第31章 RNA的生物合成与加工 扬州大学《生物化学》课件.ppt

1、 DNA复制与转录的比较复制与转录的比较相相同同点点模板模板 两股链均复制两股链均复制 模板链转录模板链转录 合成方式合成方式 半保留复制半保留复制 不对称转录不对称转录 原原 料料 dNTP NTP 聚合酶聚合酶 DNA聚合酶聚合酶 RNA聚合酶聚合酶 碱基配对碱基配对 A-T，G-C A-U，T-A，G-C 产物产物 半保留的双链半保留的双链DNA 单链单链RNA引物引物 需要需要 不需要不需要不不同同点点以以DNA为模板为模板 遵循遵循碱基配对碱基配对原则原则 都需都需依赖依赖DNA的聚合酶的聚合酶 聚合过程都是生成聚合过程都是生成磷酸二酯键磷酸二酯键新链合成方向为新链合成方向为53 复

2、制复制 转录转录几个基本概念几个基本概念模板链：模板链：反意义链反意义链（antisense strandantisense strand，(-)(-)链链） 以该链中的以该链中的DNADNA碱基顺序指导碱基顺序指导RNARNA的合成的合成即被转录的那条即被转录的那条DNADNA链。链。不对称转录不对称转录 .DNA.DNA双链上，仅一股链转录，另一股不转录。双链上，仅一股链转录，另一股不转录。 . .有意义链与反意义链并非固定不变。有意义链与反意义链并非固定不变。 . .转录方向都是转录方向都是5 35 3转录方向转录方向5 3模板链模板链 （一）（一）RNARNA聚合酶聚合酶依赖依赖DNA

3、DNA的的RNARNA聚合酶聚合酶（DNA-dependent RNA polymerase,DDRPDNA-dependent RNA polymerase,DDRP） 转录速度约为转录速度约为5050核苷酸核苷酸/ /秒秒模板识别模板识别双链双链DNA局部解开局部解开转录起始转录起始脱离脱离转录终止转录终止转录延伸转录延伸5 3 NusARNA启动子启动子Promoter 终止子终止子terminator5 RNA聚合酶聚合酶 5 3 5 3 5 5 3 NusA离开离开转录泡转录泡2. 真核细胞真核细胞RNARNA聚合酶聚合酶在在DEAE-SephadexDEAE-Sephadex柱上的

4、洗脱次序称为柱上的洗脱次序称为酶酶、 真核生物真核生物RNARNA聚合酶的转录过程与细菌类似，但是其自身不能聚合酶的转录过程与细菌类似，但是其自身不能识别启动子，需由转录因子识别并与之装配成转录复合物后才识别启动子，需由转录因子识别并与之装配成转录复合物后才开始转录。开始转录。过程：装配、起始、延伸和终止过程：装配、起始、延伸和终止4 4个阶段。个阶段。（二）启动子（二）启动子（promoterpromoter）和）和转录因子转录因子1 1、启动子、启动子 RNARNA聚合酶全酶识别、结合、开始转录的一段聚合酶全酶识别、结合、开始转录的一段DNADNA序列。序列。（双链）（双链）2 2、转录因

5、子、转录因子RNARNA聚合酶起始转录所需要的辅助因子（蛋白质）聚合酶起始转录所需要的辅助因子（蛋白质）足迹法（足迹法（Footprinting）足迹法技术用于测定足迹法技术用于测定与特殊蛋白质与特殊蛋白质结合的核酸顺序结合的核酸顺序。如该技术提供了如该技术提供了RNARNA聚合酶与启动子聚合酶与启动子之间相互作用的信息并确定了作用之间相互作用的信息并确定了作用位点（启动子）的核苷酸顺序。位点（启动子）的核苷酸顺序。通过核酸酶消化分离Pr结合的DNA片段足迹法确定足迹法确定启动子序列启动子序列原核生物的转录起始原核生物的转录起始亚基辨认亚基辨认-35区区RNA pol 全酶移向全酶移向-10区

6、区合成第一个磷酸二酯键合成第一个磷酸二酯键5-pppPypN-OH-3转录起始复合物转录起始复合物RNA pol( ) DNApppPypN-OH亚基脱落亚基脱落（结合松弛）（结合松弛）（结合紧密）（结合紧密）转录起始不需引物！转录起始不需引物！16/50RNA聚合聚合酶保护区酶保护区转录区域终止点终止点10- -10TTGACATATAAT转录开始转录开始+ +1翻译开始翻译开始Purine- -35（Pribnow box）辨认结合区辨认结合区转录起始区转录起始区12/50大肠杆菌启动子共有序列的功能大肠杆菌启动子共有序列的功能 AGTCTTGACA AAT TTAAAT AACTGT A

7、AT Pribnow框框-10-35识别区识别区16-19bp5-9bp起点由含由含 70RNA聚合酶全酶识别的典型大肠杆菌启动子聚合酶全酶识别的典型大肠杆菌启动子促进转录促进转录TTGACATATAAT-35原核生物原核生物RNA聚合酶及其在转录起始区的结合聚合酶及其在转录起始区的结合-109/50 70延长延长- - 转录泡转录泡RNARNA聚合酶（核心酶）聚合酶（核心酶）与与DNADNA模板紧密结合，模板紧密结合，沿沿3 53 5方向移方向移动动解旋作用：解旋作用：DNADNA解开解开聚合功能聚合功能（不具外切酶功能）（不具外切酶功能） 杂交螺旋杂交螺旋 RNA-DNARNA-DNA形成

8、杂交螺旋形成杂交螺旋 转录产物转录产物RNARNA沿沿5 35 3方向延长方向延长4 4、真核生物的起始、真核生物的起始较原核生物复杂较原核生物复杂 顺式作用元件顺式作用元件 ( (启动子启动子/ /增强子增强子) ) 转录因子转录因子(transcription factor,TF)(transcription factor,TF) RNARNA聚合酶聚合酶所需的转录因子所需的转录因子 -转录因子转录因子 （TFTF） 启动子启动子 上游启动子元件上游启动子元件(upstream promotor elements,UPE) 增强子增强子：远离转录起始点（远离转录起始点（130kb） 增强启

9、动子转录活性增强启动子转录活性DNA序列序列 作用与方向、距离无关作用与方向、距离无关 沉默子沉默子：负性调节元件，起阻遏作用负性调节元件，起阻遏作用 与基因表达调控有关的与基因表达调控有关的DNA非编码序列非编码序列顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element)反式作用因子反式作用因子(trans-acting factor) 概念：为概念：为DNA结合蛋白，可使邻近基因结合蛋白，可使邻近基因 开放（开放（正正调控）或关闭（调控）或关闭（负负调控）调控）特点：特点： 三个功能结构域：三个功能结构域：DNA识别结合域识别结合域 转录活性域转录活性域 结合其他蛋白的结合域结合其

10、他蛋白的结合域 能识别并结合顺式作用元件能识别并结合顺式作用元件(cis-acting element) 正调控与负调控正调控与负调控A A 类别类别启动子启动子（有种属特异性）（有种属特异性） 控制控制rRNA前体基因的转录前体基因的转录 近启动子近启动子-40-40+20+20：决定转录起始的精确位置：决定转录起始的精确位置 远启动子远启动子-180-180-107-107：影响转录的频率：影响转录的频率 （核心启动子和上游控制元件）（核心启动子和上游控制元件） 需要两种转录因子的参与需要两种转录因子的参与启动子启动子B B 类别类别启动子启动子 基本启动子（基本启动子（basal pro

11、moter） 起始子（起始子（initiator） 上游元件（上游元件（upstream element） 应答元件（应答元件（response element） 需要多种转录因子的参与需要多种转录因子的参与 TATA框（ 2525至至-30bp-30bp ） 与RNA聚合酶的定位有关 DNA双链解开的部位 辅助因子为通用转录因子通用转录因子 （general transcription factor，GTF）以TFIIX来表示，其中X按先后发现次序用英文命名。基本启动子基本启动子Y为嘧啶碱起始子（起始子（initiator，Inr）RNA聚合酶聚合酶与转录因子的装配与转录因子的装配上游元件上

12、游元件lCAAT框（被框（被CP1CP1、CP2CP2和核因子和核因子NF-1NF-1识别）识别）lGC框（被框（被Sp1Sp1识别）识别）l八聚体框（八聚体框（octamer，被Oct-1和Oct-2识别）与基本启动子及其转录因子共同调节转录。 转录激活因子的诱导调节转录激活因子的诱导调节 磷酸磷酸/去磷酸化（主要是共价修饰）去磷酸化（主要是共价修饰）应答元件应答元件应激或信号转导效应因子应激或信号转导效应因子 类别类别启动子启动子 为为RNARNA聚合酶聚合酶IIIIII所识别所识别 部分是下游启动子部分是下游启动子/ /内部启动子内部启动子 tRNAtRNA 基因：基因内部两个控制元件基

13、因：基因内部两个控制元件（box Abox A、box Bbox B） 5S rRNA5S rRNA基因：基因：+50+50+83+83（3 3个控制元件个控制元件box Abox A、中间元件、中间元件、box B)box B) 需要需要3 3种转录因子的参与种转录因子的参与RNARNA聚合酶聚合酶催化的转录过程催化的转录过程起始起始参与参与RNA-pol 转录的转录的TF转录因子转录因子功功 能能TF A稳定稳定TBP及及TFB与启动子的结合与启动子的结合TF B与与TPB结合引进结合引进pol- TFF复合物复合物TBP辨认辨认TATA盒盒TF HATPase、激酶、解旋酶、激酶、解旋酶

14、TF F解旋酶，与解旋酶，与pol紧密结合紧密结合20/50（三）终止：终止子和终止因子（三）终止：终止子和终止因子 转录至模板某一位置转录至模板某一位置 停止形成磷酸二酯键停止形成磷酸二酯键 RNARNADNADNA杂交链解开杂交链解开 DNADNA解链的部分重新形成双螺旋解链的部分重新形成双螺旋 RNARNA聚合酶离开聚合酶离开DNADNA终止子终止子（terminator）提供转录终止信号的提供转录终止信号的DNA序列序列终止因子（终止因子（termination factor）协助协助RNA Pol识别终止信号的辅助因子识别终止信号的辅助因子抗终止因子（抗终止因子（ antitermi

15、nation factor ）阻碍终止子作用的蛋白阻碍终止子作用的蛋白 造成通读（造成通读（readthrough） 如：噬菌体早、中、晚期基因的时序表达如：噬菌体早、中、晚期基因的时序表达终止信号位于已转录的序列中，所有原核生物的终止子终止信号位于已转录的序列中，所有原核生物的终止子在终止点之前都有一个回文结构。其产生的在终止点之前都有一个回文结构。其产生的RNARNA可形成茎可形成茎环构成的发夹结构。环构成的发夹结构。1 1、转录终止的两种方式（原核）、转录终止的两种方式（原核）旋酶活性旋酶活性Nus A 蛋白置换蛋白置换因子因子并识别终止子结构，并识别终止子结构，N蛋白可抑蛋白可抑制这种

16、识别。制这种识别。N N蛋白具有抗终止作用蛋白具有抗终止作用不依赖于不依赖于的终止子的终止子依赖于依赖于的终止子的终止子（四）（四） 转录的调节控制转录的调节控制遗传信息表达有时间特异性遗传信息表达有时间特异性 (temporal specificity)（时序性）和适应性（时序性）和适应性（adaptive specificity）1. 时序性时序性:某一基因的表达严格按特定的时间顺序发生。2. 适应性：适应性： 适应环境、维持生长和增殖维持个体发育与分化原核生物基因表达的调控(Control of Prokaryotic Gene Exepression ) 转录水平的调控(control

17、 of transcription) 操纵子操纵子(operon) 细菌基因表达和调控的单位 由信息区与调控区调控区组成（正调控与负调控）cAMP能促进许多原核生物的基因表达能促进许多原核生物的基因表达cAMP活化CRP （cAMP receptor protein）改变其构象，提高对启动子亲和力，促进转录CRP是广谱的正调节物正调节物，促进RNA Pol与启动子的结合葡萄糖效应：细菌优先利用葡萄糖， 阻遏利用其它底物的酶类的合成。原因： 葡萄糖的降解物可以抑制AC的活力， 激活磷酸二酯酶 降低cAMP的水平反式作用因子是转录重要的调节方式反式作用因子是转录重要的调节方式 通常含有通常含有3个

18、结构域个结构域 1.DNA结合域结合域(DNA- binding domain)2.转录激活结构域转录激活结构域3.二聚化结构域二聚化结构域蛋白质与蛋白质与DNA结合区域存在一些特殊的基序结构，常结合区域存在一些特殊的基序结构，常见的有：见的有：锌指结构锌指结构(zinc finger motif)螺旋螺旋-转角转角-螺旋螺旋(helix-turn-helix)亮氨酸拉链亮氨酸拉链结构结构 (leucine zipper)螺旋螺旋-环环-螺旋螺旋(helix-loop-helix,HLH)1、螺旋-转角-螺旋Cys2/His2锌指结构锌指结构12AA特异结合位点特异结合位点3、借疏水作用形成的

19、、借疏水作用形成的亮氨酸拉链亮氨酸拉链4、HLH（螺旋（螺旋-环环-螺旋）螺旋）两个两亲性两个两亲性螺旋螺旋 以疏水侧形成二聚体以疏水侧形成二聚体 碱性区结合碱性区结合DNA（bHLH）1、嘌呤和嘧啶类似物嘌呤和嘧啶类似物 核酸代谢的拮抗物： 抑制核酸合成有关的酶酶 掺入核酸分子形成异常核酸异常核酸如：6-巯基嘌呤、硫鸟嘌呤、2.6二氨基嘌呤、 8-氮鸟嘌呤、5-氟尿嘧啶 、6-氮尿嘧啶 进入体内变成相应的核苷酸表现抑制作用（五）（五）RNARNA生物合成的抑制作用生物合成的抑制作用2 2、DNADNA模板功能的抑制物模板功能的抑制物（1 1）放线菌素）放线菌素D（actinomycin D）

20、 与DNA形成非共价复合物 其作用如同阻遏蛋白抑制DNA转录和复制。 色霉素A3、橄榄霉素、光神霉素（2 2）嵌入染料）嵌入染料 使DNA在复制时缺失或增添一个核苷酸， 导致移码突变，并能抑制RNA链的起始。（3 3）烷化剂）烷化剂 使鸟嘌呤烷基化后被水解，有些能使DNA交联。 抑制细菌抑制细菌RNA聚合酶活性聚合酶活性某些常用的转录抑制剂某些常用的转录抑制剂抑制剂抑制剂 靶酶靶酶 抑制作用抑制作用 利福霉素利福霉素 细菌的全酶细菌的全酶 与与亚基结合阻止起始亚基结合阻止起始利链霉素利链霉素 细菌的核心酶细菌的核心酶 与与亚基结合阻止延长亚基结合阻止延长放线菌素放线菌素D 真核真核RNA Po

21、l 与与DNA结合并阻止延长结合并阻止延长-鹅膏蕈碱鹅膏蕈碱 真核真核RNA Pol 与与RNA聚合酶聚合酶结合结合1 1、rRNArRNA的加工的加工RNaseRNaseRNaseE甲基化碱基甲基化碱基甲基化核糖甲基化核糖2 2、tRNAtRNA的加工的加工加工加工3-CCA-OH3-CCA-OH（二）（二）真核生物真核生物RNARNA转录后的加工转录后的加工 1 1、rRNArRNA转录后的加工转录后的加工2 2、tRNAtRNA的加工的加工3 3、真核生物真核生物的的mRNAmRNA转录后加工转录后加工原核与真核生物原核与真核生物mRNAmRNA的区别的区别5 5 pppGp pppGp

22、5 5 GpppGp GpppGppppGpppG ppippi鸟苷酰鸟苷酰转移酶转移酶5 5 m m7 7GpppGpGpppGp甲基转移酶甲基转移酶SAMSAM5 5 ppGp ppGp磷酸酶磷酸酶 Pi Pi以以5- 5三磷酸相连三磷酸相连步骤步骤1步骤步骤2作用位置作用位置200250外显子外显子内含子内含子DNA hnRNA类型类型自我拼接自我拼接主要存在真核细胞器基因，低等真核生物核的rRNA基因，细菌和噬菌体的个别基因类型类型自我拼接自我拼接只见于真菌线粒体基因和植物叶绿体基因。hnRNA的拼接的拼接核内小核内小RNA(snRNA)(100300bp），），U系列的系列的snRN

23、A中尿中尿嘧啶含量高而得名。嘧啶含量高而得名。U1,U2,U4,U5,U6 snRNA 参与参与hnRNA的拼接。的拼接。拼接体拼接体(spliceosome)的形成的形成真核生物编码蛋白质的核基因含有大量的内含子，内含真核生物编码蛋白质的核基因含有大量的内含子，内含子的左端为子的左端为GTGT，右端为，右端为AGAG，称为，称为GT-AGGT-AG规则（规则（GU-AG)GU-AG)。分支点分支点与内含子与内含子5互补互补需要需要U2辅助因子和辅助因子和U1 snRNP片段互补结合成一个核糖核蛋白颗粒片段互补结合成一个核糖核蛋白颗粒供能促使供能促使U4和和 U6分离分离U2和和 U6互补互补

24、U5识别外显子拼接点识别外显子拼接点5羟基羟基tRNA前体的酶促拼接前体的酶促拼接23 环磷酸基环磷酸基环磷酸二酯酶环磷酸二酯酶2磷酸基磷酸基3羟基羟基5羟基羟基5磷酸基磷酸基5- 5反式拼接反式拼接与选择性拼接与选择性拼接降钙素降钙素降钙素基因相关肽降钙素基因相关肽RNARNA编辑编辑（RNA editingRNA editing）介绍介绍（1 1）一种与）一种与RNARNA加帽、加尾、剪接加帽、加尾、剪接不同的不同的RNARNA 加工形式。加工形式。（2 2）转录后改变转录后改变RNARNA的序列的序列（插入或删除碱插入或删除碱 基基），使成熟，使成熟RNARNA的序列与基因组的序列与基因

25、组DNADNA序列不序列不同。同。 （3 3）生物学中心法则的补充，扩大了）生物学中心法则的补充，扩大了mRNA mRNA 遗传信息容量。遗传信息容量。 Several types of mRNA editing involving base substitutions can significantly alter the polypeptide products encoded by the RNA sequences 起始密码起始密码氨基酸的变化氨基酸的变化终止密码终止密码沉默编辑沉默编辑mRNAmRNA编辑的几种类型编辑的几种类型锥虫线粒体锥虫线粒体RNARNA编辑编辑 泛（全）编辑（

26、泛（全）编辑（pan editing）：插入）：插入U锚定顺序锚定顺序核酸内切酶核酸内切酶末端尿苷酸转移酶末端尿苷酸转移酶RNA连接酶连接酶RNA editing in protein-coding regions of mitochondrial transcript from the protozan Trypanosoma brucei四膜虫线粒体四膜虫线粒体COIII基因转录区基因转录区mRNA的泛编辑的泛编辑人载脂蛋白人载脂蛋白mRNA（apolipoprotein B）基）基因编码因编码4563个个AA多肽多肽Apo Bl00 肝细胞中合成后分泌到血液中肝细胞中合成后分泌到血液中

27、编码编码2153个个AA多肽多肽Apo B48 在肠细胞中合成在肠细胞中合成 同源载脂蛋白同源载脂蛋白 是载脂蛋白是载脂蛋白mRNA编辑后编辑后的产物的产物 人类载脂蛋白人类载脂蛋白 B（Apo B） mRNA的编辑的编辑出现一个终止密码出现一个终止密码载载脂脂蛋白蛋白apoapo-B mRNA-B mRNA的修饰的修饰超编辑超编辑： 一种修饰的一种修饰的mRNA加工，涉及靶分子广泛的加工，涉及靶分子广泛的脱氨基，使脱氨基，使RNA的的50%腺嘌呤核苷酸转变为腺嘌呤核苷酸转变为次黄嘌呤，称为次黄嘌呤，称为超编辑超编辑。 双链双链RNA腺嘌呤脱氨酶（腺嘌呤脱氨酶（ dsRADs） mRNA分子中

28、的区段分子中的区段 邻近的内含子顺序邻近的内含子顺序 产生双链构型指定修饰的位点产生双链构型指定修饰的位点 形成特别的配对形成特别的配对 腺嘌呤脱氨基腺嘌呤脱氨基插入编辑（插入编辑（insertionalinsertional editing editing） 在某些病毒在某些病毒RNA及原生生物线粒体及原生生物线粒体mRNA中出现，涉及面不广。例如副粘病毒中出现，涉及面不广。例如副粘病毒P基因在基因在mRNA的特别位置插入鸟苷酸（的特别位置插入鸟苷酸（G）产生至少产生至少2个不同的蛋白质。个不同的蛋白质。 这些插入事件与引导这些插入事件与引导RNA无关无关，它们是，它们是由由RNA多聚酶在合

29、成多聚酶在合成mRNA时加入的。时加入的。多聚腺苷酸化（多聚腺苷酸化（polyadenylationpolyadenylation）编辑）编辑 这类加工事件多见于动物线粒体这类加工事件多见于动物线粒体mRNA。从人线粒体基因组转录的从人线粒体基因组转录的5个个mRNA均以均以U或或UA结尾，而非终止密码结尾，而非终止密码UAA或或UAG。多聚腺。多聚腺苷酸化可将未端的苷酸化可将未端的U或或UA转变为转变为UAAA，产生终止密码，这是脊椎动物线粒体为保持足产生终止密码，这是脊椎动物线粒体为保持足够紧凑的结构而具有的几个特征之一。够紧凑的结构而具有的几个特征之一。 核酶（介绍）核酶（介绍）三、三、

30、 在在RNARNA指导下指导下RNARNA和和DNADNA的合成的合成主要为一些RNA病毒，病毒自身编码依赖RNA的RNA聚合酶。1.1.病毒含有正链病毒含有正链RNARNA，如脊髓灰质炎病毒，如脊髓灰质炎病毒2. 2. 病毒含有负链病毒含有负链RNARNA和复制酶，例如狂犬病毒和和复制酶，例如狂犬病毒和VSVVSV病毒。病毒。3. 3. 病毒含有双链病毒含有双链RNARNA和复制酶，例如呼肠孤病毒和复制酶，例如呼肠孤病毒4.4.致癌致癌RNARNA病毒（逆转录病毒）如肉瘤病毒病毒（逆转录病毒）如肉瘤病毒RNARNA病毒复制的主要方式：病毒复制的主要方式：需要引物需要引物2 2、逆转录病毒（、逆转录病毒（RNARNA病毒）的基因组病毒）的基因组ASVASV（鸡肉瘤病毒）的基因组结构（鸡肉瘤病毒）的基因组结构-RNARNA