1、RNA的生物合成的生物合成RNA Biosynthesis第十三章第十三章 ：生物体以生物体以DNA为为模板合成模板合成RNA的过程的过程 。 转转录录RNADNA uRNA的生物合成：转录、的生物合成：转录、RNA复制复制复制和转录的区别复制和转录的区别 A-U，T-A，G-CA-T，G-C配对配对mRNA，tRNA，rRNA子代双链子代双链DNA（半保留复制）半保留复制）产物产物RNA聚合酶（聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶聚合酶酶酶NTPdNTP原料原料模板链转录（不对称转录）模板链转录（不对称转录）两股链均复制两股链均复制模板模板转录转录复制复制A-U，T-A，G-CA-T，G-C
2、配对配对mRNA，tRNA，rRNA子代双链子代双链DNA（半保留复制）半保留复制）产物产物RNA聚合酶（聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶聚合酶酶酶NTPdNTP原料原料模板链转录（不对称转录）模板链转录（不对称转录）两股链均复制两股链均复制模板模板转录转录复制复制参与转录的物质参与转录的物质 NTP (ATP, UTP, GTP, CTP) DNA RNA聚合酶聚合酶(RNA polymerase, RNA-pol)一、转录模板一、转录模板 DNA分子上转录出分子上转录出RNA的区段，称为的区段，称为。 DNA双链中按碱基配对规律能指引转录生成双链中按碱基配对规律能指引转录生成RNA的一
3、股单链，称为的一股单链，称为模板链模板链(template strand)，也称作，也称作有意义链有意义链或或Watson链链。相对的。相对的另一股单链是另一股单链是编码链编码链(coding strand)，也称为，也称为反义链反义链或或Crick链链。 5GCAGTACATGTC 33 c g t g a t g t a c a g 55GCAGUACAUGUC 3NAla Val His Val C编码链编码链模板链模板链mRNA蛋白质蛋白质转录转录翻译翻译5 5 3 3 3 3 5 5 模板链模板链编码链编码链编码链编码链模板链模板链结构基因结构基因转录方向转录方向转录方向转录方向在在
4、DNA分子双链上某一区段，一股链用作分子双链上某一区段，一股链用作模板指引转录，另一股链不转录模板指引转录，另一股链不转录 ；模板链并非永远在同一条单链上。模板链并非永远在同一条单链上。二、二、RNA聚合酶聚合酶 36512 决定哪些基因被转录决定哪些基因被转录 150618 催化功能催化功能 155613 结合结合DNA模板模板 70263 辨认起始点辨认起始点亚亚 基基分分 子子 量量功功 能能核心酶核心酶 (core enzyme)全酶全酶 (holoenzyme) RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合聚合酶全酶在转录起始区的结合 种类种类对鹅膏蕈碱对鹅膏蕈碱的反应的反应45S-rRNAh
5、nRNA5S-rRNAtRNAsnRNA耐受耐受极敏感极敏感中度敏感中度敏感转录产物转录产物三、模板上酶的辨认、结合三、模板上酶的辨认、结合原核生物一个转录区段可视为一个转录单原核生物一个转录区段可视为一个转录单位，称为位，称为操纵子操纵子(operon)，包括若干个包括若干个结构基因结构基因及其上游及其上游(upstream)的的调控序列调控序列。 5 3 3 5 结构基因结构基因调控序列调控序列RNA-polRNA聚合酶结合模板聚合酶结合模板DNA的部位，称为的部位，称为启启动子动子(promoter)。RNA聚合聚合酶保护法酶保护法开始转录开始转录T T G A C AA A C T G
6、 T-35 区区(Pribnow box)T A T A A T Pu A T A T T A Py-10 区区1-30-5010-10-40-205 3 3 5 原核生物启动子保守序列原核生物启动子保守序列RNA-pol辨认位点辨认位点(recognition site) 5 5 RNA聚合酶保护区聚合酶保护区结构基因结构基因3 3 TATA盒盒 CAAT盒盒 GC盒盒 增强子增强子 顺式作用元件顺式作用元件 结构基因结构基因-GCGC-CAAT-TATA转录起始转录起始真核生物启动子保守序列真核生物启动子保守序列u转录体系：模板（转录体系：模板（DNA）、原料（）、原料（4种种NTP）、）
7、、RNA聚合酶及其他蛋白因子聚合酶及其他蛋白因子1、转录模板、转录模板 不对称转录：基因不对称转录：基因DNA双链中只有其中之一双链中只有其中之一可作为转录模板，称为模板链可作为转录模板，称为模板链编码链（编码链（Crick链）：非模板链，其序列与链）：非模板链，其序列与mRNA类似（只有类似（只有T与与U的差别）。编码链又称为的差别）。编码链又称为有义链有义链反编码链（反编码链（Watson链）：指导合成与其互补的链）：指导合成与其互补的RNA，又称模板链或反义链，又称模板链或反义链小 结RNA聚合酶全酶聚合酶全酶起始因子：起始因子：核心酶：核心酶：22、RNA聚合酶聚合酶(RNApol或或
8、DDRP)：识别起始部位、：识别起始部位、解链、聚合、识别终止部位解链、聚合、识别终止部位2.1原核生物原核生物RNA聚合酶：聚合酶：2 2.2真核生物的真核生物的RNA聚合酶：聚合酶：、，等，等转录转录rRNA（5.8S、18S、28SrRNA）转录转录mRNA前体，等前体，等转录小分子转录小分子RNA（tRNA、5SrRNA等）等） 一、转录起始一、转录起始转录起始需解决两个问题：转录起始需解决两个问题：1. RNA聚合酶必须准确地结合在转录模板的聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域。起始区域。2. DNA双链解开，使其中的一条链作为转录双链解开，使其中的一条链作为转录的模板。的模板。
9、2. DNA双链解开双链解开1. RNA聚合酶全酶聚合酶全酶( 2)与模板结合与模板结合 3. 在在RNA聚合酶作用下发生第一次聚合反应，聚合酶作用下发生第一次聚合反应，形成转录起始复合物形成转录起始复合物RNApol ( 2) - DNA - pppGpN- OH 3 5 -pppG -OH + NTP 5 -pppGpN - OH 3 + ppi1. 亚基脱落，亚基脱落，RNApol聚合酶核心酶变构，聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，沿着与模板结合松弛，沿着DNA模板前移；模板前移； 2. 在在核心酶核心酶作用下，作用下，NTP不断聚合，不断聚合，RNA链链不断延长。不断延长。(NMP)
10、n + NTP (NMP) n+1 + PPi转录空泡转录空泡(transcription bubble)：RNA-pol （核心酶）（核心酶） DNA RNA5 3 DNA原核生物转录过程中的羽毛状现象原核生物转录过程中的羽毛状现象核糖体核糖体RNARNA聚合酶聚合酶w依赖依赖Rho ()因子的转录终止因子的转录终止w非依赖非依赖Rho因子的转录终止因子的转录终止指指RNA聚合酶在聚合酶在DNA模板上停顿下来不模板上停顿下来不再前进，转录产物再前进，转录产物RNA链从转录复合物上脱链从转录复合物上脱落下来。落下来。 A T PDNA模板上靠近终止处，有些特殊的碱模板上靠近终止处，有些特殊的碱
11、基序列，转录出基序列，转录出RNA后，后，RNA产物形成特殊产物形成特殊的结构来终止转录。的结构来终止转录。5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3 5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3 RNA 5 TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT. 3 DNA UUUU. UUUU.5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAG
12、UCACCAGCCUUUUU. 3茎环茎环(stem-loop)/发夹发夹(hairpin)结构结构 使使RNA聚合酶变构，转录停顿；聚合酶变构，转录停顿； 使转录复合物趋于解离，使转录复合物趋于解离，RNA产物释放。产物释放。5 pppG5 3 3 5 RNA-pol小小 结结二、转录过程二、转录过程1、起始：、起始：RNA聚合酶的聚合酶的因子（原核）因子（原核）启动子：启动子：RNA聚合酶识别、结合、起始转录的聚合酶识别、结合、起始转录的特异特异DNA序列，如序列，如TATA盒盒真核生物为单顺反子，原核生物为多顺反子转真核生物为单顺反子，原核生物为多顺反子转录录2、链延长：核心酶、链延长：
13、核心酶链延长方向：链延长方向：5端端3端端3、终止：、终止：因子因子终止信号（终止子）：回文结构的终止信号（终止子）：回文结构的GC富集区富集区AT富集区富集区Post-transcriptional Modification几种主要的修饰方式几种主要的修饰方式1. 剪接剪接(splicing)2. 剪切剪切(cleavage)3. 修饰修饰(modification)4. 添加添加(addition)一、真核生物一、真核生物mRNA的转录后加工的转录后加工1 1、首尾的修饰、首尾的修饰 5 端形成端形成 帽子结构帽子结构(m7GpppGp ) 3 端加上端加上多聚腺苷酸尾巴多聚腺苷酸尾巴(p
14、oly A tail)帽子结构帽子结构5 pppGp5 GpppGppppG ppi鸟苷酸鸟苷酸转移酶转移酶5 m7GpppGp甲基转移酶甲基转移酶SAM帽帽子子结结构构的的生生成成5 ppGp磷酸酶磷酸酶 Pi2 2、mRNA的剪接的剪接（1）hnRNA和和snRNA 核内的初级核内的初级mRNA称为称为杂化核杂化核RNA (hetero-nuclear RNA, hnRNA) snRNA (small nuclear RNA)核内的蛋白质核内的蛋白质小分子核糖核酸蛋白体小分子核糖核酸蛋白体（并接体（并接体, , splicesome）snRNA真核生物结构基因，由若干个编码区和非真核生物结
15、构基因，由若干个编码区和非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。 断裂基因断裂基因(splite gene)CABD编码区编码区 A、B、C、D非编码区非编码区（2）外显子）外显子(exon)和内含子和内含子(intron) 外显子外显子在断裂基因及其初级转录产物上出现，在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟并表达为成熟RNA的核酸序列。的核酸序列。 内含子内含子隔断基因的线性表达而在剪接过程中
16、被隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列。除去的核酸序列。 鸡卵清蛋白鸡卵清蛋白基因基因hnRNA首、尾修饰首、尾修饰hnRNA剪接剪接成熟的成熟的mRNA鸡鸡卵卵清清蛋蛋白白基基因因及及其其转转录、录、转转录录后后修修饰饰鸡卵清蛋白成熟鸡卵清蛋白成熟mRNA与与DNA杂交电镜图杂交电镜图DNAmRNA（3）mRNA的剪接的剪接 除去除去hnRNA中的内含子，将外显子连接。中的内含子，将外显子连接。snRNP与与hnRNA结合成为并接体结合成为并接体UACUACA - AGUGU4U5U6E1E2U1U2UACUACA - AGUGU6E1E2U1、U4、U5 RNA编辑作用说明，基
17、因的编码序列经过转录编辑作用说明，基因的编码序列经过转录后加工，是可有多用途分化的，因此也称为分后加工，是可有多用途分化的，因此也称为分化加工化加工(differential RNA processing)。（4）mRNA的编辑的编辑(mRNA editing) 人类人类apo B基因基因 mRNA（14500个核苷酸）个核苷酸）肝脏肝脏apo B100（分子量为（分子量为500 000）肠道细胞肠道细胞apo B48（分子量为（分子量为240 000）mRNA编辑编辑1、“戴帽戴帽”：5 端添加端添加mGpppNm结构结构2、剪接：去除、剪接：去除“内含子内含子”、连接、连接“外显子外显子”
18、内含子内含子(intron)：DNA分子中的非编码序列，通分子中的非编码序列，通常只被转录但不被翻译。常只被转录但不被翻译。外显子（外显子（exon）：）：DNA分子中的编码序列，通分子中的编码序列，通常既被转录也被翻译常既被转录也被翻译 3、化学修饰：甲基化、化学修饰：甲基化4、“加尾加尾”：3端添加端添加poly A结构结构加尾信号：加尾信号：AAUAA5、RNA编辑编辑 小小 结结二、二、tRNA的转录后加工的转录后加工tRNA前体前体RNA pol TGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNARNAaseP、内切酶内切酶tRNA核苷酸转移酶、核苷酸转移酶、连接酶连接酶ATPADP
19、碱基修饰碱基修饰（2）还原反应）还原反应 如：如：U DHU （3）核苷内的转位反应）核苷内的转位反应 如：如：U （4）脱氨反应）脱氨反应 如：如：A I 如：如：A Am（1）甲基化）甲基化（1 1）（1 1）（3 3）（2 2）（4 4）1、切除、切除5末端多余的核苷酸末端多余的核苷酸2、去除、去除3末端多余的核苷酸末端多余的核苷酸3、剪接去除内含子、剪接去除内含子4、3末端加末端加-CCA5、碱基的修饰：甲基化、脱氨基、还原，等、碱基的修饰：甲基化、脱氨基、还原，等小小 结结三、三、rRNA的转录后加工的转录后加工转录转录45S - rRNA剪接剪接18S - rRNA5.8S和和28S-rRNArDNA内含子内含子内含子内含子28S5.8S18S分割多顺反子、剪切冗余、碱基修饰分割多顺反子、剪切冗余、碱基修饰 小小 结结
