生物化學(xué)第14章 RNA的生物合成(轉(zhuǎn)錄)

DNAReplicationRNAReplicationReverseTranscriptionProteinTranslationTranscriptionCentraldogma2023/2/18第十四章RNA的生物合成（轉(zhuǎn)錄）RNABiosynthesis,Transcription2023/2/18轉(zhuǎn)錄(transcription)DNA指導(dǎo)下RNA的生物合成。

轉(zhuǎn)錄RNADNA

2023/2/18復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的區(qū)別A-U，T-A，G-CA-T，G-C配對(duì)mRNA，tRNA，rRNA子代雙鏈DNA（半保留復(fù)制）產(chǎn)物RNA聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶酶NTPdNTP原料模板鏈轉(zhuǎn)錄（不對(duì)稱轉(zhuǎn)錄）兩股鏈均復(fù)制模板轉(zhuǎn)錄復(fù)制A-U，T-A，G-CA-T，G-C配對(duì)mRNA，tRNA，rRNA子代雙鏈DNA（半保留復(fù)制）產(chǎn)物RNA聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶酶NTPdNTP原料模板鏈轉(zhuǎn)錄（不對(duì)稱轉(zhuǎn)錄）兩股鏈均復(fù)制模板轉(zhuǎn)錄復(fù)制引物需要不需要加工與修飾不需要需要2023/2/18參與轉(zhuǎn)錄的物質(zhì)原料:

NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)模板:

DNA酶:

RNA聚合酶(RNApolymerase,RNA-pol)其他蛋白質(zhì)因子2023/2/18DNA指導(dǎo)的RNA合成——轉(zhuǎn)錄體系第一節(jié)2023/2/18一、RNA聚合酶（一）原核生物的RNA聚合酶a40000與啟動(dòng)子上游元件和活化因子結(jié)合b155000催化中心b￠160000結(jié)合DNA模板s32000~92000識(shí)別啟動(dòng)子促進(jìn)轉(zhuǎn)錄的起始亞基分子量功能2023/2/18σ因子2023/2/18核心酶(coreenzyme)全酶(holoenzyme)2023/2/18RNA聚合酶全酶在轉(zhuǎn)錄起始區(qū)的結(jié)合2023/2/18（二）真核生物的RNA聚合酶種類ⅠⅡⅢ對(duì)鵝膏蕈堿的反應(yīng)45S-rRNAhnRNA5S-rRNAtRNAsnRNA不敏感極敏感中度敏感轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物snRNA2023/2/18真核生物的RNA聚合酶Ⅱ沒(méi)有因子這樣的存在，必須借助各種轉(zhuǎn)錄因子啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄。核心亞基：CTD（羧基末端結(jié)構(gòu)域）磷酸化與去磷酸化2023/2/18二、轉(zhuǎn)錄模板DNA分子上轉(zhuǎn)錄出RNA的區(qū)段，稱為結(jié)構(gòu)基因(structuralgene)。DNA雙鏈中的某一基因轉(zhuǎn)錄時(shí)作為有效轉(zhuǎn)錄模板的一股單鏈，稱為模板鏈(templatestrand)，也稱作反義鏈或負(fù)鏈，按堿基配對(duì)規(guī)律能指引轉(zhuǎn)錄生成RNA。相對(duì)的另一股單鏈?zhǔn)蔷幋a鏈(codingstrand)，也稱為有意義鏈或正鏈。2023/2/185′···GCAGTACATGTC···3′3′···cgtgatgtacag···5′5′···GCAGUACAUGUC···3′N······Ala·Val·His·Val······C編碼鏈模板鏈mRNA蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄翻譯2023/2/18不對(duì)稱轉(zhuǎn)錄(asymmetrictranscription)

1.在DNA分子雙鏈上某一區(qū)段，一股鏈用作模板指引轉(zhuǎn)錄，另一股鏈不轉(zhuǎn)錄；2.模板鏈并非永遠(yuǎn)在同一條單鏈上。

2023/2/185335模板鏈編碼鏈編碼鏈模板鏈結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄方向轉(zhuǎn)錄方向2023/2/18（一）、啟動(dòng)子原核生物一個(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。

5335結(jié)構(gòu)基因調(diào)控序列RNA-polRNA聚合酶識(shí)別、結(jié)合和開(kāi)始轉(zhuǎn)錄的一段DNA序列，稱為啟動(dòng)子(promoter)。2023/2/18RNA聚合酶保護(hù)法目錄2023/2/18開(kāi)始轉(zhuǎn)錄TTGACAAACTGT-35區(qū)

結(jié)合部位

TATA盒又稱PribnowboxTATAATATATTA-10區(qū)1-30-5010-10-40-205335原核生物啟動(dòng)子保守序列RNA-pol識(shí)別部位55RNA聚合酶保護(hù)區(qū)結(jié)構(gòu)基因33G或A，以G為多見(jiàn)起始部位2023/2/18大腸桿菌中部分啟動(dòng)子上的一致順序2023/2/18-25，TATA盒，Hognessbox-70，CAAT盒GC盒

增強(qiáng)子

順式作用元件

結(jié)構(gòu)基因-GCGC---CAAT---TATA轉(zhuǎn)錄起始真核生物啟動(dòng)子保守序列（1）上游啟動(dòng)序列啟動(dòng)子決定了被轉(zhuǎn)錄基因的啟動(dòng)頻率與精確性，在序列中的位置和方向是嚴(yán)格固定的。2023/2/18（2）轉(zhuǎn)錄因子真核生物的啟動(dòng)子由轉(zhuǎn)錄因子而不是RNA聚合酶所識(shí)別的。多種轉(zhuǎn)錄因子和RNA聚合酶形成轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物，啟動(dòng)和促進(jìn)轉(zhuǎn)錄。轉(zhuǎn)錄因子可分為三型：通用因子上游因子可誘導(dǎo)因子2023/2/18（二）、終止子是指提供轉(zhuǎn)錄終止信號(hào)的DNA序列真核生物的轉(zhuǎn)錄終止與轉(zhuǎn)錄后的加工修飾有關(guān)原核生物RNA轉(zhuǎn)錄終止子有兩類：依賴Rho(ρ)因子的轉(zhuǎn)錄終止非依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止2023/2/18轉(zhuǎn)錄過(guò)程TheProcessofTranscription

第二節(jié)2023/2/18（一）轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始需解決兩個(gè)問(wèn)題：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。一、原核生物的轉(zhuǎn)錄過(guò)程2023/2/182.DNA雙鏈解開(kāi)1.RNA聚合酶全酶(2)與模板結(jié)合3.在RNA聚合酶作用下發(fā)生第一次聚合反應(yīng)，形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物RNApol(2)-DNA-pppGpN-OH3轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物:5-pppG-OH+

NTP5-pppGpN

-OH3+ppi轉(zhuǎn)錄起始過(guò)程轉(zhuǎn)錄起始不需要引物，起始點(diǎn)處兩個(gè)與模板配對(duì)的相鄰核苷酸，在RNA-pol催化下形成磷酸二酯鍵。2023/2/18（二）轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)1.亞基脫落，RNA–pol聚合酶核心酶變構(gòu)，與模板結(jié)合松弛，沿著DNA模板前移；

2.在核心酶作用下，NTP不斷聚合，RNA鏈不斷延長(zhǎng)。(NMP)n

+

NTP(NMP)n+1

+PPi2023/2/18轉(zhuǎn)錄空泡(transcriptionbubble)：RNA-pol（核心酶）

····DNA

····RNA目錄2023/2/18目錄2023/2/18依賴Rho(ρ)因子的轉(zhuǎn)錄終止非依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止（三）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)。分類2023/2/181.依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止Rho因子：控制轉(zhuǎn)錄終止的蛋白質(zhì)，對(duì)RNA中polyC的結(jié)合能力強(qiáng)，具有ATP酶活性和解螺旋酶活性。作用方式：當(dāng)RNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物出現(xiàn)終止信號(hào)polyC時(shí)，Rho因子與RNA結(jié)合，使RNA聚合酶和Rho因子發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，停止轉(zhuǎn)錄，RNA鏈從轉(zhuǎn)錄復(fù)合物中釋放。2023/2/18依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止2023/2/182.非依賴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。2023/2/18GA

CCGCCGCU

GGCGGCAUUUU-OH3’5’UUC

G

G5’…GCCGCCAGUUCGGCUGGCGGCAUUUU…3’RNA5’…GCCGCCAGTTCGGCTGGCGGCATTTT…3’terminatorTheRNAmadefromtheDNApalindromeisself-complementaryandsoformedainternalhairpinstructurefollowedbyafewUbases.Thesignalsthatterminatestranscri-ptionarelocalizedinthegene3’end.AsimpleterminationsignalisaGC-richregionthatisapalindrome,followedbyAT-richsequence.DNA342023/2/18莖環(huán)結(jié)構(gòu)使轉(zhuǎn)錄終止的機(jī)理

使RNA聚合酶變構(gòu)，轉(zhuǎn)錄停頓；使轉(zhuǎn)錄復(fù)合物趨于解離，RNA產(chǎn)物釋放。5′pppG5335RNA-pol2023/2/18

processoftranscriptioninprokaryote5’5’25’35’pppG5’45’pppGN5’55’75’pppGmRNA5’5’pppG5’61’362023/2/1853DNA原核生物轉(zhuǎn)錄過(guò)程中的羽毛狀現(xiàn)象核糖體RNARNA聚合酶2023/2/18二、真核生物的轉(zhuǎn)錄起始（一）轉(zhuǎn)錄起始真核生物的轉(zhuǎn)錄起始上游區(qū)段比原核生物多樣化，轉(zhuǎn)錄起始時(shí)，RNA-pol不直接結(jié)合模板，由轉(zhuǎn)錄因子來(lái)識(shí)別起始部位，其起始過(guò)程比原核生物復(fù)雜。2023/2/18轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)TATA盒CAAT盒GC盒

增強(qiáng)子順式作用元件(cis-actingelement)1.

轉(zhuǎn)錄起始前的上游區(qū)段AATAAA切離加尾轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn)修飾點(diǎn)外顯子翻譯起始點(diǎn)內(nèi)含子OCT-1OCT-1：ATTTGCAT八聚體2023/2/182.

轉(zhuǎn)錄因子能直接、間接辨認(rèn)和結(jié)合轉(zhuǎn)錄上游區(qū)段DNA的蛋白質(zhì)，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)數(shù)百種，統(tǒng)稱為反式作用因子(trans-actingfactors)。反式作用因子中，直接或間接結(jié)合RNA聚合酶的，則稱為轉(zhuǎn)錄因子(transcriptionalfactors,TF)。2023/2/18參與RNA-polⅡ轉(zhuǎn)錄的TFⅡ

蛋白激酶活性，使CTD磷酸化TFⅡH結(jié)合RNA-polⅡ和TFⅡ

B57（a）34（b）TFⅡE30，74TFⅡF促進(jìn)RNA-polⅡ結(jié)合及作為其他因子結(jié)合的橋梁33TFⅡB穩(wěn)定TFⅡD-DNA復(fù)合物12，19，35TFⅡA輔助TBP-DNA結(jié)合TAF**結(jié)合TATA盒TBP*38TFⅡD功能亞基組成，分子量(kD)轉(zhuǎn)錄因子蛋白激酶活性，使CTD磷酸化TFⅡH57（a）34（b）TFⅡE解螺旋酶ATPase30，74TFⅡF促進(jìn)RNA-polⅡ結(jié)合及作為其他因子結(jié)合的橋梁33TFⅡB穩(wěn)定TFⅡD-DNA復(fù)合物12，19，35TFⅡA輔助TBP-DNA結(jié)合TAF**結(jié)合TATA盒TBP*38TFⅡD功能亞基組成，分子量(kD)轉(zhuǎn)錄因子2023/2/183.轉(zhuǎn)錄起始前復(fù)合物(pre-initiationcomplex,PIC)

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。2023/2/18POL-ⅡTFⅡFⅡAⅡB由RNA-PolⅡ催化轉(zhuǎn)錄的PICPOL-ⅡTFⅡFⅡHⅡETBPTAFTFⅡD-ⅡA-ⅡB-DNA復(fù)合物TATAⅡAⅡBTBPTAFTATAⅡHⅡECTD-PPIC組裝完成，TFⅡH使CTD磷酸化2023/2/184.模板理論(piecingtheory)一個(gè)真核生物基因的轉(zhuǎn)錄需要3至5個(gè)轉(zhuǎn)錄因子。轉(zhuǎn)錄因子之間互相結(jié)合，生成有活性，有專一性的復(fù)合物，再與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。2023/2/18（二）轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)真核生物轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)過(guò)程與原核生物大致相似，但因有核膜相隔，沒(méi)有轉(zhuǎn)錄與翻譯同步的現(xiàn)象。RNA-pol前移處處都遇上核小體。轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)過(guò)程中可以觀察到核小體移位和解聚現(xiàn)象。2023/2/18RNA-PolRNA-PolRNA-Pol核小體轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)中的核小體移位轉(zhuǎn)錄方向2023/2/185------AAUAAA-5------AAUAAA--核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAAGTGTGTG轉(zhuǎn)錄終止的修飾點(diǎn)55333加尾AAAAAAA······3mRNA（三）轉(zhuǎn)錄終止——

和轉(zhuǎn)錄后修飾密切相關(guān)。2023/2/18第三節(jié)

RNA的轉(zhuǎn)錄后加工2023/2/18幾種主要的加工方式1.剪接(splicing)2.剪切(cleavage)3.

修飾(modification)4.

添加(addition)5.RNA編輯(RNAediting)2023/2/18原核生物中RNA的加工原核生物中rRNA前體的加工原核生物中tRNA前體的加工原核生物中mRNA前體的加工2023/2/18真核生物中RNA的加工真核生物中rRNA前體的加工真核生物中tRNA前體的加工真核生物中mRNA前體的加工2023/2/18（一）真核生物中的rRNA基因真核生物的rRNA基因?qū)儆谪S富基因族的DNA序列,每個(gè)基因又被不能轉(zhuǎn)錄的基因間隔分段隔開(kāi)。真核生物內(nèi)是一種45S的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物，通過(guò)剪切形成18SrRNA、5.8SrRNA、28SrRNA，成熟后，與核糖體蛋白質(zhì)形成核糖體，輸出胞漿。2023/2/18（一）、真核生物中rRNA前體的加工轉(zhuǎn)錄45S-rRNA剪接18S-rRNA5.8S和28S-rRNArDNA內(nèi)含子內(nèi)含子28S5.8S18S2023/2/18(二)、tRNA前體的加工tRNA前體RNApolⅢTGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNA目錄2023/2/18RNAaseP、內(nèi)切酶目錄2023/2/18tRNA核苷酸轉(zhuǎn)移酶、連接酶ATPADP目錄2023/2/18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）目錄2023/2/18（三）、真核生物mRNA前體的加工1、首、尾的修飾5端形成帽子結(jié)構(gòu)(m7GpppGp—)3端加上多聚腺苷酸尾巴(polyAtail)2023/2/18帽子結(jié)構(gòu)2023/2/185pppGp…5GpppGp…pppGppi鳥(niǎo)苷酸轉(zhuǎn)移酶5

m7GpppGp…甲基轉(zhuǎn)移酶SAM帽子結(jié)構(gòu)的生成5ppGp…磷酸酶Pi2023/2/18真核生物mRNA的帽子結(jié)構(gòu)

2023/2/18真核生物mRNA帽子結(jié)構(gòu)的功能為核糖體對(duì)mRNA識(shí)別提供信號(hào)增加mRNA的穩(wěn)定性：免遭核酸酶的破壞2023/2/18功能細(xì)胞核→細(xì)胞質(zhì)增加mRNA在細(xì)胞質(zhì)中的穩(wěn)定性3端加上多聚腺苷酸尾巴(polyAtail)2023/2/182、mRNA的剪接(1).

hnRNA

和snRNA核內(nèi)的初級(jí)mRNA稱為雜化核RNA(hetero-nuclearRNA,hnRNA)snRNA(smallnuclearRNA)核內(nèi)的蛋白質(zhì)小核核糖核酸蛋白體（并接體,splicesome）snRNA2023/2/18真核生物結(jié)構(gòu)基因，由若干個(gè)編碼區(qū)和非編碼區(qū)互相間隔開(kāi)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)2023/2/18(2).外顯子(exon)和內(nèi)含子(intron)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)含子隔斷基因的線性表達(dá)而在剪接過(guò)程中被除去的核酸序列。2023/2/18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)錄后修飾目錄2023/2/18雞卵清蛋白成熟mRNA與DNA雜交電鏡圖DNAmRNA目錄2023/2/18(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(jiàn)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(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物中的內(nèi)含子，剪接過(guò)程需酶及ATP。2023/2/18(4).mRNA的剪接——除去hnRNA中的內(nèi)含子，將外顯子連接。snRNP與hnRNA結(jié)合成為并接體①目錄