5生物合成调节机理-1转录

酶学彭益强Enzymology国立华侨大学生物工程与技术系第五章酶的生物合成及调节机理主要是RNA和蛋白质的生物合成过程。中心法则:DNARNA蛋白质转录翻译遗传信息传递的中心法则蛋白质翻译转录逆转录复制复制DNARNA生物的遗传信息以密码的形式储存在DNA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，通过DNA复制把亲代细胞所含的遗传信息忠实地传递给两个子代细胞。在子代细胞的生长发育过程中，这些遗传信息通过转录传递给RNA，再由RNA通过翻译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。后来人们又发现，在宿主细胞中一些RNA病毒能以自己的RNA为模板复制出新的病毒RNA，还有一些RNA病毒能以其RNA为模板合成DNA，称为逆转录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。第一节RNA的生物合成—转录RNA生物学主要功能：（1）某些RNA病毒中双链RNA是遗传信息载体；（2）蛋白质生物合成中各种RNA起重要作用；（3）作为核酸类酶起催化作用。转录：以DNA为模板，以核苷三磷酸为底物，在RNA聚合酶的作用下，生成RNA的过程。分起始、延伸、终止，最后加工。转录的概念和DNA的有义链和反义链转录是在DNA的指导下的RNA聚合酶的催化下，按照硷基配对的原则，以四种核苷酸为原料合成一条与模板DNA互补的RNA的过程。RNA的转录从DNA模板的特定位点开始，并在一定的位点终止。此转录区域为一个转录单位。启动子（promoter)终止子(terminator)模板链（templattestrand）反意义链(antisensestrand)有意义链(sensestrand)非信息区DNA5´5´3´3´包括3个步骤：转录的起始、RNA链的延伸和RNA链的合成与终止；以DNA为模板，核苷三磷酸为底物过程：定位－解开－结合－移动－脱离－缠绕RNA的生物合成—转录RNA合成过程起始双链DNA局部解开磷酸二酯键形成终止阶段解链区到达基因终点延长阶段53RNA启动子（promoter)终止子(terminator)5RNA聚合酶5353553离开一、依赖DNA的RNA聚合酶以DNA为模板的RNA聚合酶，又称转录酶；1960，Harowitz,S.Weiss发现；真核生物RNA有3种，分为RNA聚合酶I,II,III,也是聚酶，表5-1RNA聚合酶催化的反应ACGACGUU模板DNA5´3´5´3´新合成RNA大肠杆菌RNA聚合酶的结构示意图核心酶(α2ββ)起始因子β——和模板DNA结合β——起始和催化聚合反应α——？全酶(αββ)二、转录起始RNA合成起始点在DNA启动基因（启动子）上，启动子(promoter)是指RNA聚合酶识别、结合和开始转录的一段DNA序列。б因子识别启动基因，又称起动因子/转录因子，RNA聚合酶起始转录需要的辅助因子（蛋白质）称为转录因子(transcriptionalfactor)。全酶的作用；起始阶段重要问题：RNA聚合酶与DNA启动基因的相互作用；转录起点：合成RNA第一个核苷酸对应的DNA模板上的位点；采用数字表示所描述碱基对位置。转录起始阶段主要过程（1）全酶形成；（2）酶与模板结合；（3）酶与启动基因结合；（4）模板DNA局部变性；（5）转录开始，б因子释放。三、RNA链延伸由起始到延伸，酶由全酶变为核心酶；酶分子上的β，β’亚基也发生变化，与DNA结合不专一了，使酶可沿模板DNA移动。DNA构象也发生变化：双链逐渐解旋，按模板碱基顺序逐个加入互补核苷三磷酸，同时放出焦磷酸；生成的多聚核苷酸链与模板分开，DNA解链又重新缠绕成双螺旋；RNA链沿5’至3’进行，50个核苷酸/s；RNA聚合酶无校对功能，差错率10-4~10-5RNA链的延伸图解3´5´RNA-DNA杂交螺旋聚合酶的移动方向新生RNA复链解链有义链模板链（反义链）延长部位四、RNA链合成终止模板上含有一个终止信号—终止子或终止基因；还需终止因子—ρ因子；提供转录停止信号的DNA序列称为终止子(termter);协助RNA聚合酶识别终止信号的辅助因子（蛋白质）则称为终止因子(terminationfactor)。作用机制，图5-4有的终止信号的作用可被特异的因子所阻止，使RNA聚合酶得以越过终止子继续转录，这称为通读(readthrough)，这类引起抗终止作用的蛋白质称为抗终止因子(antitermination)。大肠杆菌两类终止子的回文结构A.不依赖于Rho（）的终止子A.依赖于Rho（）的终止子富含G-C系列U五、RNA前体加工必要性：非成熟RNA分子；包括一系列酶催化反应：（1）剪切反应：（2）剪接反应：（3）末端连接反应：（4）核苷酸修饰反应。（一）剪切反应从RNA前体末端切去一定大小RNA片段得到成熟RNA分子；有关酶较多；（二）剪接反应将RNA前体中间隔序列除去并把两端外显子连接起来形成成熟RNA分子的过程；真核生物的tRNA,mRNArRNA往往如此；作用酶：自我剪接酶；内切核酸酶和RNA连接酶；（三）末端连接反应指在RNA分子3’-末端或5’-末端连接上特定核苷酸形成成熟RNA分子；反应有：1，tRNA3’-末端加上CCA-OH；2，mRNA5’-末端加上“帽子”结构；3，mRNA3’-末端加上polyA尾；4，tRNA5’-末端加上甲基鸟苷酸例1-原核生物中rRNA前体的加工甲基化作用专一核酸外切酶30S前体17StRNA25S专一核酸外切酶16SrRNAtRNA23SrRNA5SrRNA专一核酸外切酶例2-tRNA前体分子的加工a、切除tRNA前体两端多余的序列：5’—端切除几到10个核苷酸。b、末端添加：3’-端添加CCA序列。c、修饰：形成稀有碱基如DH2。RNAasePRNAaseFRNAasePRNAaseFRNAaseDRNAaseDACC表示核酸内切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异构化酶的作用早转录本成熟tRNA加工酵母酪氨酸tRNA前体的加工例3-真核细胞mRNA的加工5´“帽子”PolyA3´顺反子(cistron)m7G-5´ppp-N-3´pAAAAAAA-OH5′端接上一个“帽子”(CAP)结构3′端添加PolyA“尾巴”,由RNA末端核苷酸转移酶催化剪接：剪去内含子(intron)，拼接外显子(extron)（四）核苷酸修饰反应成熟tRNA中含有许多修饰核苷；是在tRNA加工过程中各种酶作用生成；表5-2。附：RNA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物需要通过拼接，去除插入部分（即内含子，intron），使编码区（即外含子，Exon）成为连续序列，这是基因表达的一个重要环节。RNA编码序列的改变称为编辑（editing），RNA编码和读码方式的改变称为再编码（recoding）。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。RNA生物功能的多样性1、RNA在遗传信息的翻译中起着决定作用。2、RNA具有重要的催化功能和其他持家功能。3、RNA转录后加工和修饰依赖于各类小RNA和其他蛋白质复合物。4、RNA对基因表达和细胞功能具有重要调节作用。5、RNA在生物进化中起重要作用。RNA的降解RNA降解是涉及到基因表达的一个重要环节，rRNA和tRNA是稳定的RNA，其更新率低；mRNA是不稳定的RNA，其更新率非常高。因为mRNA与其编码基因的表达活性直接有关，不同的RNA需要以不同的速度进行降解。脊椎动物细胞mRNA的平均半衰期约为3h,细胞每一世代中各类mRNA约周转10次。细菌mRNA的半衰期大约只有1.5min，以适应快速生长和对环境作出快速反应的要求。所有细胞中都存在各种核糖核酸酶，可以降解RNA。真核生物mRNA降解的主要途径首先是poly(A)尾巴的缩短，去腺苷酸化能诱发脱去5端帽子结构，然后由53方向和35方向降解mRNA。核酸合成的抑制剂核苷酸合成抑制剂氨基酸类似物叶酸类似物碱基和核苷酸类似物烷化剂放腺菌素嵌合剂与DNA模板结合的抑制剂作用于DNA聚合酶或RNA集合酶的抑制剂抗菌素:如利福平、曲张霉素肽类化合物：-鹅膏蕈碱