生化课件11 rna生物合成

1、RNA生物合成RNA BIOSYNTHESIS第十一章CHAPTER 11RNA种类及作用rRNAs (Ribosomal RNAs)75-80%：以白体的形式参与蛋白质生物合成，是蛋白质合成的场所tRNAs（Transfer RNAs) 10-25%：在蛋白质生物合成过程中转运氨基酸mRNAs(Messenger RNAs) 2-3%：作为蛋白质合成的直接模板hnRNAs（heterogeneous nuclear RNAs）mRNA的未成熟前体snmRNAs（small non-messenger RNA）snRNA, siRNA，miRNA参与RNA前体的加工及基因表达调控2RNA生物合

2、成转录（Transcription）: DNA指导的 RNA合成转录加工DNARNA前体成熟RNARNA复制（RNA replication）: RNA指导的 RNA合成3DNA复制RNA复制转录翻译DNARNA蛋白质反转录第一节Section 1转录作用Transcription转录作用（ DNA-dependent RNA synthesis ）在RNA聚合酶催化下，以DNA为模板，以4种三磷酸核苷（ATP, GTP, CTP, UTP） 为原料进行的RNA聚合反应。TranscriptionDNARNA4第一节转录体系参与转录的物质模板:DNA酶:RNA聚合酶 (RNA polymera

3、se, RNA-pol)原料:NTP (ATP, GTP, CTP, UTP)无机离子：Mg2，Mn2其他蛋白质因子5一、转录模板转录时DNA与RNA的碱基配对规律：DNA AGCTRNA UCGA碱基配对的稳定性G/C A/T A/U6两条链都是模板吗？DNA复制：全程复制转录：有选择性7不对称转录（asymmetric transcription）DN段转录时，双链DNA中只有一条链作为转录的模板，这种转录方式称为不对称转录8模板链（ template strand）编码链（coding strand）coding strandDouble strand of DNA5TCAGCTCGCT

4、GCTAATGGCC33AGTCGAGCGACGATTACCGG5template strandtranscription5UCAGCUCGCUGCUAAUGGCC3RNA transcript95 .GCA GTA CAT GTC. 3编码链DNA3 . c g tc a tg t ac a g. 5 模板链转录5. GCA GUA CAU GUC. 3翻译mRNA蛋白质N . Ala .Val.His.Val.CDNA模板、转录产物mRNA和氨基酸序列之间的关系10编码链和模板链是一个相对的概念：结构基因转录方向基因A5335基因B转录方向RNA转录的不对称性11编码链模板链模板链编码链不

5、对称转录的含义： 在DNA双链上，一股链可转录，另一股链不转录 模板链并非永远在同一条单链上。12转录模板的结构特点（一）转录单位：转录分区段进行，能够连续独立转录的一个DN段称为一个转录单位Gene CGene DGene AGene BDouble stand DNACoding strandTemplate strand13（二）转录起始点(start site)以+1表示，一般为A或G上游(upstream):从转录起始点逆转录方向的区域，用负号（-）表示下游(downstream):从转录起始点顺转录方向的区域，用正号（+）表示53上游1下游14DNA（三）与转录起始和终止有关的DN

6、A结构1、启动子(promoter)：是位于转录起始点上游的一段DNA序列，是RNA聚合酶的识别和结合部位。在转录调控中起着重要作用。调控序列1 结构基因533515RNA-polRNA聚合酶保护区5结构基因3535 3 3 5 -50-40-30-20-10110开始转录-35 区-10 区RNA-pol辨认位点(recognition site)(Pribnow box)结合部位 原核生物启动子保守序列16T A T A A T Pu A T A T T A PyT T G A C A A A C T G T被RNA聚合酶保护的DNA区段碱基序列分析17-35区-10区+1trpT T G

7、 A C AN17T T A A C T N7 A tRNAtrpT T T A C AN16 T A T G A T N7 A LacT T T A C AN17T A T G T T N6 ArecAT T G A T AN16T A T A A T N7 AaraC T G A C GN18T A C T G T N6 A最大一致性 T T G A C AT A T A A Tx/4538 36 2940 25 30373728412944真核生物的启动子真核生物的三种RNA聚合酶，每一种都有自己的启动子类型。RNA聚合酶的启动子即 mRNA基因的启动子，称类启动子18顺式作用元件 (c

8、is-acting element)结构基因-GCGC-CAAT-TATA转录起始增强子TATA盒CAAT盒GC盒19 真核生物启动子保守序列2、终止信号（stop signal）：在基因单位中，具有停止转录作用的部位, 包括GC富集区和AT富集区, 也称终止子。(terminator)20二 RNA聚合酶RNA polymerase全称：依赖DNA的RNA聚合酶（DNA-dependent RNA polymerase）简称： RNA polDNARNA polRNA21The discovery of prokaryotic RNA polymerasesArthur KornbergSe

9、vero OchoaNobel Prize in Physiology or Medicine 195922for their discovery of the mechanisms in the biological synthesis of ribonucleic acid and deoxyribonucleic acid（一）原核生物RNA聚合酶结构:bbbbsaaaa核心酶 （core enzyme）a2bb全酶 （holoenzyme）a2bbs23原核RNA 聚合酶各亚基的作用亚基 分子量亚基数功能3651215061821决定哪些基因被转录催化RNA链延伸结合DNA模板1556

10、131100070263111功能不明辨认起始点（转录起始后脱落）24RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合的存在保证原核生物RNA聚合酶只能与启动子区而不是其它区域形成稳定的二元复合物。25原核RNA聚合酶具有多种功能baTTGACA+20+1sab-35ds DNA1. 识别转录起始点2. 促使DNA双链打开17bp3. 催化NTP以3,5磷酸二酯键相连，方向534. 识别转录终止信号26原核RNA聚合酶作用特点：1. 聚合速率慢，3085 nt/s（DNA合成250-1000nt/s）2. 缺乏3 5外切酶活性，无校对功能，错误率高（10-4 10-5 ，DNA合成错误率10-9 10-10

11、 ）3.不同的s识别不同的启动子4. 活性可被利福霉素抑制（与b亚基结合）利福霉素抗结核27（二）真核生物的RNA聚合酶种类定位核仁核质核质转录产物45s-rRNA耐受hnRNA极敏感5s-rRNA,tRNA,snRNA中度敏感对鹅膏蕈碱反应5.8SrRNA18SrRNA28SrRNAtRNA 5SrRNAsnRNAmRNA最终转录产物28Nobel Prize in Chemistry 2006Father and SonRoger D. Kornberg29For his studies of the molecular basis of eukaryotic transcription第

12、二节转录过程Section 2Transcription Process一二原核生物的转录过程真核生物的转录过程转录过程可以分为三个阶段：1. 转录起始（ Initiation）2. 转录延长（Elongation）3. 转录终止（Termination）30一原核生物的转录过程1. 转录起始（ Initiation）?转录起始需解决两个问题RNA聚合酶必须准确结合转录模板的起始区域DNA双链解开，使其中的一条链作为转录的模板31 转录起始过程RNA聚合酶-识别DNA启动子(35区)核心酶与启动子结合(10区)DNA构象改变，启动子10区处打开双链DNA分子（约17bp)DNA构象改变，启动子

13、10区处打开双链DNA分子（约17bp)转录开始，形成第一个3,5磷酸二酯键（不需引物）o （循环使用）核心酶沿模板向下游移动转录起始特点：1、转录不需要引物，RNA聚合酶结合于转录起始部位可直接合成RNA。2、RNA聚合酶可挤入DNA双链间，不需其它酶来解旋、解链。3、因子必须脱落，否则核心酶不滑动，RNA链不能延长。342. 转录延长（Elongation）核心酶沿DNA模板链向下游方向滑动NTP以3,5-磷酸二酯键逐个相连形成RNA链，方向53RNA链延长，暂时形成DNARNA杂交体（约8bp）RNA逐步脱离模板链35核心酶滑过的部位，DNA链很快恢复双螺旋结构转录泡 (transcri

14、ption bubble)由DNA双链（打开约17bp）,RNA聚合酶与新合成的RNA链局部形成的结构.36 原核生物转录过程中的羽毛状现象3537RNA核糖体RNA聚合酶DNA3. 转录终止（ Termination ）核心酶遇到DNA模板的终止信号核心酶不能继续滑动核心酶从模板DNA上脱落新合成的RNA链脱落，转录终止38终止信号（stop signal）：在基因单位中，具有停止转录作用的部位, 包括GC富集区和AT富集区, 也称终止子。(terminator)原核转录终止方式：u 不依赖因子u 依赖因子39u两类终止子有共同的序列特征：在转录终止点之前有一段间断的回文结构。u两类终止子碱

15、基组成的不同点：不依赖因子依赖因子回文结构富含G-CG-C含量较少下游富含A-T下游无特征40u 不依赖因子的终止子转录方向模板链5DNA3TCGGGCG AGCCCGCCGCCCGA GCGGGCTAAAAAA TTT TTT53编码链模板链AAAAAA 53DNAUUUUUU 3TTTTTT53编码链转录产物541CGCCCGA GCGGGCUu依赖因子的终止子模板链5DNA3TAAGTAG ATTCATCCTACTTA GATGAATAGCTAC TCGATG53编码链模板链AGCTAC 53DNAUCGAUG3TCGATG53编码链转录产物542CUACUUA GAUGAAU转录方向r

16、因子（6聚体蛋白质）：辅助识别终止信号诱使RNA聚合酶构象改变具有解螺旋酶活性，释放RNA产物43原核生物转录过程多顺反子(Polycistronic )：一个结构基因转录生成一个mRNA，编码多条多肽链45二真核生物的转录过程1. 转录起始（ Initiation）起始过程比原核生物复杂上游调控序列复杂启动子Promoter增强子Enhancer、静息子Silencer等RNA聚合酶不直接与模板结合转录前起始复合物pre-initiation complex, PIC需多种转录因子参与46转录起始点上游区段顺式作用元件(cis-acting element)调节表达基础表达（启动子） 转录起

17、始点编码链其他调节元件增强子（+） 静息子（-）CCAATTATA535基因转录区3+1-40 -110-25模板链基因调控区mRNA47反式作用因子（trans-acting factor）能直接或间接识别和结合顺式作用元件的蛋白质，叫反式作用因子，也叫转录因子（ transcriptional factor, TF)；其中直接或间接结合RNA聚合酶，为PIC 装配所必需的，又叫通用转录因子（general TF)，或基本转录因子（basal TF)。48由RNA-Pol 催化转录的PICEHD-TBP DTAF BTATACTD-PATFD-A-B-DNA复合物PIC组装完成，TFH使CT

18、D磷酸化 (CTD: RNA pol II大亚基carboxyl-terminal domain)49TFIIH具有蛋白激酶活性RNA-pol II大亚基CTD磷酸化RNA 聚合酶向下游移动转录延长502. 转录延长（Elongation）真核生物RNA-pol前移会遇上核小体核小体解聚和移位现象核小体RNA-Pol转录方向RNA-PolRNA-Pol51（三）转录终止和转录后修饰密切相关。mRNAAAAAAAA 33加尾核酸酶5335RNA-polAATAAAGTGTGTG转录终止的修饰点52单顺反子(monocistronic),一个结构基因转录生成一个mRNA，编码一条多肽链。53第三节

19、转录后的加工过程Section 3RNA Processing将转录生成的前体RNA转变为成熟的、有活性的RNA的过程主要加工方式：剪切(cleavage)和剪接(splicing)末端添加(terminal addition)核苷酸化学修饰(modification)RNA编辑(RNA editing)54 mRNA前体的加工Processing of mRNAs Precursor（一）mRNA生成特点（原核&真核）原核生物：多顺反子mRNA (polycistronic mRNA)没有核膜，转录和翻译同时进行不需复杂加工就表现出生物活性真核生物：单顺反子mRNA (monocistron

20、ic mRNA)转录生成的是mRNA前体hnRNA 需要在细胞核加工成成熟的mRNA55（二）真核生物mRNA前体的加工5末端加帽(5 cap)3末端加尾(3 polyA tail)剪接作用甲基化修饰核苷酸编辑565末端帽子的结构:m7GpppNmp-7甲基鸟嘌呤7methyl guanylate5 5的连接5 to 5 linkage核糖2位羟基甲基化methylation of 2 carbon575末端帽子的生成:5 pppNp G/A 磷酸酶Pi5 ppNppppG鸟苷酸转移酶ppi5 GpppNpCH3-甲基转移酶5 m7GpppNmp58CH35末端帽子的功能:m7GpppNmp-

21、保护新合成的mRNA免被降解参与第一个内含子的剪接协助mRNA转移至胞浆协助mRNA在核糖体的准确定位593末端多聚A“尾”的生成3 polyadenylation G-T rich60转录终止修饰点3末端加多聚A“尾”：多聚A聚合酶RNA nATPRNA(AMP)n+nPPi功能：增加mRNA的稳定性参与最后一个内含子的剪接61（三）mRNA的剪接（mRNA splicing） 除去hnRNA中的内含子，连接外显子。美国科学家，因发现mRNA的剪接于1993年获诺贝尔奖62英国科学家，因发现断裂基因于1993年获诺贝尔奖真核生物的基因是一种断裂基因，由编码区和非编码区组成。外显子与内含子相间

22、排列Exon1Intron1Exon2Intron2Exon3DNAmRNA蛋白质63外显子(exon) ：在断裂基因及初级转录产物中出现，并表达为成熟RNA的核酸序列。内含子(intron) ：隔断基因的线性表达，在剪接过程中被去除的核酸序列。转录加工DNAhnRNA(内含子、外显子)mRNA(只有外显子)(结构基因)Exon1Intron1Exon2Intron2Exon3DNAmRNA蛋白质64剪接作用（mRNA splicing）剪切hnRNA中内含子序列，将各外显子序列连接为成熟mRNA的过程。剪接部位的结构特点：内含子5端剪切点序列为： GU内含子3端剪切点序列为: AG内含子3端

23、剪切点上游附近A序列分支点5 Splice siteBranch site3 Splice siteUpstream exon AGGUAAGUA( Py)nNCAGG Downstream exon6566剪接原理: 套索(lariat)的形成及剪除67套索(lariat)的形成及剪除剪接体参与mRNA前体的剪接（spliceosome）剪接体: UsnRNP与mRNA前体结合形成的复合物UsnRNPUridine-rich small nuclear ribonucleoproteinsnRNA白分类：U1，U2，U3,U4，U5，U668 鸡卵清蛋白基因及其转录、转录后加工鸡卵清蛋白基因

24、hnRNA首、尾修饰hnRNA剪接成熟的mRNA69mRNADNA鸡卵清蛋白成熟mRNA与DNA杂交电镜图70可变剪接（Alternate splicing of mRNA）同一个初级转录本，在不同组织中由于剪接作用的差异，可产生不同的成熟mRNA，导致翻译生成不同的蛋白质产物。剪接1转录DNAhnRNAmRNA1mRNA271 Alternative processing of the calcitonin gene transcriptPoly A site4Poly A site61235Primary transcriptCleavage and polyadenylation Thy

25、roid Brain41234 poly A12356poly ASplicingSplicing1234poly A12356 poly ATranslation and posttranslational processingCalcitonin降钙素CGRP降钙素基因相关肽72RNA编辑（RNA editing）遗传信息在RNA水平发生改变，由一个基因产生不止一种蛋白质的加工方式。 核苷酸插入、删除或替换脱氨UC73甲基化作用（Methylation）真核生物mRNA分子中含甲基化核苷酸hnRNA 5端帽子结构非编码区分子含12个m6A甲基化位点需供体SAM和甲基转移酶参与74二 tRN

26、A前体的加工Processing of tRNAs Precursor剪接和剪切3末端添加-CCA碱基修饰75剪切（cleavage）RNase P切除5端多余的核苷酸RNase D切除3端多余的核苷酸剪接（splicing）: 去除内含子序列RNasePRNaseD763末端添加-CCA核苷酸转移酶ATPADP77碱基修饰（1） 甲基化如：A AmG Gm（2） 还原反应如：U DHU（3） 核苷内的转位反应如：U （4） 脱氨反应（1）（2）（1）（3）（4）如：A I78三 rRNA前体的加工Processing of rRNAs PrecursorrRNA基因多拷贝，串联在DNA分子中

27、细菌：5-10 拷贝果蝇：260 拷贝人：1100 拷贝剪接甲基化修饰79原核核糖体RNA的加工(一)Prokaryonic 30S rRNA precursor53P16S Pt P23SP5S Pt RNase 17S t 25S 5S t RNase 16SrRNA ttRNA 23SrRNA 5SrRNA ttRNA80(二) 真核核糖体RNA的加工45S pre-rRNA5S pre-rRNA41S pre-rRNA32S pre-rRNA20S pre-rRNA18S rRNA5.8S28S rRNA5S rRNA81methylation第三节Section3核酶RIBOZYME

28、S核酶ribozyme具有催化活性的RNA核糖核酸酶RNase水解核糖核酸链，化学本质是蛋白质82核酶的发现S. Altman发现RNaseP 中的RNA可催化tRNA的加工 (1983)T.Cech等首先发现四膜虫rRNA前体具有自我剪接作用 (1982)1989年诺贝尔化学奖83核酶类型剪切型催化自身RNA或异体RNA分子剪去一段多核苷酸片段，功能类似于内切核酸酶剪接型切去自身RNA内部一段多核苷酸片段，再将剩余的两个片段连接，功能类似于内切核酸酶与连接酶的联合作用其他类型84555G（鸟苷作为E辅助因子）126S rRNAOH414GOHIGOH3E23G399355L-19 IVS具有催化活性的片段39533四膜虫rRNA 的自我剪接L-19 IVS 核