过程：加工过程： a a 剪切作用：需核酸酶参与。剪切作用：需核酸酶参与。 B B 甲基化修饰：修饰在碱基上。甲基化修饰：修饰在碱基上。 C C 自我剪接：一种核酶的作用。自我剪接：一种核酶的作用。 原核原核rRNArRNA加工：加工：rRNArRNA含非转录的间隔区，其产含非转录的间隔区，其产 物中含物中含tRNAtRNA 真核真核rRNArRNA加工：加工： A.5S A.5S自成体系加工少，无修饰和剪接。自成体系加工少，无修饰和剪接。 B.45SB.45S加工中含剪

16、切和甲基化修饰，需核酸酶。加工中含剪切和甲基化修饰，需核酸酶。原核生物原核生物rRNA转录前体的加工转录前体的加工甲基化甲基化核酸内切酶核酸内切酶核酸外切酶核酸外切酶真核生物真核生物rRNA转录前体的加工转录前体的加工核酸外切酶核酸外切酶甲基化甲基化核酸内切酶和外切酶核酸内切酶和外切酶tRNAtRNA前体的加工前体的加工包括：核酸外切酶从两端向内切去多余序列；在包括：核酸外切酶从两端向内切去多余序列；在3 3- -端加端加CCAOHCCAOH序列序列; ;核苷酸的修饰与异构化；核酸内切酶切除居间序列。核苷酸的修饰与异构化；核酸内切酶切除居间序列。真核真核mRNAmRNA前体的加工前体的加工1

17、1hnRNAhnRNA被剪接被剪接把内含子把内含子DNADNA上非编码序列转录序列剪掉，上非编码序列转录序列剪掉，把外显子把外显子DNADNA上的编码序列拼接上，真核生上的编码序列拼接上，真核生物普通为不延续断裂基因真核生物构造基物普通为不延续断裂基因真核生物构造基因，由假设干个编码区和非编码区相互间隔开但因，由假设干个编码区和非编码区相互间隔开但又延续镶嵌而成，去除非编码区再衔接后，可翻又延续镶嵌而成，去除非编码区再衔接后，可翻译出由延续氨基酸组成的完好蛋白质，这些基因译出由延续氨基酸组成的完好蛋白质，这些基因称为断裂基因。称为断裂基因。2 23 3端添加端添加polyA polyA “尾巴

18、；尾巴；3 35 5端衔接端衔接“帽子构造帽子构造m7G5m7G5ppp5ppp5NmpNp-NmpNp-；4 4分子内部的核苷酸甲基化修饰。分子内部的核苷酸甲基化修饰。因发现断裂基因此获因发现断裂基因此获1993年诺贝尔生理学奖的年诺贝尔生理学奖的Richard J Roberts and Phllip A Sharp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-5ppp-N-3 pAAAAAAA-OH 5 5端接上一个端接上一个“帽子帽子(CAP)(CAP)构造构造 3 3端添加端添加PolyAPolyA“尾巴尾巴, ,

19、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：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)二、二、RNARNA的拼接、编辑和再编码的拼接、编辑和再编码 大多数的真核基因都是断裂基因，断裂基因的转录产物产物需大多数的真核基因都是断裂基因，断裂基因的转录产物产物需求经过拼接，去除插入部分即内含子，求经过拼接，去除插入部分即内含子，intronintron，使编码区即，使编码区即外显子，外显子，ExtronExtron成为延续序列，这是基因表达的一个重要环节。成为延续序列，这是基因表达的一个重要环节。 RNARN

20、A编码序列的改动称为编辑编码序列的改动称为编辑 editingediting， RNARNA编码和读码编码和读码方式的改动称为再编码方式的改动称为再编码recodingrecoding。由于存在选择性的拼接、编。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。辑和再编码，一个基因可以产生多种蛋白质。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的插入与删除 gRNA的转酯反响 锥虫线粒体mRNAC、A或U的插入 多头绒孢菌线粒体的 mRNA和tRNAG的插入 RNA聚合酶反复转录 副粘病毒的P基因C转变为U 酶促脱氨 哺乳类肠的ap

21、oPtRNAC转变为U或U转变为C 脱氨或氨基化 植物线粒体mRNA和tRNA 牛心线粒体tRNAA转变为I 脱氨 脑谷氨酸受体亚基mRNARNARNA编辑的生物学意义编辑的生物学意义消除移码突变等基因突变的危害添加了基因产物的多样性与生物发育与分化有关，是基因调控的一种重要方式三、三、RNARNA生物功能的多样性生物功能的多样性1、RNA在遗传信息的翻译中起着决议作用。2、RNA具有重要的催化功能和其他持家功能。3、RNA转录后加工和修饰依赖于各类小RNA和其他 蛋白质复合物。4、RNA对基因表达和细胞功能具有重要调理作用。5、RNA在生物进化中起重要作用。四、四、RNARNA的降解的降解

22、RNA RNA降解是涉及到基因表达的一个重要环节，降解是涉及到基因表达的一个重要环节， rRNArRNA和和tRNAtRNA是稳定的是稳定的RNA RNA ，其更新率低；，其更新率低； mRNA mRNA是是不稳定的不稳定的RNARNA，其更新率非常高。由于，其更新率非常高。由于mRNAmRNA于其编于其编码基因的表达活性直接有关，不同的码基因的表达活性直接有关，不同的RNARNA需求以不需求以不同的速度进展降解。脊椎动物细胞同的速度进展降解。脊椎动物细胞mRNAmRNA的平均半衰的平均半衰期约为期约为3h, 3h, 细胞每一世代中各类细胞每一世代中各类mRNAmRNA约周转约周转1010次。

23、次。细菌细菌mRNAmRNA的半衰期大约只需的半衰期大约只需1.5min1.5min，以顺应快速生，以顺应快速生长和对环境作出快速反响的要求。长和对环境作出快速反响的要求。 一切细胞中都存在各种核糖核酸酶，可以降解一切细胞中都存在各种核糖核酸酶，可以降解RNARNA。真核生物。真核生物mRNAmRNA降解的主要途径首先是降解的主要途径首先是poly(A)poly(A)尾巴的缩短，去腺苷酸化能诱发脱去尾巴的缩短，去腺苷酸化能诱发脱去5 5端帽子构造端帽子构造，然后由，然后由5 5 3 3方向和方向和3 3 5 5 方向降解方向降解mRNAmRNA。第三节第三节 RNA RNA复制噬菌体复制噬菌体QQ和灰质炎病和灰质炎病毒毒 概念：某些概念：某些RNARNA病毒以本身病毒以本身RNARNA为模板合成与本身为模板合成与本身RNARNA完全一样完全一样RNARNA分子的过程称为分子的过程称为RNARNA的复制。的复制。两个阶段两个阶段: :1病毒RNA可充任