第十一章RNA的生物合成

1、第十一章 RNA的生物合成Chapter 11 RNA Biosynthesis,生物界，RNA合成有兩種方式：一是DNA指導(dǎo)的RNA合成，也叫轉(zhuǎn)錄，此為生物體內(nèi)的主要合成方式，也是本章介紹的主要內(nèi)容。另一種是RNA指導(dǎo)的RNA合成(RNA-dependent RNA synthesis)，也叫RNA復(fù)制(RNA replication), 由RNA依賴(lài)的RNA聚合酶(RNA-dependent RNA polymerase)催化，常見(jiàn)于病毒，是逆轉(zhuǎn)錄病毒以外的RNA病毒在宿主細(xì)胞以病毒的單鏈RNA為模板合成RNA的方式。重點(diǎn)內(nèi)容掌握不對(duì)稱(chēng)轉(zhuǎn)錄、模板鏈和編碼鏈的概念。（二）掌握原核生物RNA聚

2、合酶的全酶及核心酶的組成；熟悉模板與酶的辨認(rèn)結(jié)合，啟動(dòng)子的概念。了解-35區(qū)、-10區(qū)、上游、下游序列等概念，以及兩區(qū)的作用特點(diǎn)。（三）熟悉原核生物的轉(zhuǎn)錄起始，轉(zhuǎn)錄的方向，原核生物的轉(zhuǎn)錄終止分兩種方式。了解原核生物RNA合成的過(guò)程。（四）熟悉真核生物的RNA聚合酶的分類(lèi)，作用特點(diǎn)以及各自相應(yīng)的產(chǎn)物；了解真核生物轉(zhuǎn)錄過(guò)程。（五）掌握斷裂基因、內(nèi)含子、外顯子的概念；（六）熟悉真核生物mRNA,tRNA的修飾過(guò)程。復(fù)制與轉(zhuǎn)錄的相同點(diǎn)：都是酶促的核苷酸聚合過(guò)程以DNA為模板遵循堿基配對(duì)原則都需依賴(lài)DNA的聚合酶聚合過(guò)程都是生成磷酸二酯鍵新鏈合成方向?yàn)?3原核生物轉(zhuǎn)錄的模板和酶Section 1 Tem

3、plates and Enzymes in Prokaryotic Transcription原核生物轉(zhuǎn)錄的模板DNA分子上轉(zhuǎn)錄出RNA的區(qū)段，稱(chēng)為結(jié)構(gòu)基因(structural gene)。轉(zhuǎn)錄的這種選擇性稱(chēng)為不對(duì)稱(chēng)轉(zhuǎn)錄(asymmetric transcription)，它有兩方面含義：在DNA分子雙鏈上，一股鏈用作模板指引轉(zhuǎn)錄，另一股鏈不轉(zhuǎn)錄；模板鏈并非總是在同一單鏈上。全稱(chēng)：依賴(lài)DNA的RNA聚合酶（DDRP）。RNA合成的化學(xué)機(jī)制與DNA聚合酶催化DNA合成相似，沿53聚合RNA。區(qū) 別:引物酶復(fù)制起始時(shí)聚合短鏈RNA作為引物，以提供3-OH末端，使子代DNA鏈能夠延長(zhǎng)。dnaG基因

4、編碼，對(duì)利福平不敏感催化轉(zhuǎn)錄的RNA-pol兩種酶的異同共同點(diǎn): 本質(zhì)上都是一種依賴(lài)DNA的RNA聚合酶（DDRP）; 催化游離的NTP聚合。轉(zhuǎn)錄時(shí)催化子鏈延長(zhǎng)對(duì)利福平敏感DNA聚合酶在啟動(dòng)DNA鏈延長(zhǎng)時(shí)需要引物存在，而RNA聚合酶不需要引物就能直接啟動(dòng)RNA鏈的延長(zhǎng)。RNA聚合酶和DNA的特殊序列啟動(dòng)子(promoter)結(jié)合后，就能啟動(dòng)RNA合成。原核生物中的RNA聚合酶全酶由五個(gè)亞基構(gòu)成，即a2bbs（），分子量達(dá)480kD 。s亞基能引導(dǎo)RNA-pol 穩(wěn)定的結(jié)合在DNA啟動(dòng)子上。s亞基存在對(duì)核心酶的構(gòu)象有較大影響，能導(dǎo)致RNA-pol 與DNA上的一般序列和啟動(dòng)子序列的親和力有很大不

5、同：極大降低了酶與DNA一般序列的結(jié)合常數(shù)，和停留時(shí)間，同時(shí)又增加了酶與啟動(dòng)子的親合力和停留時(shí)間其他原核生物的RNA聚合酶，在結(jié)構(gòu)、組成、功能上均與E.coli相似?？菇Y(jié)核藥利福平或利福霉素可專(zhuān)一性地結(jié)合RNA聚合酶的亞基，抑制RNA合成。原核生物一個(gè)轉(zhuǎn)錄區(qū)段可視為一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位，稱(chēng)為操縱子(operon)，包括若干個(gè)結(jié)構(gòu)基因及其上游(upstream)的調(diào)控序列。啟動(dòng)子(啟動(dòng)序列，promoter)是RNA聚合酶結(jié)合并起動(dòng)轉(zhuǎn)錄的特異DNA序列。啟動(dòng)子(promoter)是調(diào)控序列的一部分,控制轉(zhuǎn)錄的關(guān)鍵部位，決定著基因的表達(dá)強(qiáng)度。第三節(jié) 原核生物RNA轉(zhuǎn)錄合成的過(guò)程一、轉(zhuǎn)錄起始需要RNA聚合酶

6、全酶RNA聚合酶必須準(zhǔn)確地結(jié)合在轉(zhuǎn)錄模板的起始區(qū)域。DNA雙鏈解開(kāi)，使其中的一條鏈作為轉(zhuǎn)錄的模板。轉(zhuǎn)錄起始過(guò)程：1. RNA聚合酶全酶(a2sbb)與模板結(jié)合，形成閉合轉(zhuǎn)錄復(fù)合體(closed transcription complex) ；2. DNA雙鏈局部解開(kāi)，形成開(kāi)放轉(zhuǎn)錄復(fù)合體(open transcription complex) ；3. 第一個(gè)NTP加入，形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物：DNA雙鏈解開(kāi)的范圍只有 17bp，比復(fù)制叉小得多。轉(zhuǎn)錄起始生成RNA的5總是GTP，且保留三個(gè)磷酸基團(tuán)第一個(gè)磷酸二酯鍵生成后，亞基即從轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物上脫落，核心酶連同四磷酸二核苷酸，繼續(xù)結(jié)合于DNA模板上，酶

7、沿DNA鏈前移，進(jìn)入延長(zhǎng)階段。二、 原核生物的轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)時(shí)蛋白質(zhì)的翻譯也同時(shí)進(jìn)行s亞基脫落，RNApol聚合酶核心酶變構(gòu)，與模板結(jié)合松弛，沿著DNA模板前移；在核心酶作用下，NTP不斷聚合，RNA鏈不斷延長(zhǎng)。三、原核生物轉(zhuǎn)錄終止分為依賴(lài)(Rho)因子與非依賴(lài)因子兩大類(lèi)轉(zhuǎn)錄終止指RNA聚合酶在DNA模板上停頓下來(lái)不再前進(jìn)，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA鏈從轉(zhuǎn)錄復(fù)合物上脫落下來(lái)。依賴(lài)Rho ()因子的轉(zhuǎn)錄終止非依賴(lài)Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止（一）依賴(lài)因子的轉(zhuǎn)錄終止因子是由相同亞基組成的六聚體蛋白質(zhì)，亞基分子量46kD。因子能結(jié)合RNA，又以對(duì)poly C的結(jié)合力最強(qiáng)。因子還有ATP酶活性和解螺旋酶(helicase)的活

8、性。目前認(rèn)為，因子終止轉(zhuǎn)錄的作用是：與RNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物結(jié)合，結(jié)合后因子和RNA聚合酶都可發(fā)生構(gòu)象變化，從而使RNA聚合酶停頓，解螺旋酶的活性使DNA/RNA雜化雙鏈拆離，利于產(chǎn)物從轉(zhuǎn)錄復(fù)合物中釋放 。（二） 非依賴(lài) Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止DNA模板上靠近終止處，有些特殊的堿基序列，轉(zhuǎn)錄出RNA后，RNA產(chǎn)物形成特殊的結(jié)構(gòu)來(lái)終止轉(zhuǎn)錄。終止點(diǎn)處存在相連的富含GC的回文結(jié)構(gòu)，使RNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物形成發(fā)夾形的二級(jí)結(jié)構(gòu)，其后又有一段寡聚U第三節(jié) 真核生物的轉(zhuǎn)錄過(guò)程真核生物的轉(zhuǎn)錄過(guò)程比原核復(fù)雜。二者的轉(zhuǎn)錄起始過(guò)程有較大區(qū)別，轉(zhuǎn)錄終止也不相同。一、 真核生物有三種DNA依賴(lài)性RNA聚合酶真核生物具有3種不同的RNA

9、聚合酶:RNA聚合酶（RNA Pol）RNA聚合酶（RNA Pol）RNA聚合酶（RNA Pol ）三種RNA聚合酶均由1012個(gè)大小不同的亞基組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能上存在差異。真核生物RNA聚合酶、的結(jié)構(gòu)比原核生物復(fù)雜，都由多個(gè)亞基組成。有些亞基是三種酶所共有。所有真核生物的RNA聚合酶都有兩個(gè)不同的大亞基和十幾個(gè)小亞基.mRNA是各種RNA中壽命最短、最不穩(wěn)定的，需經(jīng)常重新合成。因此RNA聚合酶是三種酶中最活躍的。RNA聚合酶由12個(gè)亞基組成，其最大的亞基稱(chēng)為RBP1。RNA聚合酶最大亞基的羧基末端有一段共有序列(consensus sequence)為T(mén)yr-Ser-Pro-Thr-Ser

10、-Pro-Ser的重復(fù)序列片段，稱(chēng)為羧基末端結(jié)構(gòu)域(carboxyl-terminal domain, CTD)。 CTD對(duì)于維持細(xì)胞的活性是必需的。習(xí) 題DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄過(guò)程具有許多異同點(diǎn),下列關(guān)于DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的描述中哪項(xiàng)是錯(cuò)誤的?A 在體內(nèi)只有一條DNA鏈轉(zhuǎn)錄, 而兩條DNA鏈都復(fù)制B 在這兩個(gè)過(guò)程中合成方向都為53C 復(fù)制的產(chǎn)物在通常情況下大于轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物D 兩過(guò)程均需RNA為引物E DNA聚合酶I 和RNA聚合酶都需要Mg2+不參與DNA修復(fù)的酶是光復(fù)活酶引物酶DNA聚合酶DNA連接酶核酸內(nèi)切酶切除修復(fù)需要核酸內(nèi)切酶DNA聚合酶DNA連接酶核酸外切酶下列關(guān)于因子的敘述正確的是A 參與

11、識(shí)別DNA模板上轉(zhuǎn)錄RNA的特殊起始點(diǎn)B 參與識(shí)別DNA模板上的終止信號(hào)C 催化RNA鏈的雙向聚合反應(yīng)D 是種小分子的有機(jī)化合物E 參與逆轉(zhuǎn)錄過(guò)程RNA聚合酶中促進(jìn)磷酸二酯鍵生成的亞基是A 原核RNA聚合酶亞基B 原核RNA聚合酶亞基C 原核RNA聚合酶亞基D 原核RNA聚合酶亞基E 原核RNA聚合酶亞基催化真核mRNA的轉(zhuǎn)錄的酶是A RNA聚合酶IB MtRNA聚合酶C RNA聚合酶D RNA復(fù)制酶E RNA聚合酶二、轉(zhuǎn)錄起始需要啟動(dòng)子 、RNA聚合酶和轉(zhuǎn)錄因子的參與（一）轉(zhuǎn)錄起始前的上游區(qū)段具有啟動(dòng)子核心序列順式作用元件(cis-acting element)啟動(dòng)子啟動(dòng)子上游元件（upst

12、ream promoter elements）增強(qiáng)子（enhancer）起始點(diǎn)上游多數(shù)有共同的TATA序列，稱(chēng)為Hognest盒或TATA盒(TATA box)。通常認(rèn)為這就是啟動(dòng)子的核心序列。許多RNA聚合酶II識(shí)別的啟動(dòng)子具有保守的共有序列：位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)附近的起始子(initiator，Inr) 。啟動(dòng)子上游元件是位于TATA盒上游的DNA序列，多在轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)約-40-100nt的位置，比較常見(jiàn)的是GC盒和CAAT盒。增強(qiáng)子是能夠與特異基因調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合,促進(jìn)鄰近或遠(yuǎn)隔特定基因表達(dá)的DNA序列。在所控基因的上游和下游都可發(fā)揮作用;總是作用于最近的啟動(dòng)子DNA分子上可影響或調(diào)控轉(zhuǎn)錄的各種組分

13、統(tǒng)稱(chēng)為順式作用元件（cis-acting element）。（二） 轉(zhuǎn)錄因子在真核生物中，轉(zhuǎn)錄的起始過(guò)程較為復(fù)雜?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)數(shù)百種蛋白因子與RNA轉(zhuǎn)錄合成有關(guān)能直接、間接辨認(rèn)和結(jié)合轉(zhuǎn)錄上游區(qū)段DNA的蛋白質(zhì)，統(tǒng)稱(chēng)為反式作用因子(trans-acting factors) 。反式作用因子中，直接或間接結(jié)合RNA聚合酶的，則稱(chēng)為轉(zhuǎn)錄因子(transcriptional factors, TF)，通用轉(zhuǎn)錄因子，基本轉(zhuǎn)錄因子。 TF、TF、 TF中介子是反式作用因子和RNA聚合酶之間的蛋白質(zhì)復(fù)合體，它與某些反式作用因子相互作用，同時(shí)能夠促進(jìn)TFH對(duì)RNA聚合酶羧基端結(jié)構(gòu)域的磷酸化。上游因子，與啟動(dòng)子上游

14、元件結(jié)合的蛋白質(zhì)可誘導(dǎo)因子，與增強(qiáng)子等遠(yuǎn)端調(diào)控序列結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子，只在特定時(shí)間和組織中表達(dá)而影響轉(zhuǎn)錄RNA聚合酶II與啟動(dòng)子的結(jié)合、啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄需要多種蛋白質(zhì)因子的協(xié)同作用。通常包括：可誘導(dǎo)因子與增強(qiáng)子的結(jié)合;上游因子與啟動(dòng)子上游元件的結(jié)合；通用轉(zhuǎn)錄因子在啟動(dòng)子處的組裝；在通用轉(zhuǎn)錄因子、RNA聚合酶II復(fù)合物與可誘導(dǎo)因子、上游因子相互作用時(shí)，輔激活因子、中介子起的輔助和中介作用。因子和因子之間互相辨認(rèn)、結(jié)合，以準(zhǔn)確地控制基因是否轉(zhuǎn)錄、何時(shí)轉(zhuǎn)錄。（三） 轉(zhuǎn)錄起始前復(fù)合物真核生物RNA-pol不與DNA分子直接結(jié)合，而需依靠眾多的轉(zhuǎn)錄因子，形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物(pre-initiation comple

15、x, PIC) 。真核生物轉(zhuǎn)錄起始時(shí)，首先由TFD的TBP亞基識(shí)別并結(jié)合TATA盒，然后在其他轉(zhuǎn)錄因子的配合下，與RNA聚合酶組裝形成轉(zhuǎn)錄起始前復(fù)合物(pre-initiation complex, PIC)。TFH的解螺旋酶活性使轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)附近的DNA解螺旋，啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄。RNA聚合酶催化第一個(gè)磷酸二酯鍵形成。RNA聚合酶的羧基末端結(jié)構(gòu)域（CTD）被磷酸化修飾，大部分轉(zhuǎn)錄因子脫離，聚合酶向下游移動(dòng)延伸RNA鏈。（四）少數(shù)幾個(gè)反式作用因子的搭配啟動(dòng)特定基因的轉(zhuǎn)錄為了保證轉(zhuǎn)錄的準(zhǔn)確性，不同基因需不同轉(zhuǎn)錄因子。拼板理論(piecing theory) ：少數(shù)幾個(gè)反式作用因子（主要是可誘導(dǎo)因子和上游因子

16、）之間互相作用，再與基本轉(zhuǎn)錄因子、RNA聚合酶搭配而有針對(duì)性地結(jié)合、轉(zhuǎn)錄相應(yīng)的基因。可誘導(dǎo)因子和上游因子常常通過(guò)輔激活因子或中介子與基本轉(zhuǎn)錄因子、RNA聚合酶結(jié)合，但有時(shí)也可直接與基本轉(zhuǎn)錄因子、RNA聚合酶結(jié)合。三 、真核生物轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)過(guò)程中沒(méi)有轉(zhuǎn)錄與翻譯同步的現(xiàn)象真核生物轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)過(guò)程與原核生物類(lèi)似，但因有核膜相隔，沒(méi)有轉(zhuǎn)錄與翻譯同步的現(xiàn)象。RNA-pol前移過(guò)程中處處都遇上核小體。轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)過(guò)程中可觀察到核小體移位和解聚現(xiàn)象。四、真核生物的轉(zhuǎn)錄終止和加尾修飾同時(shí)進(jìn)行真核生物轉(zhuǎn)錄終止與轉(zhuǎn)錄后修飾，即poly A尾巴結(jié)構(gòu)的添加密切相關(guān)。在poly A修飾位點(diǎn)的下游存在一組共同序列AATAAA和GTG

17、TGT，為轉(zhuǎn)錄終止的修飾位點(diǎn)。在轉(zhuǎn)錄越過(guò)修飾點(diǎn)后，RNA鏈在修飾點(diǎn)處被切斷，隨即進(jìn)行加帽和加尾修飾。第四節(jié) 真核生物RNA的修飾Section 4 Post-transcriptional Modification in Eukaryote真核生物轉(zhuǎn)錄生成的RNA分子是初級(jí)RNA轉(zhuǎn)錄物(primary RNA transcript)，幾乎所有的初級(jí)RNA轉(zhuǎn)錄物都要經(jīng)過(guò)加工，才能成為具有功能的成熟的RNA。加工主要在細(xì)胞核中進(jìn)行。一、真核生物mRNA的加工包括首、尾修飾和剪接首、尾的修飾在hnRNA 5端加上m7G在hnRNA 3端加上poly A剪接（splicing）剪去內(nèi)含子，并接外顯子（

18、一）前體mRNA在5-末端加入“帽”結(jié)構(gòu)大多數(shù)真核mRNA的5-末端有7-甲基鳥(niǎo)嘌呤的帽結(jié)構(gòu)。加帽的過(guò)程發(fā)生在細(xì)胞核內(nèi)，即 hnRNA即可進(jìn)行加帽。真核mRNA加帽過(guò)程由兩種酶，加帽酶(capping enzyme)和甲基轉(zhuǎn)移酶(methyltransferase)催化完成。帽子結(jié)構(gòu)的意義：可以使mRNA免遭核酸酶的攻擊；也能與帽結(jié)合蛋白質(zhì)復(fù)合體(cap-binding complex of protein)結(jié)合，并參與mRNA和核糖體的結(jié)合，啟動(dòng)蛋白質(zhì)的生物合成。（二）前體mRNA在3端特異位點(diǎn)斷裂并加上多聚腺苷酸尾真核mRNA，除組蛋白的mRNA ,在3端都有多聚腺苷酸poly(A)尾結(jié)構(gòu)

19、。一般真核生物在胞漿內(nèi)出現(xiàn)的mRNA，其poly A長(zhǎng)度為100至200個(gè)核苷酸之間，也有少數(shù)例外。poly A的有無(wú)與長(zhǎng)短，是維持mRNA作為翻譯模板的活性，以及增加mRNA本身穩(wěn)定性的因素。尾部修飾是和轉(zhuǎn)錄終止同時(shí)進(jìn)行的過(guò)程。前體mRNA分子的斷裂和加多聚腺苷酸尾是多步驟過(guò)程。（三）前體mRNA的剪接（splicing)主要是去處內(nèi)含子核內(nèi)帶有外顯子和內(nèi)含子編碼序列的初級(jí)RNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物雜化核RNA (hetero-nuclear RNA, hnRNA)經(jīng)剪接加工除去內(nèi)含子序列并將外顯子序列連接起來(lái)才能形成成熟的mRNA。真核生物的結(jié)構(gòu)基因，由若干個(gè)編碼序列和非編碼序列相互間隔但又連續(xù)鑲嵌而成，去除非編碼區(qū)再連接后，可翻譯出由連續(xù)氨基酸組成的完整蛋白質(zhì)，這些基因稱(chēng)為斷裂基因。外顯子 在斷裂基因及其初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物上出現(xiàn)，并表達(dá)為成熟RNA的核酸序列。內(nèi)含子 斷裂基因的線(xiàn)性表達(dá)而在剪接過(guò)程中被除去的核酸序列。3. snRNAsnRNA為核內(nèi)小RNA，富含尿