第32章RNA的生物合成与加工

第32章RNA的生物合成与加工DNA指导的RNA合成RNA的转录后加工RNA指导的RNA合成一、DNA指导的RNA合成☆RNA的生物合成包括转录和RNA的复制

（一）DNA指导的RNA聚合酶1、DNA指导的RNA聚合酶催化RNA合成的特点：（1）不需引物.（2）原料：NTP（3）合成方向：5/→3/端（4）模板：模板是DNA,在体内只能以DNA一条链为模板转录，叫不对称转录，转录的链叫模板链(有意义链或负链),另一链叫编码链(反意义链或正链)（5）促进因子:Mg2+能促进聚合反应.（6）无3/→5/外切酶活性，也无5/→3/外切酶的活性，过去认为RNA聚合酶无校对功能，现在认为有校正功能，只是校正功能有限.2、大肠杆菌RNA聚合酶全酶的组成：由5个（有的书上是6个）亚基组成，分别是α、α、β、β/、σ和ω组成，σ叫起始亚基，功能是辨认起始位点，又叫起始亚基；2α和ββ/组成核心酶，核心酶没有启动功能，它的功能是在已开始合成的链上移动，边移动边解开双链，边按5/→3/方向延长核苷酸链，ω亚基相对分子质量较小，功能不清楚。酶的活性中心内有Zn2+.原核细胞中只有一种RNA聚合酶3、大肠杆菌RNA聚合酶结构与功能：酶的形状象一个多突起的椭球体（1）α亚基位于酶的一端，功能是：酶的组装和识别启动子并与之结合并使转录起始。（2）β和β/亚基，是最大的两个亚基，形状象螃蟹的前螯，功能是：与模板DNA结合，结合核苷酸底物，催化磷酸二酯键形成，是酶的催化中心。（3）σ-亚基，窄而长，分为4个区，2区与启动子的-10序列结合并解开双螺旋，4区与启动子的-35序列结合，1区和3区起调节作用。（4）大肠杆菌RNA聚合酶的活性中心有多个通道，β和β/亚基之间的裂缝为DNA入口的通道，进入活性中心的DNA遇到蛋白质壁产生转折，促使双链解开，模板链与非模板链分开分别进入两通道并在出口处重新形成双螺旋-35序列提供了RNA聚合酶的识别信号，-10区域有助于解开双螺旋。启动子的序列多种多样，具有共有序列是常见的结构，但最弱的启动子没有-35序列（三）原核细胞的转录过程模板识别与转录起始链延长：链终止：不依赖于ρ因子的终止；依赖与ρ因子的终止二、RNA的转录后加工1、转录合成的RNA,叫原初转录产物，原初RNA经过一定程度的加工和修饰，才能变为成熟的mRNA.。mRNA作为蛋白质的合成模板,一个mRNA可以为一条多肽链编码,也可为多条多肽链编码，为一条多肽链编码的mRNA叫单顺反子,为二条或多条多肽链编码的为多顺反子。2、真核细胞的mRNA为单顺反子,因为真核细胞功能相关的基因不连在一起形成操纵子,不产生多顺反子.原核细胞的mRNA结构简单,由于功能相近的基因连在一起形成操纵子一块转录,产生多顺反子.3、原核生物的mRNA除少数外，一般不进行加工，转录和翻译可同时进行。但rRNA和tRNA需经过加工才能形成活性RNA；真核生物的mRNA、rRNA和tRNA都需要加工（一）真核生物mRNA前体的一般加工：1、真核细胞mRNA的原初转录产物是分子量极大的前体,在核内加工过程中形成大小不等的中间物,称为核内不均一RNA(hnRNA),有一小部分经进一步加工成为成熟的mRNA．2、把hnRNA加工为成熟mRNA的过程包括：（1）５/-端形成帽子(保护mRNA不被5/-核酸外切酶降解)（2）3/-端形成多聚腺苷酸的尾巴,尾巴不能阻止3/-核酸外切酶的降解作用,尾巴越长,3/-核酸外切酶作用的时间越长,mRNA的寿命越长.（3）剪去内含子转录的mRNA片段,把外显子转录的mRNA连接起来.（4）链内部核苷被甲基化（1）5/-加帽真核生物mRNA5/-端都有帽子，在hnRNA分子中就有帽子结构，在hnRNA分子的5/-端为三磷酸嘌呤核苷；转录起始后不久在RNA三磷酸酯酶的催化下从5/-端脱去一个磷酸，然后在mRNA鸟苷酰转移酶催化下，与GTP反应生成5/,5/-三磷酸相连的键，并释放出焦磷酸；最后在甲基转移酶催化下，以S-腺苷甲硫氨酸（SAM）提供甲基进行甲基化，产生帽子结构5/-帽子的功能：确切功能不十分清楚，推测它可能在翻译过程中被识别和对mRNA起稳定作用。（2）真核细胞mRNA3/-加尾真核细胞mRNA的3/-端通常都有20~200个腺苷酸残基构成的多聚腺苷酸的尾巴结构，核内的hnRNA3/-端也有多聚腺苷酸形成的尾巴，hnRNA的尾巴比mRNA的尾巴略长，平均为150~200个腺苷酸残基。病毒的mRNA3/-端也有多聚腺苷酸尾巴。真核细胞和病毒的mRNA的3/端存在加尾信号AAUAAA（3）剪去内含子，连接外显子真核生物的基因是断裂基因，但也有少数编码蛋白质的基因及tRNA和rRNA基因是连续的。断裂基因的外显子和内含子一起转录，转录产物经过剪接除去内含子部分，将外显子链接起来。内含子有多种多样的结构，剪接机制也多种多样。剪接机制共有4种方式：类型Ⅰ自我剪接类型Ⅱ也是自我剪接核mRNA剪接体剪接核tRNA的酶促剪接。在某些生物中，RNA也是遗传信息的载体，也能复制合成与自身相同的分子，某些病毒RNA，当它侵入到宿主细胞后，可借助复制酶（RNA指导的RNA聚合酶）进行病毒RNA的复制。如大肠杆菌的噬菌体有f2、MS2、R17和Qβ所含的核酸都是RNA，当他们侵入到宿主细胞后，利用RNA复制酶合成病毒RNA。三、RNA指导下RNA和DNA合成（一）RNA指导下RNA和DNA合成1、噬菌体QβRNA的复制2、病毒RNA复制的主要方式（二）逆转录作用（RNA指导的DNA合成）1970年Temin和Mizufani等人分别从致癌病毒中发现了以RNA为模板催化合成DNA的酶叫逆转录酶,也叫RNA指导得DNA聚合酶.当逆转录病毒感染宿主细胞时,单链RNA病毒和酶一起进入宿主细胞.1、逆转录酶（RNA指导的DNA聚合酶）（1）逆转录酶催化DNA合成所需条件：底物：dNTP模板：RNA方向：5′→3′逆转录酶中含有Zn2+引物：tRNA(不同生物引物是不同氨基酸的tRNA)，需要引物具有3′OH末端，在引物的3/-末端按5′→3′方向，合成一条与RNA模板互补的DNA单链，这条DNA单链叫做互补与RNA的DNA，它与RNA模板形成RNA-DNA杂交体。随后又在逆转录酶的作用下，水解掉RNA链，再以杂交体的DNA为模板合成第二条DNA链。形成的双链DNA（cDNA）（2）逆转录酶也是多功能酶，主要包括以下几种活性:①DNA聚合酶活性；以RNA为模板，催化dNTP聚合成DNA的过程。反转录酶不具有3′→5′外切酶活性，因此没有校正功能，所以由反转录酶催化合成的DNA错误率比较高,一般每加20000个脱氧核苷酸就会出现一个错误的核苷酸,所以单链RNA病毒突变率高。②核糖核酸酶H（RNaseH）的活性；由逆转录酶催化合成的cDNA与模板RNA形成的杂交分子，将由RNaseH从RNA5′端水解掉RNA分子。③DNA指导的DNA聚合酶活性：以反转录合成的第一条DNA单链为模板，以dNTP为底物，再合成第二条DNA链。除此之外，有些反转录酶还有DNA内切酶活性，这可能与病毒基因整合到宿主细胞染色体DNA中有关。2、逆转录过程（1）逆转录病毒的RNA、引物和酶（逆转录酶和整合酶）进入宿主细胞，在宿主细胞的胞质中发生逆转录作用，先形成cDNA。（2）cDNA进入宿主细胞核，在整合酶帮助下整合到宿主细胞的染色体DNA上，叫前病毒，前病毒随宿主细胞染色体DNA复制而复制，只有整合的前病毒DNA转录的mRNA才能指导