1、第十三章第十三章 RNA生物合成和加工生物合成和加工 本章重点讨论本章重点讨论RNA的生物合成，的生物合成， 对对RNA的的合成后加工和合成后加工和RNA的复制的复制作一般介绍。作一般介绍。 思考思考遗传信息传递的遗传信息传递的 中心法则中心法则蛋白质蛋白质翻译翻译转录转录逆转录逆转录复制复制复制复制DNARNA生物的遗传信息以密码的形式储生物的遗传信息以密码的形式储存在存在DNA分子上，表现为特定的核苷分子上，表现为特定的核苷酸排列顺序。在细胞分裂的过程中，酸排列顺序。在细胞分裂的过程中，通过通过DNA复制复制把亲代细胞所含的遗传把亲代细胞所含的遗传信息忠实地传递给两个子代细胞。在信息忠实地
2、传递给两个子代细胞。在子代细胞的生长发育过程中，这些遗子代细胞的生长发育过程中，这些遗传信息通过传信息通过转录转录传递给传递给RNA，再由，再由RNA通过通过翻译翻译转变成相应的蛋白质多转变成相应的蛋白质多肽链上的氨基酸排列顺序，由蛋白质肽链上的氨基酸排列顺序，由蛋白质执行各种各样的生物学功能，使后代执行各种各样的生物学功能，使后代表现出与亲代相似的遗传特征。后来表现出与亲代相似的遗传特征。后来人们又发现，在宿主细胞中一些人们又发现，在宿主细胞中一些RNA病毒能以自己的病毒能以自己的RNA为模板为模板复制复制出新出新的病毒的病毒RNA，还有一些，还有一些RNA病毒能以病毒能以其其RNA为模板合
3、成为模板合成DNA，称为，称为逆转录逆转录这是中心法则的补充。这是中心法则的补充。 中心法则总结了生物体内遗传信息的流动规律，揭示遗传的分子基础，不仅使人中心法则总结了生物体内遗传信息的流动规律，揭示遗传的分子基础，不仅使人们对细胞的生长、发育、遗传、变异等生命现象有了更深刻的认识，而且以这方面们对细胞的生长、发育、遗传、变异等生命现象有了更深刻的认识，而且以这方面的理论和技术为基础发展了基因工程，给人类的生产和生活带来了深刻的革命。的理论和技术为基础发展了基因工程，给人类的生产和生活带来了深刻的革命。一、转录的一、转录的概念概念二、二、RNA聚合酶及催化反应聚合酶及催化反应三、三、RNA合成
4、过程合成过程四、四、启动子和转录因子启动子和转录因子五、五、终止子和终止因子终止子和终止因子转录的概念转录的概念 经转录生成的经转录生成的RNARNA有多种，主要的是有多种，主要的是rRNArRNA，tRNAtRNA，mRNAmRNA，snRNA snRNA 和和 hnRNAhnRNA。转录的特点：转录的特点： 启动子启动子（promoter) 终止子终止子(terminator)模板链（模板链（template strand） 反意义链反意义链(antisense strand)有意义链有意义链(sense strand)非信息区非信息区5 5 3 3 转录的特点：转录的特点： 启动子启动子
5、（promoter) 终止子终止子(terminator)模板链（模板链（template strand） 反意义链反意义链(antisense strand)有意义链有意义链(sense strand)非信息区非信息区5 5 3 3 RNA聚合酶：聚合酶：这是一种不同于引物酶的依赖这是一种不同于引物酶的依赖DNA的的RNA聚聚合酶。该酶在单链合酶。该酶在单链DNA模板以及四种核糖核模板以及四种核糖核苷酸存在的条件下，不需要引物，即可从苷酸存在的条件下，不需要引物，即可从53聚合聚合RNA。RNA聚合酶催化的反应聚合酶催化的反应ACGACGUU模板模板DNA5 3 5 3 新合成新合成RNA
6、原核生物中的原核生物中的RNA聚合酶全酶由五个亚基构成，聚合酶全酶由五个亚基构成，即即2。 亚基与转录起始点的识别亚基与转录起始点的识别有关，而在转录合有关，而在转录合成开始后被释放，余下的部分（成开始后被释放，余下的部分（2）被）被称为称为核心酶，与核心酶，与RNA链的聚合链的聚合有关。有关。 亚亚基基 功功能能 与与模模板板DNA结结合合 起起始始和和催催化化合合成成 识识别别起起始始点点，稳稳定定全全酶酶 转转录录的的特特异异性性 大肠杆菌RNA聚合酶的结构示意图 核心酶核心酶( (2 2 ) )起始因子起始因子 和模板和模板DNADNA结合结合起始和催化聚合反应起始和催化聚合反应？全酶
7、全酶( ( ) ) 真核生物中的真核生物中的RNA聚合酶可按其对聚合酶可按其对-鹅膏蕈碱敏感性而分为三种，它们均由鹅膏蕈碱敏感性而分为三种，它们均由1012个大小不同的亚基所组成，结构个大小不同的亚基所组成，结构非常复杂，其功能也不同。非常复杂，其功能也不同。 种种类类 亚亚细细胞胞定定位位 对对-鹅鹅膏膏蕈蕈碱碱敏敏感感性性 功功能能 RNA pol 核核仁仁 不不敏敏感感 合合成成rRNA前前体体 RNA pol 核核基基质质 极极敏敏感感 合合成成HnRNA RNA pol 核核基基质质 敏敏感感 合合成成tRNA前前体体 snRNA及及5S rRNA 酵母酵母RNA聚合聚合酶酶和和启动
8、子和转录因子启动子和转录因子足迹法确定足迹法确定启动子序列启动子序列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 AAT Pribnow框框-10-35识别区识别区16-19bp5-9bp起点终止子和终止因子终止子和终止因子 1蛋白蛋白：这是一种六聚体的蛋白质，：这是一种六聚体的蛋白质，亚基的分子量为亚基的分子量为50kd。该蛋白因子能识。该蛋白因子能识别终止信号，并能与别终止信号，并能与RNA紧密结合，导紧密结合，导致致RNA的释放。的释放。 2nusA蛋白：为一分子量蛋白：为一分子量69kd的酸性的酸性蛋白，它能与蛋白，
9、它能与RNA及及RNA聚合酶相结合，聚合酶相结合，在终止部位使两者被释放。在终止部位使两者被释放。 大肠杆菌两类终止子的回文结构大肠杆菌两类终止子的回文结构A. 不依赖于不依赖于Rho（ ）的终止子的终止子A. 依赖于依赖于Rho（ ）的终止子的终止子富含富含G-C系列系列U RNA转录合成的基本过程转录合成的基本过程 一、识别一、识别原核生物原核生物RNA聚合酶中的聚合酶中的因子识别转录起始因子识别转录起始点，并促使核心酶结合形成全酶复合物。点，并促使核心酶结合形成全酶复合物。 被辨认的区段就是位于转录起始点被辨认的区段就是位于转录起始点-35-35区的区的TTGACATTGACA序列序列。
10、 酶与该区结合后，即滑动至酶与该区结合后，即滑动至-10-10区的区的TATAATTATAAT序序列列（PribnowPribnow盒）盒） ，并启动转录。，并启动转录。 原核生物中转录起始区的共同序列原核生物中转录起始区的共同序列二、起始二、起始 RNA聚合酶全酶促使局部双链解开，并聚合酶全酶促使局部双链解开，并催化催化ATP或或GTP与另外一个三磷酸核苷与另外一个三磷酸核苷聚合，形成第一个聚合，形成第一个3,5-磷酸二酯键。磷酸二酯键。 三、延长三、延长 因子从全酶上脱离，余下的核心酶继续沿因子从全酶上脱离，余下的核心酶继续沿DNA链移动，按照碱基互补原则，不断聚合链移动，按照碱基互补原则
11、，不断聚合RNA。 四、终止四、终止 RNA转录合成的终止机制有两种：转录合成的终止机制有两种： 1自动终止：自动终止：模板模板DNA链在接近转录链在接近转录终止点处存在相连的富含终止点处存在相连的富含GC和和AT的区的区域，使域，使RNA转录产物形成寡聚转录产物形成寡聚U及发夹及发夹形的二级结构，引起形的二级结构，引起RNA聚合酶变构及聚合酶变构及移动停止，导致移动停止，导致RNA转录的终止。转录的终止。 2依赖辅助因子的终止：依赖辅助因子的终止：由终止因子由终止因子(因子因子)识别特异的终止信号，并促使识别特异的终止信号，并促使RNA的释放。的释放。 RNARNA合成过程合成过程起始起始双
12、链双链DNA局部解开局部解开磷酸二酯磷酸二酯键形成键形成终止阶段终止阶段解链区到达解链区到达基因终点基因终点延长阶段延长阶段5 3 RNA 启动子启动子（promoter) 终止子终止子(terminator)5 RNA聚合酶聚合酶 5 3 5 3 5 5 3 离开离开RNA链的延伸图解链的延伸图解3 5 RNA-DNA杂交螺旋杂交螺旋聚合酶的移动方向聚合酶的移动方向新生新生RNA复链复链解链解链有义链有义链模板链（反义链）模板链（反义链）延长部位延长部位真核生物和原核生物转录的差别真核生物和原核生物转录的差别DNA核核核糖体核糖体新生蛋白质新生蛋白质真核生物真核生物原核生物原核生物mRNA前
13、体前体转运转运加工加工mRNAmRNA 真核生物中转录与复制在不同的区域真核生物中转录与复制在不同的区域 RNA聚合酶不相同聚合酶不相同 启动子不同启动子不同 转录后转录后RNA加工修饰不同加工修饰不同一、一、RNA的的加工加工二、二、 RNARNA的拼接、编辑和再编码的拼接、编辑和再编码三、三、RNARNA生物功能的多样性生物功能的多样性四、四、RNARNA的降解的降解甲基化作用甲基化作用专一核酸外切酶专一核酸外切酶30S前体前体17StRNA25S专一核酸外切酶专一核酸外切酶16S rRNAtRNA23S rRNA5S rRNA专一核酸外切酶专一核酸外切酶四膜虫前四膜虫前rRNA的自身剪接
14、的自身剪接tRNA的转录后加工的转录后加工主要有以下几种加工方式：主要有以下几种加工方式：1.切断。切断。2.剪接。剪接。3.化学修饰。化学修饰。a a、切除、切除tRNAtRNA前体两端多余的序列：前体两端多余的序列： 55端切除几到端切除几到1010个核苷酸。个核苷酸。b、末端添加：、末端添加：3-端添加端添加CCA序列。序列。c、修饰：形成稀、修饰：形成稀有有碱基如碱基如DH2 。RNAasePRNAaseFRNAasePRNAaseFRNAaseDRNAaseDACC表示核酸内切酶的作用表示核酸内切酶的作用 表示核苷酸转移酶的作用表示核苷酸转移酶的作用 表示核酸外切酶的作用表示核酸外切
15、酶的作用 表示异构化酶的作用表示异构化酶的作用 早转录本早转录本成熟成熟tRNA加工加工酵母酪氨酸酵母酪氨酸tRNA前体的加工前体的加工真核细胞真核细胞mRNAmRNA的加工的加工5 “帽子帽子”PolyA 3 顺反子顺反子(cistron ) m7G-5 ppp-N-3 pAAAAAAA-OH 5 5端接上一个端接上一个“帽子帽子”(CAP)(CAP)结构结构 3 3端添加端添加PolyAPolyA“尾巴尾巴”, ,由由RNARNA末端核苷酸转移酶催末端核苷酸转移酶催化化 剪接：剪去内含子剪接：剪去内含子( (intronintron) )，拼接外显子拼接外显子( (extronextron
16、) ) mRNA的转录后加工的转录后加工 1加帽加帽(adding cap)： 即在即在mRNA的的5-端加上端加上m7GTP的结构。的结构。mRNAmRNA在真核生物中的初级产物称为在真核生物中的初级产物称为HnRNAHnRNA。 此过程发生在细胞核内，即此过程发生在细胞核内，即HnRNA即即可进行加帽。可进行加帽。 加工过程首先是在磷酸酶的作用下，将加工过程首先是在磷酸酶的作用下，将5-端的磷酸基水解，然后再加上鸟苷三端的磷酸基水解，然后再加上鸟苷三磷酸，形成磷酸，形成GpppN的结构，再对的结构，再对G进行进行甲基化。甲基化。 2加尾加尾(adding tail)： 这一过程也是细胞核内
17、完成，首先由核这一过程也是细胞核内完成，首先由核酸外切酶切去酸外切酶切去3-端一些过剩的核苷酸，端一些过剩的核苷酸，然后再加入然后再加入polyA。polyA结构与结构与mRNA的半寿期有关。的半寿期有关。 3剪接（剪接（splicing)： 真核生物中的结构基因基本上都是断裂真核生物中的结构基因基本上都是断裂基因。结构基因中能够指导多肽链合成基因。结构基因中能够指导多肽链合成的编码顺序被称为的编码顺序被称为外显子外显子，而不能指导，而不能指导多肽链合成的非编码顺序就被称为多肽链合成的非编码顺序就被称为内含内含子。子。 真核生物真核生物HnRNA的剪接一般需的剪接一般需snRNA参与构成的核蛋
18、白体参加，通过形成套参与构成的核蛋白体参加，通过形成套索状结构而将内含子切除掉。索状结构而将内含子切除掉。 4内部甲基化：内部甲基化： 由甲基化酶催化，对某些碱基进行甲基由甲基化酶催化，对某些碱基进行甲基化处理。化处理。 二、二、RNARNA的拼接、编辑和再编码的拼接、编辑和再编码 大多数的真核基因都是断裂基因，断裂基因的转录产物产大多数的真核基因都是断裂基因，断裂基因的转录产物产物需要通过拼接，去除插入部分（即内含子，物需要通过拼接，去除插入部分（即内含子，intronintron），使编），使编码区（即外含子，码区（即外含子，ExonExon）成为连续序列，这是基因表达的一个）成为连续序列
19、，这是基因表达的一个重要环节。重要环节。RNARNA编码序列的改变称为编辑（编码序列的改变称为编辑（ editingediting），）， RNARNA编码和读码方式的改变称为再编码（编码和读码方式的改变称为再编码（recodingrecoding）。由于存在选）。由于存在选择性的拼接、编辑和再编码，一个基因可以产生多种蛋白质。择性的拼接、编辑和再编码，一个基因可以产生多种蛋白质。1 1、RNARNA的的拼接拼接2 2、RNARNA的的编辑编辑3 3、RNARNA的的再编码再编码RNARNA的拼接方式的拼接方式 类型类型自我拼接自我拼接 类型类型自我拼接自我拼接 核核mRNAmRNA的拼的拼接
20、体的拼接接体的拼接 核核mRNAmRNA的的酶促拼接酶促拼接RNARNA编辑的不同类型和分布编辑的不同类型和分布 编辑类型编辑类型 机制机制 存在存在U U的插入与删除的插入与删除 gRNA gRNA的转酯反应的转酯反应 锥虫线粒体锥虫线粒体mRNAmRNAC C、A A或或U U的插入的插入 多头绒孢菌线粒体的多头绒孢菌线粒体的 mRNAmRNA和和tRNAtRNAG G的插入的插入 RNA RNA聚合酶重复转录聚合酶重复转录 副粘病毒的副粘病毒的P P基因基因C C转变为转变为U U 酶促脱氢酶促脱氢 哺乳类肠的哺乳类肠的apoPtRNAapoPtRNAC C转变为转变为U U或或U U转
21、变为转变为C C 脱氢或氨基化脱氢或氨基化 植物线粒体植物线粒体mRNAmRNA和和tRNAtRNA 牛心线粒体牛心线粒体tRNAtRNAA A转变为转变为I I 脱氨脱氨 脑谷氨酸受体亚基脑谷氨酸受体亚基mRNAmRNARNARNA编辑的生物学意义编辑的生物学意义消除移消除移 码突变等基因突变的危害码突变等基因突变的危害增加了基因产物的多样性增加了基因产物的多样性与生物发育与分化有关，是基因调控的一种重要方式与生物发育与分化有关，是基因调控的一种重要方式RNARNA的再编码的再编码 类型类型自我拼接自我拼接 类型类型自我拼接自我拼接 核核mRNAmRNA的拼的拼接体的拼接接体的拼接 核核mR
22、NAmRNA的的酶促拼接酶促拼接三、三、RNARNA生物功能的多样性生物功能的多样性1 1、RNARNA在遗传信息的翻译中起着决定作用。在遗传信息的翻译中起着决定作用。2 2、RNARNA具有重要的催化功能和其他持家功能。具有重要的催化功能和其他持家功能。3 3、RNARNA转录后加工和修饰依赖于各类小转录后加工和修饰依赖于各类小RNARNA和其他蛋和其他蛋白质复合物。白质复合物。4 4、RNARNA对基因表达和细胞功能具有重要调节作用。对基因表达和细胞功能具有重要调节作用。5 5、RNARNA在生物进化中起重要作用。在生物进化中起重要作用。四、四、RNARNA的降解的降解 RNA RNA降解
23、是涉及到基因表达的一个重要环节，降解是涉及到基因表达的一个重要环节， rRNArRNA和和tRNAtRNA是稳定的是稳定的RNA RNA ，其更新率低；，其更新率低； mRNAmRNA是不稳定的是不稳定的RNARNA，其更新率非常高。因为，其更新率非常高。因为mRNAmRNA于其编码基因的表达于其编码基因的表达活性直接有关，不同的活性直接有关，不同的RNARNA需要以不同的速度进行降解需要以不同的速度进行降解。脊椎动物细胞。脊椎动物细胞mRNAmRNA的平均半衰期约为的平均半衰期约为3h, 3h, 细胞每一细胞每一世代中各类世代中各类mRNAmRNA约周转约周转1010次。细菌次。细菌mRNA
24、mRNA的半衰期大约只的半衰期大约只有有1.5min1.5min，以适应快速生长和对环境作出快速反应的要，以适应快速生长和对环境作出快速反应的要求。求。 所有细胞中都存在各种核糖核酸酶，可以降解所有细胞中都存在各种核糖核酸酶，可以降解RNARNA。真核生物真核生物mRNAmRNA降解的主要途径首先是降解的主要途径首先是poly(A)poly(A)尾巴的缩尾巴的缩短，去腺苷酸化能诱发脱去短，去腺苷酸化能诱发脱去5 5 端帽子结构，然后由端帽子结构，然后由5 5 3 3 方向和方向和3 3 5 5 方向降解方向降解mRNAmRNA。噬菌体噬菌体Q 的合成的合成A. 负链的合成负链的合成B. 正链的
25、合成正链的合成病毒的正链病毒的正链复制中间体复制中间体复制中间体复制中间体新合成的正链新合成的正链新合成的负链新合成的负链负链负链第四节第四节 核酸合成的抑制剂核酸合成的抑制剂 核苷酸合成抑制剂核苷酸合成抑制剂氨基酸类似物氨基酸类似物 叶酸类似物叶酸类似物 碱基和核苷酸类似物碱基和核苷酸类似物烷化剂烷化剂放线菌素放线菌素嵌合剂嵌合剂 与与DNA模板结合的抑制剂模板结合的抑制剂 作用于作用于DNA聚合酶或聚合酶或RNA集合酶的抑制剂集合酶的抑制剂抗菌素抗菌素:如利福平、曲张霉素如利福平、曲张霉素肽类化合物：肽类化合物： -鹅膏蕈碱鹅膏蕈碱DNA和和RNA合成的比较合成的比较问答题问答题 1、比较、比较DNA复制与复制与RNA转录的异同。转录的异同。 2、比较、比较DNA聚合酶与聚合酶与RNA聚合酶催化作用的异同。聚合酶催化作用的异同。3、DNA复制的高度准确性是通过什么来实现的？复制的高度准确性是通过什么来实现的？4、肽链合成后的加工处理主要有哪些方式？、肽链合成后的加工处理主要有哪些方式？5、何谓基因工程？简述其基本理论、基本过程及应用价值、何谓基因工程？简述其基本理论、基本过程及应用价值名词解释名词解释中心法则中心法则 半保留复制半保留复制 转录转录 反转录翻译反转录翻译有意义链反意义链内含子外显子有意义链反意义链内含子外显子冈崎片段冈崎片段 突变突变
