第二十四章RNA的生物合成

2012年王镜岩版《生物化学》考研参考笔记-1-————安雨（整理）-1-RNA的生物合成RNA的生物合成包括转录和RNA的复制。转录（transcription）：以一段DNA的遗传信息为模板，在RNA聚合酶作用下，合成出对应的RNA的过程，或在DNA指导下合成RNA。转录产物：mRNA、rRNA、tRNA、小RNA除某些病毒基因组RNA外，绝大多数RNA分子都来自DNA转录的产物。转录研究的主要问题①RNA聚合酶②转录过程③转录后加工④转录的调控①~③是基本内容，④是目前研究的焦点，转录调控是基因调控的核心。转录与DNA复制的异同：相同：要有模板，新链延伸方向5’→3’，碱基的加入严格遵循碱基配对原则。相异：①复制需要引物，转录不需引物。②转录时，模板DNA的信息全保留，复制时模板信息是半保留。③转录时，RNA聚合酶只有5’→3’聚合作用，无5’→3’及3’→5’外切活性。转录是基因表达的第一步，也是最关键的一步。基因表达的终产物：①RNA②蛋白质转录过程涉及两个方面①RNA合成的酶学过程②RNA合成的起始信号和终止信号，即DNA分子上的特定序列。DNA正链：与mRNA序列相同的DNA链。负链：与正链互补的DNA链。转录单位的起点核苷酸为+1，起点右边为下游（转录区），转录起点左侧为上游，用负数表示：-1，-2，-3。第一节DNA指导的RNA合成（转录）RNA链的转录，起始于DNA模板的一个特定位点，并在另一位点终止，此转录区域称为一个转录单位。一个转录单位可以是一个基因（真核），也可以是多个基因（原核）。基因的转录是有选择性的，细胞不同生长发育阶段和细胞环境条件的改变，将转录不同的基因。转录的起始由DNA上的启动子区控制，转录的终止由DNA上的终止子控制，转录是通过DNA指导的RNA聚合酶来实现的。一、RNA聚合酶RNA合成的基本特征①底物：NTP（ATP、GTP、CTP、UTP）②RNA链生长方向：5’→3’2012年王镜岩版《生物化学》考研参考笔记-2-————安雨（整理）-2-③不需引物④需DNA模板反应：1、E.coliRNA聚合酶（原核）E.coli和其它原核细胞一样，只有一种RNA聚合酶，合成各种RNA（mRNA、tRNA、rRNA）。一个E.coli细胞中约有7000个RNA聚合酶分子，在任一时刻，大部分聚合酶（5000左右）正在参与RNA的合成，具体数量依生长条件而定。E.coliRNA聚合酶全酶|（holoenzyme）分子量46万Da，由六个亚基组成，α2ββ’σω，另有两个Zn2+。无σ亚基的酶叫核心酶，核心酶只能使已开始合成的RNA链延长，而不具备起始合成活性，加入σ亚基后，全酶才具有起始合成RNA的能力，因此，σ亚基称为起始因子。E.coliRNA聚合酶各亚基的大小与功能：亚基亚基数分子量（KD）基因功能β’1160rpoC与模板DNA结合β1150rpoB与核苷酸结合，起始和催化部位。σ170rpoD起始识别因子α237rpoA与DNA上启动子结合ω19----不详不同的细菌，β’、β、α亚基分子量变化不大，σ亚基分子量变化较大，44KD~92KD。σ亚基的功能：核心酶在DNA上滑动，σ亚基能增加酶与DNA启动子的结合常数，增加停留时间，使聚合酶迅速找到启动子并与之结合，σ亚基本身无催化活性。不同的σ因子识别不同的启动子，从而表达不同的基因。不同的原核生物，都具有相同的核心酶，但σ亚基有所差别，这决定了原核基因表达的选择性。RNA聚合酶的催化活性：RNA聚合酶以完整的双链DNA为模板，转录时DNA的双链结构部分解开，转录后DNA仍然保持双链的结构。P360图20-1RNA聚合酶的活性中心核心酶覆盖60bp的DNA区域，其中解链部分17bp左右，RNA-DNA杂合链约12bp。纯的RNA聚合酶，在离体条件下可转录双链DNA，但在体内，DNA的两条链中只有一条可用于转录，这可能是由于RNA聚合酶在分离时丢失了σ亚基引起的。解旋和重新螺旋化也是RNA聚合酶的内在特性，在酶的前端解螺旋，在后端以相反方向重PPinnnnRNAMgDNARNAUTPnCTPnGTPnATPn)4321(/24321模板、聚合酶2012年王镜岩版《生物化学》考研参考笔记-3-————安雨（整理）-3-新螺旋化，活体状况中，可能还有其它酶活性来帮助调整DNA的拓扑学性质。37℃时，RNA聚合酶的聚合速度可达40~100个核苷酸/秒2、真核生物RNA聚合酶真核生物的转录机制要复杂得多，有三种细胞核内的RNA聚合酶：RNA聚合酶I转录rRNA，RNA聚合酶II转录mRNA，RNA聚合酶III转录tRNA和其它小分子RNA。这三种RNA聚合酶分子量都在50万左右，亚基数分别为6-15。P362表20-3真核生物RNA聚合酶的分类、分布及各自的功能动物、植物、昆虫等不同来源的细胞，RNApolⅡ的活性都可被低浓度的α-鹅膏蕈碱抑制，而RNApolⅠ不受抑制。动物RNApolⅢ受高浓度的α-鹅膏蕈碱抑制，而酵母、昆虫的RNApolⅢ不受抑制。除了细胞核RNA聚合酶外，还分离到线粒体和叶绿体RNA聚合酶，它们的结构简单，能转录所有种类的RNA，类似于细菌RNA聚合酶。3、噬菌体T3和T7编码的RNA聚合酶仅为一条分子量11KD的多肽链，这些聚合酶只需要识别噬菌体DNA的少数启动子，并无选择地与其作用，37℃时的聚合速度200nt/秒。二、RNA聚合酶催化的转录过程（E.coli）P361图20-21、起始RNA聚合酶结合到DNA双链的特定部位，局部解开双螺旋，第一个核苷酸掺入转录起始位点，从此开始RNA链的延伸。在新合成的RNA链的5’末端，通常为带有三个磷酸基团的鸟苷或腺苷（pppG或pppA），即合成的第一个底物是GTP或ATP。起始过程中，σ因子起关键作用，它能使聚合酶迅速地与DNA的启动子结合，σ亚基与β’结合时，β’亚基的构象有利于核心酶与启动子紧密结合，。正链：与mRNA序列相同的两、链。负链：模板链。转录起点是+1，上游是-1。2012年王镜岩版《生物化学》考研参考笔记-4-————安雨（整理）-4-2、延长转录起始后，σ亚基释放，离开核心酶，使核心酶的β’亚基构象变化，与DNA模板亲和力下降，在DNA上移动速度加快，使RNA链不断延长。转录起始后，σ亚基便从全酶中解离出来，然后nusA亚基结合到核心酶上，由nusA亚基识别序列序列。3、终止RNA聚合酶到达转录终止点时，在终止辅助因子的帮助下，聚合反应停止，RNA链和聚合酶脱离DNA模板链，nusA又被σ亚基所取代。。由此形成RNA聚合酶起始复合物与终止复合物两种形式的循环。三、启动子和转录因子启动子：RNA聚合酶识别、结合并开始转录所必需的一段DNA序列。转录因子：RNA聚合酶在进行转录时，常需要一些辅助因子（蛋白质）参与作用，此类蛋白质统称为转录因子。足迹法和DNA测序法确定启动子的序列结构。P363（一）原核启动子结构与功能分析比较上百种启动子序列，发现不同的启动子都存在保守的共同序列，包括RNA聚合酶识别位点和结合位点。（1）、-10序列（Pribnow框）在转录起点上游大约-10处，有一个6bp的保守序列TATAAT，称Pribnow框。此段序列出现在-4到-13bp之间，每个位点的保守性在45%-100%。频度：T89A89T50A65A65T100据预测，Pribnow框中，一开始的TA和第6位最保守的T在结合RNA聚合酶时起十分重要的作用。目前认为，Pribnow框决定转录方向。酶在此部位与DNA结合形成稳定的复合物，Pribnow框中DNA序列在转录方向上解开，形成开放型起始结构，它是RNA聚合酶牢固的结合位点，是启动子的关键部位。RNA聚合酶的结合，诱导富含AT的Pribnow框的双链解开，然后进一步扩大成17个核苷酸长度的泡状物，在泡状物中RNA聚合酶从模板链开始转录RNA产物。2012年王镜岩版《生物化学》考研参考笔记-5-————安雨（整理）-5-（2）、-35序列（Sexfamabox）（识别区域）只含-10序列的DNA不能转录，在-10序列上游还有一个保守序列，其中心约在-35位置，称为-35序列，此序列为RNA酶的识别区域。各碱基出现频率如下：T85T83G81A61C69A52，其中TTG十分保守。-35序列的功能：它是原核RNA聚合酶全酶依靠σ因子的初始识别位点。因此，-35序列对RNA聚合酶全酶有很高的亲和性。-35序列的核苷酸结构，在很大程度上决定了启动子的强度，RNA聚合酶易识别强的启动子。-35序列提供RNA聚合酶识别信号，-10序列有助于DNA局部双链解开，启动子结构的不对称性决定了转录的方向。P364图20-4原核型启动子的结构（二）真核启动子真核基因的转录十分复杂，对启动子的分析要比原核基因的困难得多。真核生物有三种RNA聚合酶：RNA聚合酶I、II、III，分别转录rRNA、mRNA、tRNA和小分子RNA，这三类聚合酶的启动子各有其结构特点。1、RNA聚合酶Ⅱ的启动子RNA聚合酶Ⅱ的启动子有三个保守区：（3）、TATA框（Hogness框）中心在-25至-30，长度7bp左右。碱基频率：T82A97A85A63（T37）A83A50（T37）（全为A-T，少数含有一个G-C对）。此序列功能：使DNA双链解开，并决定转录的起点位置，失去TATA框，转录将可能在许多位点上开始。TATA框的改变或缺失，直接影响DNA与酶的结合程度，会使转录起始点偏移，因此，TATA是绝大多数真核基因正确表达所必需的。由于RNA聚合酶分子有相对固定的空间结构，同此框的结合位点和转录反应催化位点的距离，决定了起始位点的正确选择。启动子特定序列和酶的正确结构，这两者把酶置于一种正确的构象中，决定了识别的正确性和转录起始的正确性。（4）、CAAT框中心在-75处，9bp，共有序列GGT（G）CAATCT功能：与RNA聚合酶结合。2012年王镜岩版《生物化学》考研参考笔记-6-————安雨（整理）-6-（5）、GC框在CAAT框上游，序列GGGCGG，与某些转录因子结合。CAAT和GC框均为上游序列，对转录的起始频率有较大影响。2、RNApolⅢ的启动子RNApolⅢ的启动子在转录区内部。P365图20-5由RNA聚合酶III转录的三个基因的启动子四、终止子和终止因子终止子：提供转录终止信号的一段DNA序列。终止因子：协助RNA聚合酶识别终止子的蛋白质辅助因子。有些终止子的作用可被特异的因子所阻止，使酶越过终止子继续转录，称为通读，这类引起抗终止作用的蛋白质称为抗终止因子。终止子位于已转录的序列中，DNA的终止子可被RNA聚合酶本身或其辅助因子识别。P366图20-61、大肠杆菌中的两类终止子P366图20-6所有原核生物的终止子在终止点之前都有一个回文结构，它转录出来的RNA可以形成一个颈环式的发荚结构。（6）、不依赖于ρ的终止子（简单终止子）简单终止子除具有发夹结构外，在终止点前有一寡聚U序列，回文对称区通常有一段富含GC的序列。寡聚U序列可能提供信号使RNA聚合酶脱离模板。（7）、依赖ρ的终止子依赖ρ的终止子，必需在ρ因子存在时，才发生终止作用。终止点前无寡聚U序列，回文对称区不富含GC。ρ因子是55KD的蛋白质，可水解三磷酸核苷。2、抗终止作用通读往往发生在强启动子、弱终止子的基因上。2012年王镜岩版《生物化学》考研参考笔记-7-————安雨（整理）-7-抗终止作用常见于某些噬菌体的时序控制。早期基因于后基因之间以终止子相隔开，通过抗终止作用可以打开后基因的表达。λ噬菌体前早期（immediateearly）基因的产物N蛋白就是一种抗终止因子。它与RNA聚合酶作用使其在左右两个终止子处发生通读，从而表达晚早期（delayedearly）基因。晚早期基因的产物Q蛋白也是一种抗终止因子，它能使晚早期基因得以表达。五、转录过程的调节控制参阅P367转录过程的调节控制、P450基因表达