第16章船長系列：轉(zhuǎn)錄后的加工修飾

第十六章RNA的生物合成（轉(zhuǎn)錄）RNABiosynthesis,Transcription順式作用元件反式作用因子啟動子轉(zhuǎn)錄因子基本轉(zhuǎn)錄因子增強子沉默子CTD拼板理論真核生物的轉(zhuǎn)錄后修飾Post-transcriptionalModification第四節(jié)02030401真核與原核轉(zhuǎn)錄后區(qū)別真核mRNA加工（加帽，加尾，剪接，甲基化）tRNA，rRNA加工核酶本節(jié)重難點轉(zhuǎn)錄后的修飾轉(zhuǎn)錄生成的RNA，稱為初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物。無論在真核生物或原核生物中，初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物都經(jīng)過一定程度的修飾加工，才能表現(xiàn)其功能。幾種主要的修飾方式1.剪接(splicing)2.剪切(cleavage)3.修飾(modification)4.添加(addition)020304015’端帽子結(jié)構(gòu)3’端尾巴。切除內(nèi)含子，連接外顯子。甲基化一mRNA加工真核生物mRNA轉(zhuǎn)錄完成之后，進(jìn)行加帽加尾剪接等活動。？X（一）首、尾修飾帽子結(jié)構(gòu)(m7GpppGp—)一mRNA加工多聚腺苷酸尾巴(polyAtail)53一mRNA加工帽子結(jié)構(gòu)(m7GpppGp—)磷酸水解酶鳥苷酸轉(zhuǎn)移酶5’-5’磷酸二酯鍵在鳥嘌呤-7-甲基轉(zhuǎn)移酶的催化下，將一個甲基基團(tuán)加到鳥嘌呤環(huán)的第7位N原子上，使鳥嘌呤轉(zhuǎn)變成7-甲基鳥嘌呤CH3帽子結(jié)構(gòu)的生成o型帽子：N7-甲基鳥腺呤核苷酸部分，其符號為m7GpppX。是單細(xì)胞的真核生物（如酵母）的帽子類型1型帽子：在0型帽子的基礎(chǔ)上，在原轉(zhuǎn)錄物的第一個核苷酸的2’-OH位上發(fā)生甲基化，其符號為m7GpppXm。這是除了單細(xì)胞真核生物外的其余真核生物的主要帽子形式一mRNA加工阻止降解輸出標(biāo)記提高剪接提高翻譯RNA聚合酶II轉(zhuǎn)錄的RNA均在5’端加帽，這是RNA分子進(jìn)出細(xì)胞核的識別標(biāo)記5’帽結(jié)合蛋白涉及第一個內(nèi)含子剪接復(fù)合物的形成阻止細(xì)胞內(nèi)的RNase對RNA從5’端的攻擊，延長mRNA的半衰期帶帽后促進(jìn)5’帽結(jié)合蛋白識別，繼而才能接觸核糖體，沒帽的翻譯效率比加帽的mRNA低約20倍。mRNA的5’端“帽子”的功能1靠近mRNA3’端有一個加尾信號5’-AAUAAA-3’。2加尾信號下游10-30堿基處有一個5’-CA-3’二聯(lián)體3二聯(lián)體的后面有一段富含GU或U的序列3’端加尾3’端加上聚腺苷酸尾巴1可能與mRNA細(xì)胞核進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)的轉(zhuǎn)運有關(guān)。加poly(A)尾巴一般發(fā)生RNA拼接之前，但對于拼接作用并無太大的影響。但是相當(dāng)數(shù)量（占大約三分之一）的沒有poly(A)尾巴的mRNA如組蛋白mRNA，也可以照樣通過核膜而進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)。2可能保護(hù)mRNA，延長mRNA的壽命。3可能參與控制翻譯的效率。mRNA的3’端“加尾”的功能1.hnRNA和snRNA核內(nèi)的初級mRNA稱為核不均一RNA(heterogeneousnuclear,hnRNA)又叫pre-mRNAsnRNA(smallnuclearRNA)核內(nèi)的蛋白質(zhì)小分子核糖核酸蛋白體（剪接體,splicesome）snRNA一mRNA剪接真核生物結(jié)構(gòu)基因，由若干個編碼區(qū)和非編碼區(qū)互相間隔開但又連續(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)，這些基因稱為斷裂基因。斷裂基因(splitegene)CABD編碼區(qū)A、B、C、D非編碼區(qū)一mRNA加工2.外顯子(exon)和內(nèi)含子(intron)外顯子在斷裂基因及其初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物上出現(xiàn)，并表達(dá)為成熟RNA的核酸序列。內(nèi)含子隔斷基因的線性表達(dá)而在剪接過程中被除去的核酸序列。一mRNA加工雞卵清蛋白基因hnRNA首、尾修飾hnRNA剪接成熟的mRNA雞卵清蛋白基因及其轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后修飾一mRNA加工雞卵清蛋白成熟mRNA與DNA雜交電鏡圖DNAmRNA一mRNA加工mRNA的剪接DNA模板與hnRNA是完全配對的，而成熟的mRNA與hnRNA或DNA雜交都只是部分配對。因此真核生物的基因有斷裂性。3.內(nèi)含子的分類根據(jù)基因的類型和剪接的方式，通常把內(nèi)含子分為4類。I：主要存在于線粒體、葉綠體及某些低等真核生物的rRNA基因；II：也發(fā)現(xiàn)于線粒體、葉綠體，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物是mRNA；III：是常見的形成套索結(jié)構(gòu)后剪接，大多數(shù)mRNA基因有此類內(nèi)含子；IV：是tRNA基因及其初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物中的內(nèi)含子，剪接過程需酶及ATP。mRNA剪接CABD切哪里誰切怎么切連接呢1ABC如果酶來剪切，那么酶如何識別酶有沒有特異性，不同RNA要不同剪切酶嗎切除的RNA現(xiàn)狀存在還是環(huán)狀存在，命運如何23斷裂基因提出后不久，1978年crick提出一系列問題切哪里-識別形成套5種RNA和50多種蛋白質(zhì)參與誰切小分子RNA,

small

nuclear

RNAs,SnRNAs

<200ntU1

U2

U4

U5

U6稱作包含每種SnRNA和至少7種蛋白質(zhì)結(jié)合成5種小核糖核蛋白（顆粒）存在方式Small

nuclear

ribonucleo-protein

(particle),snRNP英文名稱snRNP為核心，加其他蛋白構(gòu)成剪切體作用方式——除去hnRNA中的內(nèi)含子，將外顯子連接。snRNP與hnRNA結(jié)合成為剪切體①mRNA剪接A3

U2snRNP與分支點配對置換BBP和U2AF，但U2只和分支點7個堿基中的6個配對，游離出一個A，且活化狀態(tài)1

BBP

(branch-point

binding

protein)和U2AF與分支點結(jié)合2

U1snRNP與5’端配對U6更容易和5’剪切位點結(jié)合，故置換U1。U4也排擠出剪切體U4/U6-U5復(fù)合物加入U6，U2形成特殊構(gòu)象，A-2’OH攻擊內(nèi)左OH親核攻擊外左外顯子連接內(nèi)含子套索含U一起，然后被降解BBP

(branch-point

binding

protein)和U2AF與分支點結(jié)合U1snRNP通過堿基互補方式識別mRNA前體5’剪接位點U2snRNP與分支點配對置換BBP和U2AF，但U2只和分支點7個堿基中的6個配對，游離出一個A，且活化狀態(tài)U4/U6-U5復(fù)合物加入U6更容易和5’剪切位點結(jié)合，故置換U1。U4也排擠出剪切體U6，U2形成特殊構(gòu)象，A-2’OH攻擊內(nèi)左OH親核攻擊外左內(nèi)含子5’端斷開前一個外顯子3’末端OH攻擊下后個外顯子的5末端前后外顯子的連接

ModificationresultinginthematuremRNAineukaryoticcells外顯子內(nèi)含子DNAmRNA轉(zhuǎn)錄形成套索RNA，外顯子靠近剪接體去除套索RNA，外顯子連接成熟mRNAmRNA的剪接成熟mRNA前mRNA3w1500一般28500成熟mRNA前mRNA20w1w凝血因子VIII基因19w成熟mRNA前mRNA200w1.6w杜興氏肌肉營養(yǎng)不良癥198wI型內(nèi)含子的自我剪接I型內(nèi)含子的自我剪接主要是轉(zhuǎn)酯反應(yīng)，即兩次磷酸二酯鍵的轉(zhuǎn)移。第一次轉(zhuǎn)酯反應(yīng)是由GTP,GDP,GMP,GM中鳥苷酸上的3’-OH作為親核基團(tuán)攻擊內(nèi)含子5’端的磷酸二酯鍵，從上游切開RNA鏈。第二次轉(zhuǎn)酯反應(yīng)是由上游外顯子的自由3’-OH作為親核基團(tuán)攻擊內(nèi)含子3’端的磷酸二酯鍵，將內(nèi)含子完全切除。II型內(nèi)含子的自我剪接II型內(nèi)含子的自我剪接同樣是發(fā)生兩次磷酸二酯鍵的轉(zhuǎn)移第一次轉(zhuǎn)酯反應(yīng)是由內(nèi)含子中腺苷酸上的2’-OH作為親核基團(tuán)攻擊內(nèi)含子5’端的磷酸二酯鍵，從上游切開RNA鏈。內(nèi)含子形成套索結(jié)構(gòu)。第二次轉(zhuǎn)酯反應(yīng)是由上游外顯子的自由3’-OH作為親核基團(tuán)攻擊內(nèi)含子3’端的磷酸二酯鍵，將內(nèi)含子完全切除。I型和II型內(nèi)含子剪接的比較01為什么先轉(zhuǎn)錄成內(nèi)含子，然后切除？02RNA拼接耗能巨大，收益是什么？03內(nèi)含子怎么來的？04為什么內(nèi)含子主要見于真核生物？05內(nèi)含子沒有生物學(xué)功能？Anythingthatcanhappendoeshappensomewhere.我們有3萬基因但10萬種蛋白質(zhì)，可以怎么實現(xiàn)？人典型基因3種剪接方式。故我們有3萬基因但10萬種蛋白質(zhì)。極端，果蠅一個gene3.8w多種剪接方式隨機事件導(dǎo)致染色體斷裂，相連的時候若在編碼序列？若在內(nèi)含子呢？可變剪接進(jìn)化0102030405內(nèi)含子剪接的生物學(xué)意義進(jìn)化調(diào)節(jié)起源真核編碼大概半數(shù)gene外顯子和和pro結(jié)構(gòu)域或亞基等對應(yīng)。例如，血紅蛋白3個外顯子，對應(yīng)其四個亞基豆血紅蛋白4個外顯子和4個亞基完全對應(yīng)外顯子內(nèi)含子外顯子內(nèi)含子蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域亞基0102030405內(nèi)含子剪接的生物學(xué)意義進(jìn)化調(diào)節(jié)起源真核編碼可以通過選擇剪接控制不同發(fā)育階段或不同組織的gene表達(dá)0102030405內(nèi)含子剪接的生物學(xué)意義進(jìn)化調(diào)節(jié)起源真核編碼I自我拼接，分布極廣。II自我拼接。III真核生物最多的剪接形式。IV核內(nèi)tRNA，應(yīng)該在真核前35177-100102030405內(nèi)含子剪接的生物學(xué)意義進(jìn)化調(diào)節(jié)起源真核編碼主要見于真核生物，原核生物可能為了快速生長拋棄了內(nèi)含子。隨機事件導(dǎo)致染色體斷裂，相連的時候若發(fā)生在內(nèi)含子？如果發(fā)生在編碼序列？促進(jìn)新蛋白質(zhì)的合成，新舊蛋白并存利于機體長時間自然選擇，有益的固定。0102030405內(nèi)含子剪接的生物學(xué)意義進(jìn)化調(diào)節(jié)起源真核編碼外顯子內(nèi)含子是相對的I有的編碼核酸內(nèi)切酶，可以轉(zhuǎn)座II有的編碼核酸內(nèi)切酶或逆轉(zhuǎn)錄酶，協(xié)助內(nèi)含子專一。有些核仁小RNA由內(nèi)含子產(chǎn)生真核和原核生物轉(zhuǎn)錄比較共同點不同點模板原料大致過程連接方式配對方式產(chǎn)物發(fā)生位置RNA聚合酶RNA聚合酶的作用方式啟動子順式作用元件反式作用因子延長過程終止過程產(chǎn)物終止后加工RNA編輯作用說明，基因的編碼序列經(jīng)過轉(zhuǎn)錄后加工，是可有多用途分化的，因此也稱為分化加工(differentialRNAprocessing)。人類apoB基因mRNA（14500個核苷酸）肝臟apoB100（分子量為500000）腸道細(xì)胞apoB48（分子量為240000）mRNA編輯為什么mRNA可以不必太多3%-5%，而rRNA相對要對原核生物mRNA幾乎不需要編輯，就可以進(jìn)行翻譯但rRNA和tRNA前體需要加工。原核生物rRNA轉(zhuǎn)錄后的加工大腸桿菌共有三種rRNA，5SrRNA、16SrRNA和23SrRNA。3種rRNA基因和1個tRNA基因組成一個操縱子tRNA數(shù)量種類和位置都可能變化，但三種rRNA十分保守。真核細(xì)胞有4種rRNA，其中一種為5SrRNA，幾乎不需要加工。其余3種（18S，5.8S和28SrRNA）轉(zhuǎn)錄為一條rRNA前體。前體含有18S，5.8S，和28SrRNA序列各一個拷貝45S前體rRNA修飾酶RNA聚合酶IrRNA修飾酶小分子核仁RNA（smallnucleolarRNA,snoRNA)由什么構(gòu)成蛋白質(zhì)1.獨立基因編碼2.編碼核糖體蛋白的mRNA前體剪切下的內(nèi)含子來源四膜蟲rRNA的結(jié)構(gòu)四膜蟲rRNA內(nèi)含子的二級結(jié)構(gòu)四膜蟲rRNA的剪接采用自我剪接方式5′-端核苷酸序列與mRNA和rRNA剪接不同，負(fù)責(zé)tRNA加工的酶全是蛋白質(zhì)構(gòu)成。tRNA前體RNApolⅢTGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNA真核生物tRNA的轉(zhuǎn)錄后加工RNaseDRNaseP切除核酸內(nèi)切酶tRNA連接酶甲基化還原等稀有堿基修飾tRNA的轉(zhuǎn)錄后加工16個核苷酸的5’端前導(dǎo)區(qū)14個核苷酸的內(nèi)含子3’端2個額外的核苷酸四個亞基組成的核酸內(nèi)切酶切除內(nèi)含子（藍(lán)色部分）tRNA核苷酸轉(zhuǎn)移酶、連接酶ADPATPtRNA的轉(zhuǎn)錄后加工堿基修飾（2）還原反應(yīng)如：UDHU（3）核苷內(nèi)的轉(zhuǎn)位反應(yīng)如：Uψ（4）脫氨反應(yīng)如：AI如：AAm（1）甲基化（1）（1）（3）（2）（4）核酶(ribozyme)核酶：本質(zhì)為RNA或以RNA為主含有蛋白質(zhì)輔基的一類物質(zhì)最簡單的核酶呈槌頭結(jié)構(gòu)。核糖核酸（ribonucleicacid）酶（enzyme）一般的酶是純的蛋白質(zhì)，而核酶是但和酶又有區(qū)別，主要表現(xiàn)在兩個方面：①一般的酶是純的蛋白質(zhì)，而核酶是RNA或帶有蛋白的RNA。②核酶既是催化劑又是底物，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，本身也消失了。而酶卻不同，僅催化反應(yīng)，反應(yīng)前后其本身的質(zhì)和量都不發(fā)生改變。01核苷酸轉(zhuǎn)移作用02水解反應(yīng)，即磷酸二酯酶作用03磷酸轉(zhuǎn)移反應(yīng)，類似磷酸轉(zhuǎn)移酶作用04RNA內(nèi)切反應(yīng)，即RNA限制性內(nèi)切酶作用05催化水解多核苷酸內(nèi)部的磷酸二酯鍵大多數(shù)核酶通過催化轉(zhuǎn)酯反應(yīng)和磷酸二酯鍵水解反應(yīng)，參與RNA自身剪切、加工過程。與蛋白質(zhì)酶相比，核酶的催化效率較低，是一種較為原始的催化酶。核酶的功能錘頭狀核酶長約58個核苷酸，由三個局部堿基配對的莖區(qū)、兩個單鏈區(qū)和突出的核苷酸構(gòu)成。該酶可分為3個部分，中間是以單鏈形式存在的13個保守核苷酸組成的催化核心，兩側(cè)的莖區(qū)為可變序列，共同組成特異性序列