第十章 RNA的生物合成

第十章RNA的生物合成学习目标•掌握：转录的概念；转录的不对称性；原核生物RNA聚合酶的组成和各亚基的功能。•熟悉：熟悉真核生物RNA聚合酶的类型与功能，结构基因、模板链和编码链的含义；几种RNA转录后加工修饰；核酶概念。•了解：转录的特点；RNA转录过程。DNA→RNA转录RNA→RNARNA复制RNA的生物合成两种方式存在于绝大多数生物体存在于某些病毒体内一、转录•概念在DNA指导的RNA聚合酶催化下，以DNA的模板链为模板，4种NTP为原料，按碱基配对规律(T-A,A-U,G-C)合成一条与模板链互补的RNA链的过程。生物体以DNA为模板合成RNA的过程。DNA的遗传信息传递给RNA的过程。DNA转录RNA•反应体系：DNA模板,NTP,酶，Mg2+,Mn2+，合成方向5‘→3’。连接方式---3',5'磷酸二酯键•原料：四种磷酸核苷NTP，DNA中的T在RNA合成中变为U。•合成过程:连续，方向：5'→3'•合成部位：细胞核内5′···GCAGTACATGTC···3′3′···CGTCATGTACAG···5′5′···GCAGUACAUGUC···3′N······Ala·Val·His·Val······C编码链模板链mRNA蛋白质转录翻译第一节参与转录的物质一、转录模板结构基因：能作为转录模板的DNA区段。•模板链(templatestrand)有意义链DNA双链中，能按碱基配对规律指引转录，生成RNA的一股单链。•编码链(codingstrand)反义链DNA双链中碱基序列与RNA一致的一股链。由于基因分布于不同的DNA单链中，即某条DNA单链对某个基因是模板链，而对另一个基因则是编码链。•反义核酸：以编码链为模板合成的核酸，称为反义核酸（反义RNA、反义DNA）。序列与模板链一致，能抑制mRNA表达。二、RNA聚合酶•定义：以DNA为模板，催化三磷酸核苷（NTP）聚合形成RNA的酶常称为转录酶。全称为：DNA依赖的RNA聚合酶（DDRP）•作用特点：1.DNA为模板。2.不需引物，两游离NTP或一游离NTP与RNA链聚合。3.3'-OH与5'-P聚合形成磷酸二酯键。4.方向：5'→3'。一）原核生物的RNA聚合酶•组成：RNA聚合酶由5个亚基构成，α2ββσ为全酶，α2ββ为核心酶•作用：识别DNA分子中转录的起始部位。促进与模板链结合，并使DNA双链打开17bp。催化NTP的聚合，完成一条RNA链的聚合反应。识别转录终止信号，停止聚合反应，参与转录水平的调控。全酶：转录起始α2ββ'(核心酶)36512决定哪些基因被转录150618催化功能155613结合DNA模板70263辨认起始点亚基分子量功能核心酶：能与DNA链结合并启动转录，但没有特异性，转录出来的可能不是一个完整的基因序列+σ因子σα2ββ'(全酶)ρ因子功能(1)能帮助DDRP识别终止信号并停止转录(2)具有ATP酶和解链酶活性，使RNA-DNA杂化分子解链，从而释放转录产物RNA分子核心酶:转录延长原核生物的RNA聚合酶36512决定哪些基因被转录150618催化功能155613结合DNA模板70263辨认起始点亚基分子量功能二)真核RNA聚合酶•真核较原核的酶复杂，已清楚的有RNAPolⅠ,Ⅱ,Ⅲ及Mt四型•组成和功能：均由多亚基构成，聚合酶Ⅱ主要负责mRNA的合成；PolⅠ主要负责rRNA的合成；PolⅢ主要负责tRNA和5srRNA的合成。1.启动子（promoter）确保转录精确而有效地起始的DNA序列是RNA聚合酶与模板DNA结合的特定部位，是基因转录的开始部位。两类DDRP能直接识别的启动子需蛋白质辅助因子的帮助，DDRP才能识别的启动子三、启动子及终止信号一般可分为：原核生物启动子的3个功能部位•转录起始点,常标以+1，第1个核苷酸为嘌呤核苷酸(A或G)。上游或下游,+或-表示•结合部位,长度为7bp,位于-10bp处，有一共有序列(-TATAAT-)•RNA聚合酶的识别部位,由约6bp,位于-35bp,也有共有序列(-TTGACA-)编码链5'3'启动子5'MeGPPPRNA产物原核生物启动子转录起始部位+1基因转录区-10区TATAAT结合部位TGTTGACA-35区识别部位DNA模板链3'5'2.终止信号(终止子)DNA分子中决定RNA聚合酶终止转录的特定碱基序列。特点：终止部位含GC富集区与AT富集区,它们分别形成发卡结构和连续的U区，以终止转录。蛋白ρ因子辅助识别终止信号，参与终止。有反向重复序列决定转录产物的回折形成茎-环(或称发夹)结构AT富集区GC富集区反向重复序列AT富集区GC富集区一般认为由终止子引导的转录终止是不依赖ρ因子的四、转录的特点1.不对称性：双链DNA分子中一条链转录时，另一条链不被转录，这一现象称为不对称转录。2.连续性：RNA的转录不需要引物，从起始位点开始到终止位点为止，连续合成RNA链。3.单向性：模板链的方向是3′→5′，聚合时RNA链是沿5′→3′方向延伸。4.有特定的起始和终止位点第二节转录过程1．转录的起始2．RNA链的延伸3．转录的终止原核细胞的转录作用分三个阶段进行(以大肠杆菌的转录为例）一、转录起始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起始区域。2.DNA双链解开，使其中的一条链作为转录的模板。1.辨认起始位点：亚基辨认启动子的-35区，RNA聚合酶全酶(2)与模板疏松结合。酶滑行到-10区，通过亚基与模板牢固结合。2.DNA双链解开：RNA聚合酶挤入DNA双链中，解链长度约20个核苷酸，拓扑异构酶参与。转录起始过程：3.在RNA聚合酶作用下发生第一次聚合反应，形成转录起始复合物。RNApol(2)-DNA（启动子）-5'pppGpN-OH3转录起始复合物：RNA聚合酶-DNA模板-四磷酸二核苷酸5-pppG-OH+NTP5-pppGpN-OH3+ppi1.RNA聚合酶与启动子的结合（σ亚基辨认-35区）2.DNA双链的打开RNApol（全酶移向-10区）3.RNA链上合成第一个磷酸二酯键5-pppGpN-OH-3σ亚基脱落（参与下一轮转录）由核心酶(α2ββ）催化链的延伸二、转录延长1.亚基脱落，RNA–pol聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，沿着DNA模板前移；2.核心酶沿模板链3→5方向移动，RNA链按碱基配对规律沿5→3方向延伸，NTP不断聚合，RNA链不断延长。新生RNA链与模板链形成杂化双链(该杂化分子结构不稳定，RNA链游离后，DNA双链重新形成双螺旋结构)3.转录空泡的形成：随“转录泡”和DDRP不断移动(单链模板不断暴露)，转录连续不断地进行。转录空泡(transcriptionbubble)：DNA解开的两条单链与RNA聚合酶及其转录产物RNA构成的转录复合物。RNA-pol：40bp以上；解链：20bp；RNA/DNA：12bp。53DNA原核生物转录过程中的羽毛状现象核糖体RNARNA聚合酶三、转录终止RNA聚合酶移到DNA模板上终止信号时,酶不滑动，聚合停止,转录完成，转录产物RNA链从转录复合物上脱落。合成特点：ρ因子参与的终止：ρ因子与RNA产物中富含C的部位结合,并诱使RNA聚合酶构象改变停止滑动；ρ因子的解螺旋酶活性,利于RNA产物的释放。ρ因子机制：依赖Rho(ρ)因子的转录终止非依赖Rho因子的转录终止功能：1.识别结合富含C的RNA链2.ATPase活性3.解螺旋酶活性1.依赖Rho因子的转录终止：具有控制转录终止作用的蛋白质因子。机制：Rho因子与RNA3-OH的polyC结合，抑制聚合酶活性，激活解螺旋活性。2.非依赖Rho因子的转录终止：DNA模板近终止处，有特殊的碱基序列，转录出RNA产物形成特殊的结构终止转录。•发夹结构：反向碱基互补序列。•末端PolyU：U:A不稳定。茎环结构终止转录的机理•使RNA聚合酶变构，转录停顿；•末端polyU使转录复合物趋于解离，RNA产物释放。5´pppG5335RNA-pol复制和转录的区别相同点:•DNA模板•依赖DNA的聚合酶•碱基配对规律•生成磷酸二酯键•链延长方向5'→3'复制和转录的不同点复制转录模板使用两条全用、全部用完参与子代只用一条、只用一段反复使用合成原料dATPdGTPdCTPdTTP（dNTP）ATPGTPCTPUTP(NTP)合成酶类多酶催化DDDP单酶催化DDRP碱基互补A-T、G-CA-U、T-A、G-C起始物质RNA引物3′-OH全酶-DNA复合物合成方式半保留复制半不连续复制不对称转录连续进行合成产物子代双链DNAmRNAtRNArRNA第三节转录后的加工原核RNA不需加工，边转录边翻译真核RNA需要加工rRNAtRNAmRNA5加帽3加尾剪接在转录过程中转录后进行一、mRNA的转录后加工1.5端形成帽子结构(m7GpppGp—)7-甲基鸟嘌呤-三磷酸鸟苷帽子结构的生成：帽子结构的功能:•核内生成,保护mRNA不被核酸外切酶水解。•与翻译过程有关，帽子结构结合蛋白是翻译起始必需的因子。5ppGp…磷酸酶Pi5GpppGp…pppGppi鸟苷酸转移酶5m7GpppGp…甲基转移酶SAM5pppGp…2.3-末端PolyA尾:（长约100-200bp）生成：在核内修饰,与转录终止同时进行。作用：增加mRNA稳定性，维持翻译模板活性。核酸酶RNA-polAATAAAGTGTGTG转录终止的修饰点55333加尾AAAAAAA······3mRNA3.mRNA的剪接hnRNA被剪接体作用，剪除内含子、连接外显子，产生成熟的mRNA的过程•剪接:在细胞核内,hnRNA剪切掉内含子,将多个外显子连接为成熟mRNA的过程为剪接•剪接的本质：磷酸酯键的转移•剪接特点：剪接部位的结构为内含子末端的特定序列，分布在内含子的三个部位，5端剪切点为GU；3端剪切点为AG；靠近3端含A序列的分支点外显子内含子DNAmRNA转录形成套索RNA，外显子靠近剪接体去除套索RNA，外显子连接成熟mRNAmRNA的剪接编码区和非编码区互相间隔,又连续镶嵌而成，这些基因称为断裂基因。☆断裂基因(splitegene)CABD编码区A、B、C、D非编码区☆外显子：（基因上的编码序列）在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟RNA的核酸序列。☆内含子：（基因上的非编码序列）•在断裂基因及其初级转录产物上出现，而在剪接过程中被除去的核酸序列。4.碱基的修饰mRNA分子内含有少量稀有碱基，例如甲基化碱基是转录后经过甲基化修饰后形成。二、tRNA转录后的加工1.修剪和剪接5-端和3-端要通过修剪才能成熟。2.添加CCA序列tRNA必须有3-CCA-OH末端才有活性。3.碱基修饰成熟的tRNA分子中包含许多修饰成分，而且不同的tRNA修饰的内容和数目都不同。（1）甲基化如：AAm（2）还原反应如：UDHU（3）核苷内的转位反应如：Uψ（4）脱氨反应如：AItRNA的加工内含子编码区内切核酸酶外切核酸酶PPP53-OH3DNA内含子初级转录物3端加CCA-OHP除去内含子（内切酶与连接酶）CCA-OH3成熟tRNA5CCA-OH3内含子•5和3端的酶切•3加上CCA•去掉内含子•特异部位碱基的加工三、rRNA转录后的加工1、剪切作用：需核酸酶参与，将前体切到一定长度。2、甲基化修饰：修饰在碱基上。3、自我剪接：一种核酶的作用。插入顺序的去除，这是一个自我催化完成的过程。内含子内含子内含子内含子内含子内含子四、RNA的编辑•概念mRNA转录后出现核苷酸的替换，插入或缺失，改变DNA模板来源的遗传信息，翻译出氨基酸序列不同的多种蛋白质。•生物学意义产生多种表达产物，产生多种生物学效应，产生功能用途的分化，因此也称为分化加工。DNA上的基因数要比表达的蛋白质种类少。估