第3章rna的生物合成省名师优质课赛课获奖课件市赛课百校联赛优质课一等奖课件

第三章RNA生物合成1/76RNA组成及结构RNA聚合酶开启子结构RNA合成过程RNA前体加工本章主要内容2/761引言转录（transcription）：以DNA单链为模板，按照碱基配对规则,酶(DdRp)促合成互补于模板DNA单链片段RNA过程。是基因表示关键步骤。3/76关于基因有义链和编码链等概念基因DNA（+）链——有义链——编码链基因DNA（-）链——反义链——模板链与mRNA序列相同那条DNA链称为编码链；将另一条依据碱基互补标准指导mRNA合成DNA单链称为模板链。这种新定义主要是基于以下考虑：非模板链碱基次序与以模板链为模板转录出来RNA碱基次序一致（只是T与U有别）。(2)便于将有义链（即编码链）DNA序列直接与氨基酸密码子相对应起来。4/76转录方向5

3

3

5

模板链编码链编码链模板链转录方向对基因组DNA分子来说,不一样基因模板链或编码链并非一定存在于同一条单链上。5/76例题：试判断以下题目中哪条链为基因有义链(编码链)？a.5＇—ATGAAATTTCCCGGGGTA—3’b.3＇—TACTTTAAAGGGCCCCAT—5＇c.5＇—AUGAAAUUUCCCGGGGUA—3＇d.—MetLysPheProGlyVal—6/762RNA结构及种类2.1组成与结构（1）RNA是多核糖核苷酸链,含有AMP、CMP、

GMP和UMP等残基。主链由相间排列磷酸和核糖所组成。侧链碱基为A、

G、

C和

U等。多核糖核苷酸链化学式7/76大肠杆菌16SrRNA二级结构几乎每个RNA分子都有许多短双螺旋区域。大肠杆菌16SrRNA长1,542nt;而23SrRNA长2,904nt。（2）大分子RNA结构8/76RNA分子茎环结构特征RNA分子茎环结构示意图9/762.2RNA种类（1）mRNA：信使RNA（messengerRNA），为合成多肽链模板。寿命短，半衰期只有几分钟。（2）rRNA：核糖体RNA（ribosomalRNA），参加核糖体组成，较为稳定。（3）tRNA：传递RNA（transferRNA），氨基酸传递工具。含稀有碱基，成熟tRNA二级结构呈三叶草形。10/76

与mRNA相关几个概念：基因:编码一条多肽链或功效RNA所必需全部核苷酸序列。基因种类:(1)结构基因(structuralgenes)与调整基因(regulatorygenes);(2)功效RNA基因,如,rRNA基因和tRNA基因等。转录单元（transcriptionunit）：一段从开启子开始至转录终止子结束DNA序列。代表一个基因或操纵子。

严格地说,不能将开启子(promoter)和操纵基因称之为基因。11/76读码框（openreadingframe,ORF）：mRNA分子上自起始密码子至终止密码子之间三个一组碱基序列。单顺反子mRNA：只编码一条多肽链mRNA。多顺反子mRNA：编码几条不一样多肽链mRNA。隔离序列：多顺反子mRNA中顺反子之间间隔序列。SD序列：mRNA中用于结合原核生物核糖体序列。12/76前导序列：mRNA中5′端和肽链合成起始点所对应碱基之间序列。原核生物基因编码区与前导序列之间关系示意图

不论原核或真核生物mRNA都存在5′和3′端2个非编码区，所以，mRNA通常比其所编码多肽链所需要碱基序列要长一些。细菌5′端不编码多核苷酸序列（前导序列）约含25～150nt。13/762.3RNA酶促合成特点（1）以一条DNA链为模板。试验证据：新合成RNA只能与一条DNA链杂交。（2）RNA合成反应不需要引物，RNA聚合酶无校正功效。（3）新链延伸方向：5′→3′。试验证据：新加入核苷酸均出现于3′端。（4）合成用底物为NTP（N：A、G、U、C），模板DNA链与新合成RNA之间碱基配对规律为dT-A、dA-U、dG-C、dC-G。14/76

2.4转录与复制异同

相同点：都需要依赖DNA聚合酶；都以DNA为模板；聚合酶沿模板链移动方向均为3′→5′;新链延伸方向均为5′→3′；恪守碱基互补配对规律；产物为多聚核苷酸链。不一样点复制转录

特征半保留复制不对称转录模板用量两股链均作为模板模板链作为模板原料dNTP（N：A，T，G，C）NTP（N：A，U，G，C）聚合酶DNA聚合酶RNA聚合酶校对机制有无引物需RNA引物不需引物碱基配对A-T，G-CdA-U，dT-A，dG-C,dC-G产物子代DNA双链mRNA，tRNA，rRNA15/763RNA聚合酶与开启子3.1原核生物RNA聚合酶大肠杆菌RNA聚合酶分子呈球形，直径约10nm（其长度相当于30bp双螺旋），实际与DNA结合时，可覆盖60bp。每个细胞中约有7000个RNA聚合酶。全酶=关键酶+σ因子16/76全酶：α2ββ′ωσ负责开启子选择和转录起始关键酶：α2ββ′ω负责新生RNA链延伸σ因子：有各种σ因子，用于识别不一样开启子17/763.2真核生物RNA聚合酶

依据对鹅膏覃碱敏感性反应不一样，将真核RNA聚合酶分为三种：RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。

α-鹅膏覃碱是一个毒蘑菇主要毒性成份，为真核RNA合成抑制剂。真核RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ为寡聚酶，每种酶分子含2个大亚基和4-8个小亚基，分子量在500KD左右。真核生物线粒体、叶绿体中RNA聚合酶，分子量及活性与细胞核中不一样，主要是由核基因编码。

种类PolyⅠPolyⅡPolyⅢ对鹅膏覃碱敏感性耐受敏感中度耐受转录前体产物45SrRNAhnRNA5SRNA及tRNA前体转录后加工产物5.8、18、28SrRNAmRNA5SrRNA,tRNA18/76DNA聚合酶和RNA聚合酶表示方法

DNA聚合酶RNA聚合酶原核

DNAPolⅠ、Ⅱ、Ⅲ

α2ββ′ωσ

真核

DNAPolα、β、δ、ε、γRNAPolⅠ、Ⅱ、Ⅲ

19/764开启子开启子：是基因转录起始所必需一段DNA序列，处于结构基因上游，是RNA多聚酶识别和结合序列。通常开启子本身不被转录。20/76开启子克隆及判定方法介绍

开启子分离（1）从已分离到基因中去分离;（2）利用基因开启子探针型载体去分离。

开启子判定依据遗传标识基因特征进行筛选和判定。21/7641-44bp4.1原核生物基因开启子22/76不一样开启区所含有共有序列称为保守序列或一致性序列。原核生物部分基因开启子共有序列大肠杆菌RNA聚合酶全酶所识别开启子区23/76转录起点:与新生RNA链上第一个核甘酸相对应DNA正链上核甘酸，通常为嘌呤核甘酸。24/76经典开启子结构TATA区：酶紧密结合位点（富含AT碱基，利于双链打开）。TTGACA区：提供了RNA聚合酶全酶识别信号。25/76开启子组成三要素：Pribnow构想：①σ因子结合-35区，即Sextama框，为RNA聚合酶识别位点，碱基组成为TTGACA（T82T84G78A65C54A45

）。②关键酶结合-10区，即Pribnow框，大多包含TATAAT序列（Pribnow框一致序列为T80A95T45A60A50T96），是RNA聚合酶牢靠结合位点。③转录起始位点。

26/764.2真核生物基因开启子3种聚合酶，各有其所识别和结合开启子：RNAPolI近开启子：位于-40～+5；远开启子：位于-165～-40RNAPolII其开启子最为复杂，它和原核开启子有很多不一样,属于多部位结构，主要包含四个部位:(1)转录起始位点；(2)TATA框（Hognessbox），其共有序列为：(3)CAAT框：GGC/TCAATCT；(4)增强子（enhancer）（远上游序列），在5′侧（上游），少数在3′侧,能起增强基因转录作用。一些情况下，能够从无开启子基因处激活转录作用。RNAPolIII内部开启子，位于转录起始位点下游。27/76关键开启子（corepromoter）：指确保RNA聚合酶Ⅱ正常起始转录所必需、最少DNA序列，包含转录起始位点及其上游TATA区。TATA区常在-25bp左右，相当于原核-10区，其保守序列为：T85A97T93A85A63A83A50作用：选择正确转录起始位点，确保准确起始。上游开启子元件（upstreampromoterelement，UPE）：包含CAAT盒和GC盒等。作用：控制转录起始频率。28/76SV40早期开启子组蛋白H2B

TATACAATGC29/765RNA酶促合成5.1原核生物RNA转录合成过程(1)起始位点识别RNA聚合酶与开启子DNA双链相互作用并与之相结合过程。RNA多聚酶与开启子上-35区及-10区作次序专一性接触（即σ因子结合-35区，关键酶结合-10区），形成复合物；解链：在起始位点附近发生解链，两个DNA单链局部解开。形成转录泡。

30/76RNA聚合酶与开启子结合形成转录起始复合物(2)转录起始

RNA多聚酶使第一和第二个核苷酸形成磷酸二酯键。用于RNA合成第一个核苷酸通常是ATP或GTP。31/76(3)RNA链延伸

转录起始后直到产生由9个nt所聚合而成短链。RNA聚合酶离开开启子区（经过开启子），沿DNA链移动并催化新RNA链继续延伸。RNA新链开始延伸后，σ因子即从反应复合物上脱落。在关键酶催化下，NTP不停聚合，RNA链不停延长。合成过程中存在一个约12bp长DNA-RNA杂交区。32/76(4)RNA合成终止转录终止子（terminatoroftranscription）：是指基因编码区下游DNA序列，可被RNA多聚酶识别，为停顿合成RNA信号。转录终止：不再形成磷酸二酯键，RNA－DNA分离，转录泡瓦解，DNA恢复双链。转录终止分为两种类型：依赖ρ因子终止作用

因子：一个六聚体蛋白。水解各种NTP，促使新生RNA链从“RNA聚合酶-DNA-RNA”三元转录复合物中解离出来，从而终止转录。33/76依赖

因子终止作用ρ因子识别终止序列，使RNA聚合酶合成作用停顿；促使新生RNA链从合成反应复合物中释放出来。34/76ρ因子参加RNA合成终止模式35/76

不依赖ρ因子终止子序列有2个显著特征：含有反向重复序列；模板链上含有大约6个碱基一串A。发夹式结构和寡聚U共同作用，促使RNA从三元复合物中解离出来。不依赖ρ因子终止序列和终止RNA结构

箭号所指为突变碱基2）不依赖ρ因子终止作用36/76

终止效率与二重对称序列和寡聚U长短相关RNA合成时所形成发夹终止结构37/765.2真核生物RNA合成

转录起始：因为开启子组成较为复杂，每一个开启子成份都有对应转录因子与之结合。各类开启子都有其对应转录开启机制。

基因转录实际上是RNA聚合酶、转录调控因子和开启子区各种调控元件相互作用结果。转录延伸：RNA合成速度约为30～40核苷酸/秒。RNA链延长速度并不恒定，通常，富含G-C碱基模板区转录合成RNA速度会大大降低或延迟。转录终止：当前了解得极少。38/76

转录因子转录复合体TBPTAFsTFIIATFIIBTFIIFPolIITFIIERNApolⅡ转录起始

真核生物转录起始复合物39/7640/765.3试论开启子与“开启基因”Monod和Jacob乳糖操纵子模型当代基因概念可将原操纵子模型中“开启基因”和“操纵基因”视作当代基因概念中开启子组成部分。41/766RNA转录后加工42/76转录后加工:各种RNA合成时,先以DNA为模板生成份子量较大RNA前体(初级转录产物),然后在专一性酶作用下切除多出部分,或进行修饰,最终才能生成有活性“成熟”RNA。转录产生tRNA和rRNA前体需要深入加工。真核生物mRNA前体，也需要加工；而原核生物mRNA普通不需要加工。43/76原核生物与真核生物mRNA特征比较原核生物mRNA特征

半衰期短通常以多顺反子形式存在5ˊ端无“帽子”结构，3ˊ端无或只有较短poly（A）尾巴真核生物mRNA特征

半衰期较长以单顺反子形式存在5ˊ端存在“帽子”结构；多数mRNA3ˊ端含有poly（A）尾巴（组蛋白除外）6.1mRNA前体加工44/76原核生物和真核生物mRNA结构比较45/76真核生物mRNA前体加工包含以下方面（1）5′端7-甲基鸟苷帽添加（2）3′端多聚腺苷酸尾巴添加（3）mRNA前体剪接（4）RNA编辑46/76帽子结构功效

①能被核糖体小亚基识别，促使mRNA和核糖体结合。②m7Gppp结构能有效地封闭mRNA5ˊ末端，以保护mRNA免受5ˊ核酸外切酶降解，增强mRNA稳定性。m7Gppp6.1.1在5ˊ端加帽

5ˊ端一个核苷酸总是7-甲基鸟苷三磷酸（m7Gppp），这种结构称为帽子（cap）。47/76

大多数真核mRNA3′末端含有由100～200个腺苷酸连续排列而成“尾巴”[Poly（A）或多聚腺苷酸]。此尾部是以ATP为底物由RNA末端腺苷酸转移酶催化合成。反应式为：此酶不需要模板，但需要RNA作为引物。6.1.2真核mRNA3′端加尾反应

Poly（A）功效：可能与mRNA顺利经过核膜而进入细胞质过程相关。提升mRNA在细胞质中稳定性。48/76

近年来研究认为，在大多数真核基因3ˊ端有一个AATAA序列，这个序列是mRNA3ˊ端加polyA尾信号。靠核酸酶在此信号下游10-15碱基外切断磷酸二酯键，在polyA聚合酶催化下，在3ˊ-OH上逐一引入100-200个A碱基。49/766.1.3mRNA前体剪接地中海贫血病人珠蛋白基因中，大约有1/4核苷酸突变发生在内含子5ˊ或3ˊ边界保守序列上，或即使位于内含子中间但干扰了前体mRNA正常剪接。50/76RNA三种剪接方式⑴自我剪接内含子

能够自发地进行剪接，又分为Ⅰ型内含子和Ⅱ型内含子两个亚类。⑵由酶蛋白参加剪接内含子

主要在tRNA前体中发觉。⑶由snRNP参加剪接内含子

存在于绝大多数真核细胞蛋白质基因中。例题:tRNA前体与四膜虫rRNA前体自我剪接机制有何不一样?51/76

5’..AAGUAAGU…….CURAY..(10-40)…(U/C)11NCAGG….3’IntronexonexonPolyprimidine

AG前一位核苷酸能够影响剪接效率，普通说来，CAG=UAG>AAG>GAG。若mRNA前体上同时存在几个AG，则可能发生剪接竞争。内含子主要类型：

GU-AG、AU-AC、Ⅰ类内含子、Ⅱ类内含子52/76①剪接体参加mRNA前体剪接——绝大多数真核蛋白质基因mRNA前体剪接剪接体组成：snRNA：内核小分子RNAsnRNP：与snRNA结合核蛋白53/76②③UACUACA-AGUGU4U5U6E1E2U1U2UACUACA-AGUGU6E1E2U1、U4、U554/76核酶（ribozyme）发觉:1982年，由美国ThomasCech在研究四膜虫rRNA前体自我剪接时发觉。核酶（核酸代酶）：含有酶活性RNA次序，是真核生物内含子转录物所含有内在前导次序（IGS），能够在离体条件下，在没有任何酶和其它蛋白分子存在时，催化内含子转录物剪切。Ⅰ类内含子自我剪接附:55/7656/7657/76自我催化高度立体结构特异性上游外显子中一个富含嘧啶区（CUCUCU）与内含子中一个富含嘌呤指导序列（GGGAGG）相配对。58/7659/76Ⅱ类内含子自我剪接附：60/76机制：分支点处A2′-OH亲核攻击于内含子5′-剪接点磷原子，形成2ˊ,5′-磷酸二酯键（转酯反应），上游外显子分离；新形成外显子3′-OH再亲核攻击于内含子3′-剪接点处磷原子，使得2个外显子形成3′,5′-磷酸二酯键（转酯反应）而连接在一起，同时，内含子以套索状放出。61/7662/766.1.4RNA编辑碱基突变：C变为URNA编辑（editing）:在mRNA上发生因为个别碱基取代、缺失或插入，使得编码信息改变过程。编辑类型：（1）碱基取代；（2）碱基插入或缺失。63/76锥虫coxII基因编辑1986.R.Benne在研究锥虫线粒体mRNA转录加工时发觉mRNA多个编码位置上加入或丢失尿苷酸，1990年在高等动物和病毒中也发觉了编辑现象。尿苷酸缺失和添加64/7665/76碱基插入编辑机制：与RNA自我剪接类似RNA指导序列：作为模板并指导编辑RNA序列，该序列由独立DNA转录单位编码。66/766.2rRNA前体转录后加工真核细胞rRNA基因(rDNA)属于称为丰富基因族DNA序列，也称为中度重复序列。67/766.3tRNA前体转录后加工细胞内含有数十种tRNA,也是从较长前体产生。一些初级转录本含有几个tRNA序列，或含有同一个tRNA几个拷贝。

普通在加工过程中除去前体5′或3′端多出核苷酸。加工还包含3′-端CCA-OH生成，一些碱基化学修饰，如甲基化反应、还原反应及脱氨基反应等。68/76思索题:

在原核表示系统中，（1）能用真核开启子吗？（2）能用原核开启子表示真核基因编码区吗？69/761、以下相关TATA盒(Hognessbox)叙述,哪个是正确:A.它位于第一个结构基因处

B.它和RNA聚合酶结合

C.它编码阻遏蛋白

D.它和反密码子结合

B

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