第17章 RNA合成

第17章RNA的生物合成RNABiosynthesis概述一、RNA的生理功能DNA将携带的遗传信息转到RNA分子中，RNA分子以其信息指导蛋白质的合成二、RNA合成概况在生物界，RNA合成有两种方式：一是DNA指导的RNA合成，此为生物体内的主要合成方式。另一种是RNA指导的RNA合成，此种方式常见于病毒。转录产生的初级转录本是RNA前体（RNAprecursor），需经加工过程（processing）方具有生物学活性一、转录的概念在RNA聚合酶的催化下,以一段DNA链为模板合成RNA,从而将DNA所携带的遗传信息传递给RNA的过程。转录RNADNA第一节转录参与转录的主要物质模板:DNA酶:RNA聚合酶底物:NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)其他蛋白质因子二、原核生物的转录（一）原核生物的RNA聚合酶亚基分子量功能β'160000与DNA模板结合β150000识别起始点和催化σ70000识别起始点α36000全酶组装，全酶识别启动子w11000不明核心酶(coreenzyme)功能：只能延长，不能起始全酶(holoenzyme)ρ蛋白（ρ因子）分子量：55000功能：识别DNA链的终止点RNA聚合酶DNA聚合酶不要引物（产物5’端多为A或G）需要全保留复制（DNA双链做模板）半保留复制（DNA单链作模板）无校对功能（无外切酶活性）有RNA聚合酶与DNA聚合酶的区别（二）原核生物的转录过程（一）起始阶段（二）延长阶段（三）终止阶段转录初级转录物RNATTGACA框TATA框结构基因启动子区-10bp+1-35bp起始部位（一）起始阶段启动子：指RNA聚合酶识别、结合和开始转录的一段DNA序列。识别后结合为松散复合物→移动→稳定复合物富含A-T，Tm低→解链RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合σ亚基在转录合成8-9个bp后，从全酶脱落，与其他核心酶结合并用于下一轮转录（二）延长阶段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.在核心酶作用下，NTP不断聚合，RNA链延长。目录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）终止阶段指RNA聚合酶在DNA模板上停顿下来不再前进，转录产物RNA链从转录复合物上脱落下来。终止子：提供终止信号的DNA序列分类：1.不依赖因子的转录终止2.依赖因子的转录终止两种终止信号的比较不依赖因子的终止信号依赖因子的终止信号回文序列有有富含GC区有无富含AT区有无1.不依赖因子的转录终止信号DNA模板上靠近终止处，有些特殊碱基序列，转录出RNA后，RNA产物形成特殊的结构来终止转录。5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`RNA5TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT...3DNAUUUU...…UUUU...…5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`发夹(hairpin)结构特殊结构使转录终止的机理•发卡结构使RNA聚合酶变构，转录停顿；•寡聚U使转录复合物趋于解离，RNA产物释放。5´pppG5335RNA-polTOHAAAUUUOHUUUOH不依赖ρ因子的转录终止ATP2.依赖因子的转录终止因子与正在合成的RNA结合在ATP供能条件下，沿合成方向移动接近终点时RNA合成减速，因子追上来，转录终止，释放RNARNA聚合酶ρ因子附在RNA链上RNA链形成一个发夹结构，转录停止，ρ因子利用ATP能滑行ρ因子发挥解螺旋酶活性，解开发夹和RNA-DNA依赖ρ因子的转录终止转录的其他特点1、不对称转录（1）DNA分子上转录出RNA的区段，称为结构基因(structuralgene)。（2）DNA双链中按碱基配对规律能指导转录生成RNA的一股单链，称为模板链(templatestrand)，也称反义链。相对的另一股单链是编码链(codingstrand)，也称有义链。5′···GCAGTACATGTC···3′3′···cgtgatgtacag···5′5′···GCAGUACAUGUC···3′N······Ala·Val·His·Val······C编码链模板链mRNA蛋白质转录翻译（3）不对称转录的含义一是DNA链上只有部分的区段作为转录模板(模板链)；二是模板链并非自始至终位于同一股DNA单链上。5335模板链编码链编码链模板链结构基因转录方向转录方向2、原核生物mRNA翻以前很少或不需修饰（甚至边转录边翻译）但rRNA和tRNA需要转录后加工真核生物的所有RNA转录后都需要加工DNA复制与转录的比较复制转录相同点模板两股链均复制模板链转录合成方式半保留复制不对称转录原料dNTPNTP聚合酶DNA聚合酶RNA聚合酶碱基配对A-T，G-CA-U，T-A，G-C产物半保留的双链DNA单链RNA引物有无不同点以DNA为模板遵循碱基配对原则都需依赖DNA的聚合酶聚合过程都是生成磷酸二酯键新链合成方向为5’→3’类型定位合成产物对鹅膏覃碱敏感性I核仁rRNA前体不敏感II核质mRNA；多数snRNA极敏感III核质5SrRNA前体；tRNA前体；其他核或胞质小RNA前体敏感（一）真核生物的RNA聚合酶–---3种三、真核生物的转录此外，还有线粒体和叶绿体RNA聚合酶1.真核生物RNA聚合酶种类多，且高度分工；2.真核生物启动子比原核生物更复杂、更多样性：不同RNA聚合酶有不同启动子（二）真核生物与原核生物转录的区别有时不存在调节序列碱基多为A3.原核生物RNA聚合酶本身可识别启动子，真核生物则要靠转录因子来识别转录因子----凡是转录起始所必需，但不是RNA聚合酶成分的任何蛋白质功能：与启动子结合，然后RNA聚合酶与转录因子结合，通过蛋白与蛋白相互作用，将RNA聚合酶拖到启动子处，促进转录。不同RAN聚合酶有不同转录因子参与RNA-polⅡ转录的TFⅡ蛋白激酶活性，使CTD磷酸化TFⅡHATPase57（）34（）TFⅡE解螺旋酶30，74TFⅡF促进RNA-polⅡ结合及作为其他因子结合的桥梁33TFⅡB稳定TFⅡD-DNA复合物12，19，35TFⅡA辅助TBP-DNA结合TAF**结合TATA盒TBP*38TFⅡD功能亚基组成，分子量(kD)转录因子蛋白激酶活性，使CTD磷酸化TFⅡHATPase57（）34（）TFⅡE解螺旋酶30，74TFⅡF促进RNA-polⅡ结合及作为其他因子结合的桥梁33TFⅡB稳定TFⅡD-DNA复合物12，19，35TFⅡA辅助TBP-DNA结合TAF**结合TATA盒TBP*38TFⅡD功能亚基组成，分子量(kD)转录因子由RNA-PolⅡ催化的转录起始复合物形成过程POL-ⅡTFⅡFⅡHⅡETFⅡD→ⅡA→ⅡBⅡAⅡBTBPTAFTATAPIC组装完成，TFⅡH使CTD（羧基末端结合域）磷酸化POL-ⅡTFⅡFⅡBTBPTAFTATAⅡHⅡECTD-PⅡA顺式作用元件(cisactingelements)真核基因中与结构基因串联(较紧密的或跳跃式的)并能调控转录的启动与转录水平的DNA序列，包括启动子、增强子（沉默子）、加尾及终止信号等。4.真核生物转录受很多特定顺式作用元件和反式作用因子的影响。转录起始点TATA盒CAAT盒GC盒增强子RNA-PolⅡ顺式作用元件AATAAA切离加尾转录终止点修饰点外显子翻译起始点内含子OCT-1OCT-1：ATTTGCAT八聚体相同点：在顺式作用元件中有较多、较复杂的共有序列，如TATA盒、CCAAT盒等。不同点：真核生物顺式作用元件一般不含结构基因，也不一定与被调控基因串联，有时相距很远，甚至不一定处于上游。真核生物与原核生物顺式作用元件的异同反式作用因子(trans-actingfactors)能直接、间接辨认和结合顺式作用元件，参与调控基因转录的的蛋白质，统称反式作用因子。反式作用因子中，直接或间接结合RNA聚合酶的，则称为转录因子(TF)。原核转录系统中功能相关的基因共享一个启动子，在转录时以一个共同的转录单位进行转录。而真核生物不同蛋白都有各自的启动子5.真核生物转录产物多数为单顺反子mRNA，而原核生物转录产物多数为多顺反子。转录单位-----包括上游调控区、结构基因区、下游转录终止区三个部分。原核生物的转录单位称为操纵子，通常由2个以上的编码序列与启动序列、操纵序列以及其他调节序列在基因组中成簇串联组成。乳糖操纵子调节基因启动子操纵基因结构基因A操纵子（operon）BC一群功能相关的结构基因（structuralgene）相邻，且共同受同一个操纵基因（operator）和启动子（promoter）所控制，共同组成一个操纵子(operon)原核生物的多顺反子真核生物的单顺反子非编码序列核蛋白体结合位点起始密码子终止密码子编码序列PPP53蛋白质PPPmG-53蛋白质7.真核生物有复杂的转录后加工6.原核生物边转录边翻译，几乎同时进行；真核生物的转录和翻译在时间和空间上都是分开的：转录在细胞核，翻译在细胞质。四、转录后加工（一）真核生物mRNA前体的加工（二）rRNA前体的加工（三）tRNA前体的加工（四）mRNA编辑原初mRNA前体分子量很大，在核内分解为大小不一的的杂化核RNA(hetero-nuclearRNA,hnRNA)（一）真核生物mRNA加工1.5加帽(m7GpppGp—)发生在细胞核内，即HnRNA即可进行加帽。加工过程：在磷酸酶作用下，将5‘-端的磷酸基水解；然后再加上鸟苷三磷酸，形成GpppN的结构；再对G进行甲基化。帽子结构O-CH3功能：保护5’不被水解识别翻译起始点（与IFIII结合）促进mRNA与核糖体结合12342．加尾(addingtail)：也在核内完成。首先由核酸外切酶切去3‘-端一些过剩核苷酸，然后再加入polyA。polyA结构与mRNA的半寿期有关。保护mRNA3’不被水解，同时维持mRNA结构完整。剪切信号CABD编码区A、B、C、D非编码区3.剪接真核生物中的结构基因基本上都是断裂基因。由若干个编码区和非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。外显子(exon)和内含子(intron)•外显子------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-----隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列。真核HnRNA的剪接一般需snRNA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。真核mRNA前体转录后加工(以卵清蛋白mRNA的转录为例)外显子内含子5’3’3.内含子的分类根据基因的类型和剪接方式，内含子分4类。I：主要在线粒体、叶绿体及某些低等真核生物的rRNA基因；II：线粒体、叶绿体，转录产物是mRNAIII：是常见的形成套索结构后剪接，大多数mRNA基因有此类内含子；IV：是tRNA基因及其初级转录产物中的内含子，剪接过程需酶及ATP。①②③UACUACA-AGUGU4U5U6E1E2U1U2UACUACA-AGUGU6E1E2U1、U4、U5OHE1AAG-O—P-OE2UGOPOO-P-OE1E2+AAG-OHUGOPOintronO—P-O-GUAAG-O—P-OE1E22’-OH内含子GU-AG规则很快被降解套索鸡卵清蛋白成熟mRNA与DNA杂交电镜图DNAmRNA4．内部甲基化由甲基化酶催化，对某些碱基进行甲基化处理（一般是核糖的2-OH）。（二）rRNA前体的加工1.原核生物rRNA前体的加工