rna生物合成

RNA生物合成（RNABiosynthesis）•转录的特点•真核生物RNA聚合酶及转录因子•转录的转录过程：起始：（启动子），延长，终止•转录后的加工：剪切，填加及修饰•原核生物的转录第一节参加RNA合成的酶类与蛋白因子一．DNA指导的RNA聚合酶（DNAdirectedRNApolymerase，DDRP）是RNA合成中最主要的酶类,RNA聚合酶催化如下反应：•1.双链DNA中的一条链作为RNA合成的模板。•2．四种核糖核苷三磷酸（即ATP、GTP、CTP和UTP）•是该酶的底物。•3．需要二价金属离子，如Mg2+和Mn2+。•n(NTP)pppN(pN)n+(n-1)PPi•DNARNA聚合酶表13-1真核生物RNA聚合酶的种类和性质种类I型（或A）II型（或B）III型（或C）线粒体（Mt型）分子量5.5×1056×1056×1056.4～6.8×104分布核仁核质核质线粒体转录产物5.8S、18S、mRNA前体tRNA前体线粒体RNA28SrRNA前体5SrRNA对利福平不敏感不敏感不敏感敏感•敏感性对鹅膏蕈碱不敏感非常敏感敏感不敏感•的敏感性••二．转录因子•分类•I型转录因子（transcriptionfactorsI，TFl）能够促进RNA聚合酶l转录。•Il型转录因子（TFll）促进RNA聚合酶ll转录.包括TFIIA，B，D，E，F，H等。•III型转录因子（TFIII）促进RNA聚合酶III转录。•真核生物转录过程还需要一些蛋白质因子参与，这些因子能结合到DNA的特殊序列并且与RNA聚合酶结合,促进转录,这些蛋白因子称转录因子（transcriptionfactors)三．终止蛋白终止蛋白能与RNA聚合酶结合，阻止RNA聚合酶越过终止信号而使转录终止。第二节真核生物的转录过程一．转录的特点RNA的合成与DNA的合成有相似之处，其合成的方向均为5’→3’,聚合反应均是通过核苷酸之间形成的3’,5’-磷酸二酯键，使核苷酸链延长，同时释放出焦磷酸。图13-1RNA链中3’,5’-磷酸二酯键的形成OHOHHOHCH2H碱基HOROHOHHOCH2H碱基HOROHOHHOHCH2H碱基HOPOHOHHOHCH2H碱基HOPOHOOPOHOOPOHHOOD　N　A　　模　　板　　链D　N　A　　模　　板　　链PPiHOORNA合成不同于DNA合成之处主要有：1.RNA聚合酶不需要引物。2.RNA聚合酶没有核酸酶的活性，在RNA合成过程不起较对作用。3．转录是不对称的，即仅用DNA双链中某一条链作为模板进行转录。有时是这条链的某区段，有时是另一条链的某区域具有模板作用。通常将模板链称为有意义链，将其互补链称为反意义链或编码链。4．转录后DNA模板成分无改变。5.对于一个基因组来讲，转录只发生在一部分基因，而且每一个基因的转录都受到相对独立的控制。二、真核生物的转录过程（一）转录的基本过程转录过程可分为三个阶段：起始、延长和终止。1．起始阶段（initiation）启动子（promoter）是DNA上的特殊的序列，它包括一些保守顺序，其中最重要的顺序称TATA(box)盒子。图13-2某些真核启动子区TATA保守序列真核生物一些启动子顺序，同源顺序用阴影表示.鸡卵清蛋白GAGGCTATATATTCCCCAGGGCTCAGCCAGTGTCTGTACA晚期腺病毒GGGGCTATAAAAGGGGGTGGGGGCGCGTTCGTCCTCACTC兔　珠蛋白TTGGGCATAAAAGGCAGAGCAGGGCACTGCTGCTAACAC小鼠　珠蛋白GAGCATATAAGGTGAGGTAGGATCAGTTGCTCCTCACATTT图13-3真核启动子区示意图转录起始点以“+1”表示，在其上游的核苷酸序列以“—”表示。启动子区框内表示与转录有关的保守顺序。CAAT盒子GC盒子TATA盒子启动子区结构基因25bp+1转录初级转录物RNA加工m7GpppAAAAn成熟的mRNA2.RNA链的延长（elongation）（A)RNA聚合酶复合物识别DNA模板上的启动子序列，并与其结合。（B）RNA聚合酶在转录因子的辅助下，将双链DNA解开一段，形成转录泡。在聚合酶的作用下以NTP为底物，与模板链的碱基互补开始合成RNA。（C）RNA聚合酶继续合成RNA，以U替代T，A-U、C-G配对。（D）随着RNA链的延长，RNA聚合酶沿着模板链不断滑动，直到遇到终止信号合成则停止。DNA双螺旋重新形成。图13-4RNA链的延长-OH-OH-OHbcda3.RNA合成的终止（termination）RNA生成后，暂时与DNA模板链形成DNA-RNA杂交体（长度约12个碱基对），此杂交体结合不紧密，RNA很容易从模板DNA上脱落。于是，DNA模板链与编码链又重新形成双链。DNA模板上的终止信号是由于DNA特殊的结构而起作用，此处DNA多存在着反向重复顺序。此区域容易形成发夹形结构，有助于转录的终止。5`-----GCCGCCAG-------CTGGCGGC------3`3`-----CGGCGGTC-------GACCGCCG------5`DNA反向重复顺序（二）几种RNA的合成特点1．mRNA的合成BEHAFRNA聚合酶IITATATFIID45bp+1+30bpDNA图13-5mRNA转录前起始复合体RNA聚合酶II与其转录因子组成转录前起始复合物。深色的大圆表示RNA聚合酶II与DNA模板相结合，其它小圆表示各种II型转录因子。按其组成顺序排列为：D、A、B、F、Pol、E、H（Pol代表RNA聚合酶II）。覆盖DNA模板大约70bp.2.rRNA的合成rRNA基因位于染色体的特殊区域称核仁组织者（nucleolarorganizer）。每一个转录单位包括28S，5.8S及18SrRNA。RNA聚合酶I识别位于非转录间隔区上的启动子，其序列大约位于-40到+10和-150到-110。首先TFI结合到启动子上，为此，导致RNA聚合酶I识别启动子。当RNA聚合酶I达到下一个转录单位的启动子时，转录便在非转录间隔区终止。3.5SRNA和tRNA的合成+1+47+47+1+96+96+121+121RNA聚合酶IIITFIIIATFIIIA图13-6RNA聚合酶III与其转录因子转录因子IIIA（TFIIIA）首先与DNA模板的特定部位相结合。然后RNA聚合酶III与该因子结合，并启动转录。图上的数字为聚合酶及转录因子与DNA模板结合的核苷酸的位置。第三节转录后核糖核酸的加工过程几乎所有真核生物RNA转录的初级产物都需经过一系列变化后才能生成具有生物活性的RNA分子。这一系列变化过程称为转录后的RNA加工(RNAprocessing)。加工过程包括核苷酸部分水解、连接反应、末端核苷酸“戴帽”、“接尾”，以及核苷的修饰。一、信使RNA的加工•真核生物mRNA的前体是核不均一RNA（heterogenousnuclearRNA,hnRNA），其核苷酸顺序中约有50～75%不出现在成熟的mRNA中。此部分在转录产物的加工过程中被切除。被切除的部分称为内含子（intron）。内含子是不编码蛋白质的核苷酸序列。末被切除的部分称外显子(exon)，是编码蛋白质的部分。图13-7mRNA的拼接机制一些小核核蛋白（snRNP）与RNA前体形成拼接体（spliceosome）。U1RNA和U2RNA分别为snRNP的组份。U1RNA的核苷酸序列与mRNA前体内含子中的GU顺序（称连接供体位点）相配对。U2RNA识别内含子3`端连接受体位点。拼接体利用ATP做能量，除去内含子。拼接体U1U2PPPG3mPPPG3mUCCAUACAUAAUGAUGUAGRNA5'3'5‘供体连接处3‘受体连接处外显子外显子内含子UACUACAAGGUAUGUNNNNOH2NCH3+OHOHHOHCH2HOPOPOPOPPPN1N2N3OOHOOHOOHOCH3OCH32'OH79H图13-8mRNA5’帽端的结构5‘端第一个核苷酸是7-甲基鸟嘌呤核苷三磷酸,第二个和第三个核苷酸的核糖2’羟基甲基化。mRNA加工:5’端帽子结构DNA转录单位RNA聚合酶IIm7Gpppm7Gpppm7Gpppm7Gpppm7Gppp剪切及加入3’多聚AAAAnAAAnAAAnAAAnCH3CH3甲基化修饰RNA拼接转移到胞浆成熟mRNA细胞核细胞浆外显子1内含子外显子2RNA初级转录物成熟的mRNA图13-9mRNA的加工过程示意图32S20S5.8S18S图13-10rRNA前体的转换二.核糖体RNA的加工45S41S核糖体RNA转录及甲基化前rRNA45S28S5.8S18S35切割前rRNA41S前rRNA32S前rRNA20S切割切割28SrRNA5.8SrRNA18SrRNA图13-11rRNA的加工过程示意图内含子编码区内切核酸酶外切核酸酶PPP53-OH3’RNA酶PDNA内含子初级转录物3端加CCA-OH3P除去内含子（内切酶与连接酶）3P成熟tRNA5转录图13-12tRNA的加工示意图tRNA的初级转录物被RNaseP和3’外切核酸酶切除部分核苷酸。CCA末端是由tRNA核苷酸转移酶催化加入的。内含子被内切酶除去后，经连接酶连接为成熟的tRNA。三.转移RNA的加工一.原核生物RNA聚合酶原核生物RNA聚合酶是多亚基的酶。从大肠杆菌提取的RNA聚合酶有五个亚基组成，分子量为500KD。两个α亚基，一个β亚基，和一个β’亚基组成核心酶（coreenzyme），核心酶（α2ββ’）能进行转录，但是没有RNA合成的特异性。第五个蛋白质亚基称σ因子，这五种亚基构成全酶（holoenzyme）,在体内及体外只有全酶（α2ββ’σ）才能特异的合成RNA。σ因子参与识别特异的启动子。原核生物RNA聚合酶能被利福平（rifampicin）所抑制。利福平与β亚基相结合，从而抑制酶的活性。第四节原核生物的转录编码链AACTGTATATTA模板链TTGACATATAAT3’5’DNA转录起始点Probnow盒子启动子3510+1转录区5’3’RNA图13-13细菌转录的启动子二.原核生物的转录过程图13-13原核生物启动子区同源序列起始位点PPPPPP终止位点RNADNA3535NTPPPPPPP酶酶酶酶酶酶的释放与循环识加起始位点3553与酶结合RNA聚合酶NTPPPPPPP转录开始RNA链延长与RNA结合RNA、及酶的释放PPPPPP图13-14原核RNA的转录过程圆圈表示RNA聚合酶的核心酶部分（α2ββ’）。σ因子参与识别特异的启动子，它与核心酶一起结合到DNA模板的起始位置上。以NTP为原料，全酶催化合成RNA合成。当RNA链延长到大约10核苷酸时，σ因子从全酶上脱离，参与另外一次循环。核心酶沿着DNA模板移动，继续延长RNA链。当RNA聚合酶遇到了终止信号不能再继续前进，便在ρ因子作用下与模板链脱离，RNA合成终止。核心酶参与另外一次循环。图13-15RNA转录的终止(因子不依赖性的)A：DNA模板有特殊的序列，富含GC和AT区，反转重复顺序（阴影所示）。B：RNA转录物可形成茎、环结构。ABRNA聚合酶PPPPPP5蛋白ATPADP＋Pi图13-16转录终止因子的作用ρ因子是由6个亚基组成的蛋白质，它具有ATP酶的活性，能将RNA-DNA杂交双链解开，使RNA脱离模板，从而终止RNA转录。rRNA基因转录和剪刀前rRNA23S23SrRNA前rRNA16S16SrRNA剪刀图13-17原核生物rRNA的加工示意图（四）转录后的加工原核生物转录与翻译过程是偶联的。即mRNA在转录过程中即进行翻译。原核生物mRNA初级转录物没有内含子，故没有剪接过程。核糖体RNA转录时即刻被剪切成23S及16SrRNA（图13-17）。tRNA也进行一些剪接及修饰。三、RNA的复制有些病毒或噬菌体的基因组是由RNA而不是由DNA组成