生物化学教学课件：第十一章 RNA生物合成和加工

第十一章RNA生物合成和加工

本章重点讨论RNA的生物合成，对RNA的合成后加工和RNA的复制作一般介绍。

思考第一节DNA指导下RNA的合成（转录）第二节RNA转录后加工第三节RNA指导下RNA的合成(RNA的复制)第四节核酸生物合成的抑制剂返回第一节DNA指导下RNA的合成一、转录的概念二、RNA聚合酶及催化反应三、启动子和转录因子四、RNA合成过程五、终止子和终止因子一、转录的概念和DNA的有义链和反义链

转录是在DNA的指导下的RNA聚合酶的催化下，按照碱基配对的原则，以四种核苷酸为原料合成一条与模板DNA互补的RNA的过程。RNA的转录从DNA模板的特定位点开始，并在一定的位点终止。此转录区域为一个转录单位。

启动子（promoter)

终止子(terminator)模板链（templattestrand）反意义链(antisensestrand)负链有意义链(sensestrand)编码链正链非信息区DNA5´5´3´3´RNA聚合酶催化的反应的特点

nNTP→(RNA)n+PPi底物：NTP引物：从头合成，不需要引物。合成方向：5’→3’合成速度：50bp/s,比DNA复制速度（800bp/s)慢外切酶活性：无外切酶活性，无校对功能大肠杆菌RNA聚合酶的结构示意图核心酶(α2ββ)起始因子β——和模板DNA结合β——起始和催化聚合反应α——酶的装配、识别和结合启动子全酶(αββ)二、RNA聚合酶催化的反应ACGACGUU模板DNA5´3´5´3´新合成RNA三、启动子和转录因子

启动子(promoter)是指RNA聚合酶识别、结合和开始转录的一段DNA序列,位于结构基因上游，长度从100bp-200bp不等，本身不被转录。RNA聚合酶起始转录需要的辅助因子（蛋白质）称为转录因子(transcriptionalfactor)。例：大肠杆菌启动子共有序列的功能

启动子（promoter)

终止子(terminator)DNA5´5´3´3´大肠杆菌启动子共有序列的功能××AGTCTTGACA××××××××××××××××××TAT××××××××××××××ATAAAT××××××AACTGT××××TTA××××××××××××××××Pribnow框-10-35识别区16-19bp5-9bp起点因子识别及结合RNA聚合酶结合启动子的结构至少由三部分组成：-35序列（TTGACA）提供了RNA聚合酶全酶识别的信号（简称识别位点）；-10序列（TATAAT）是RNA聚合酶的紧密结合位点(简称结合位点)（富含AT碱基，利于双链打开）；第三部分是RNA合成的起始点，也称为转录位点(一般为A或G)。利用足迹法(footprint)和DNA测序法可以确定启动子的序列结构。足迹法确定启动子序列

四、终止子和终止因子

提供转录停止信号的DNA序列称为终止子(termter)。协助RNA聚合酶识别终止信号的辅助因子（蛋白质）则称为终止因子(terminationfactor)。有的终止信号的作用可被特异的因子所阻止，使RNA聚合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(antitermination)。

例：大肠杆菌的两种终止子

转录终止信号有两种弱终止子：依赖ρ因子（终止因子，terminators）的终止NusA蛋白识别DNA链上的终止信号，在ρ因子帮助终止。强终止子：不依赖ρ因子的终止。（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（连续6个）。不依赖ρ因子的终止子A.不依赖于Rho（）的终止子A.依赖于Rho（）的终止子富含G-C系列U五、RNA合成过程起始双链DNA局部解开磷酸二酯键形成终止阶段解链区到达基因终点延长阶段53RNA

启动子（promoter)

终止子(terminator)5RNA聚合酶5353553离开RNA链的延伸图解3´5´RNA-DNA杂交螺旋聚合酶的移动方向新生RNA复链解链有义链(编码链)模板链（反义链、非编码链、负链）延长部位六、真核生物的转录作用酶类分布产物α-鹅膏蕈碱分子量(KDa)反应条件ⅠⅡⅢ核仁核质核质rRNA（5.8S、18S、28S）mRNA、部分snRNAtRNA、5SrRNA、部分scRNA不敏感敏感中度敏感500～700～700低离子强度要求Mg2+或Mn2+高离子强度高Mn2+浓度1.真核RNA聚合酶2.转录1)启动子结构复杂真核RNA转录基本过程与原核类似，但由于有三类RNA聚合酶，启动子也有三类，RNA聚合酶Ⅰ的启动子、RNA聚合酶Ⅱ的启动子、RNA聚合酶Ⅲ的启动子。RNA聚合酶Ⅰ的启动子具有2类元件：核心启动子；上游元件。

生命的遗传与变异ExonIntronTATAboxCAATboxGCboxEnhancerAATAAARNA聚合酶Ⅱ的启动子具有5种控制元件：基本启动子、起始子、上游元件、下游元件和应答元件。基本启动子1)帽子位点(+1).2）TATA盒（Hogness盒）RNA聚合酶的结合位点.3)CAAT盒,控制起始频率。4）GC盒，它是转录因子SP-1的结合位点。上游元件如：增强子为一段DNA序列，位于基本启动子，能增强转录频率2)启动过程需要多种转录因子参与。顺式作用元件：与转录有关的DNA序列。反式作用因子：直接结合或间接结合顺式作用元件上，对基因表达发挥不同调节作用(激活或抑制)的各类蛋白质因子3、产生的mRNA为“单顺反子”，只编码一条肽链。

。

七、转录过程的选择性抑制剂

放线菌素D利福平α－鹅膏蕈碱原核抑制抑制不抑制真核抑制不抑制抑制RNA聚合酶Ⅱ\Ⅲ第二节RNA转录后的加工一、RNA的加工二、RNA的拼接、编辑和再编码三、RNA生物功能的多样性四、RNA的降解原核生物中rRNA前体的加工

甲基化作用专一核酸外切酶30S前体17StRNA25S专一核酸外切酶16SrRNAtRNA23SrRNA5S

rRNA专一核酸外切酶原核生物tRNA前体分子的加工a、切除tRNA前体两端多余的序列：5’—端切除几到10个核苷酸。b、末端添加：3’-端添加CCA序列。c、修饰：形成稀有碱基如DH2。RNAasePRNAaseFRNAasePRNAaseFRNAaseDRNAaseDACC表示核酸内切酶的作用表示核苷酸转移酶的作用表示核酸外切酶的作用

表示异构化酶的作用

tRNATyr早转录本成熟tRNA加工酵母酪氨酸tRNA前体的加工真核细胞mRNA的加工5´

“帽子”PolyA

3´

顺反子(cistron)

m7G-5´ppp-N-3´pAAAAAAA-OH5′端接上一个“帽子”(CAP)结构3′端添加PolyA“尾巴”,由RNA末端核苷酸转移酶催化剪接：剪去内含子(intron)，拼接外显子(extron)二、RNA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需要通过拼接，去除插入部分（即内含子，intron），使编码区（即外含子，Exon）成为连续序列，这一过程称为RNA的拼接。它是基因表达的一个重要环节。RNA编码序列的改变称为编辑（editing）。由于存在选择性的拼接、编辑,一个基因可以产生多种蛋白质。1、RNA的拼接2、RNA的编辑RNA的拼接方式

类型自我拼接

类型自我拼接

核mRNA的拼接体的拼接

核tRNA的酶促拼接RNA编辑的不同类型和分布

编辑类型机制存在U的插入与删除gRNA的转酯反应锥虫线粒体mRNAC、A或U的插入多头绒孢菌线粒体的mRNA和tRNAG的插入RNA聚合酶重复转录副粘病毒的P基因C转变为U酶促脱氢哺乳类肠的apoPtRNAC转变为U或U转变为C脱氢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mRNARNA编辑的生物学意义消除移码突变等基因突变的危害增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、RNA生物功能的多样性1、RNA在遗传信息的翻译中起着决定作用。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节作用。5、RNA在生物进化中起重要作用。四、RNA的降解RNA降解是涉及到基因表达的一个重要环节，rRNA和tRNA是稳定的RNA，其更新率低；mRNA是不稳定的RNA，其更新率非常高。因为mRNA与其编码基因的表达活性直接有关，不同的mRNA需要以不同的速度进行降解。脊椎动物细胞mRNA的平均半衰期约为3h,细胞每一世代中各类mRNA约周转10次。细菌mRNA的半衰期大约只有1.5min，以适应快速生长和对环境作出快速反应的要求。

所有细胞中都存在各种核糖核酸酶，可以降解RNA。真核生物mRNA降解的主要途径首先是poly(A)尾巴的缩短，去腺苷酸化能诱发脱去5端帽子结构，然后由53方向和35

方向降解mRNA。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新合成的负链负链真核生物和原核生物转录的差别

DNA核核糖体新生蛋白质真核生物原核生物mRNA前体转运加工mRNAmRNARNA聚合酶不相同启动子不同介入的蛋白质因子不同转录后RNA加工修饰不同原核细胞与真核细胞在DNA转录上的差别 原核细胞 真核细胞核小体和染色质结构对转录的影响 无 有启动子结构 简单 复杂RNA聚合酶 一种 细胞核有三种转录因子 缺乏 多种识别启动子的蛋白质 RNA聚合酶本身 特殊的转录因子启动子