RNA生物合成課件

第十四章RNA的生物合成—轉(zhuǎn)錄第一節(jié)概述第二節(jié)DNA指導(dǎo)下RNA的合成第三節(jié)原核生物RNA轉(zhuǎn)錄后的加工第三節(jié)真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄過程第四節(jié)催化活性RNA—核酶及其功能第一節(jié)概述1、概念及DNA的模板鏈和編碼鏈5、轉(zhuǎn)錄的特點(diǎn)2、RNA聚合酶及催化特點(diǎn)3、DNA模板上的啟動(dòng)子4、終止子和終止因子轉(zhuǎn)錄的概念和DNA的模板鏈和編碼鏈

轉(zhuǎn)錄：是在DNA指導(dǎo)下的RNA聚合酶的催化下，按照堿基配對(duì)的原則，以四種核苷酸為原料合成一條與模板DNA互補(bǔ)的RNA的過程。RNA的轉(zhuǎn)錄從DNA模板的特定位點(diǎn)開始，該部位稱為轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)（startpoint），而終止于模板上的特殊順序，稱之為終止子（terminator）或終止位點(diǎn)（terminationsite）。

基因的本義是指負(fù)責(zé)編碼一條多肽鏈的DNA片段。后來發(fā)現(xiàn)，有的基因只轉(zhuǎn)錄成RNA（如tRNA或rRNA）而不編碼多肽鏈，所以，基因的確切定義應(yīng)是：被轉(zhuǎn)錄成RNA的DNA片段。將負(fù)責(zé)編碼蛋白質(zhì)多肽鏈的DNA片段稱為結(jié)構(gòu)基因（structuralgene）。一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位可以是單個(gè)基因——單順反子（monocistron），也可以是多個(gè)基因——多順反子（polycistron）。5′3′

肽1肽2肽3肽4原核細(xì)胞mRNAAUGACGCUGGUGCAGUAA……5′3′帽子尾巴一條肽真核細(xì)胞mRNA真核細(xì)胞mRNA的編碼序列只指導(dǎo)一條肽鏈的合成，稱為單順反子mRNA。原核細(xì)胞mRNA的編碼序列可指導(dǎo)幾條肽鏈的合成，稱為多順反子mRNA。209頁(yè)（啟動(dòng)子）210頁(yè)（終止子）結(jié)構(gòu)基因模板鏈:DNA鏈中被轉(zhuǎn)錄的一條鏈稱模板鏈或負(fù)（-）鏈；非編碼鏈。

編碼鏈:與模板鏈互補(bǔ)的DNA鏈稱為非模板鏈或正（+）鏈。他與從基因上轉(zhuǎn)錄的RNA在堿基序列上是一致的，只是DNA中用T代替了U，故又稱編碼鏈。5′3′3′3′5′5′DNARNA轉(zhuǎn)錄方向模板鏈編碼鏈RNA聚合酶（RNApolymerase）是在1960年分別由L.Hurwitz和S.weiss發(fā)現(xiàn)。

（1）全酶由多亞基組成，α2ββ’σ稱為全酶。識(shí)別轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)并參與解鏈。

（2）α2ββ’稱為核心酶，負(fù)責(zé)RNA鏈的延長(zhǎng)。

σ因子功能識(shí)別并結(jié)合啟動(dòng)子。

RNA聚合酶1.概念大腸桿菌RNA聚合酶的結(jié)構(gòu)示意圖核心酶(α2ββ)起始因子β——和模板DNA結(jié)合β——與底物結(jié)合α——酶的連接、裝配全酶(αββ)

（1）模板：DNA

（2）活化的底物有四種三磷酸核苷酸—ATP、GTP、UTP、CTP

（3）二價(jià)的金屬離子，主要是Mg+2、Mn+2

RNA聚合酶合成的方向5’→3’，即RNA聚合酶沿模板鏈3’→5’方向移動(dòng)。合成一條與被轉(zhuǎn)錄的DNA互補(bǔ)和反平行的RNA鏈。2.RNA聚合酶的催化特點(diǎn)RNA聚合酶催化的反應(yīng)ACGACGUU模板DNA5′3′5′3′新合成RNA1.概念能夠被RNA聚合酶識(shí)別并與之結(jié)合，從而調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄與否及轉(zhuǎn)錄強(qiáng)度的一段大小為20~200bp的DNA序列，稱之為啟動(dòng)子（promoter）。

DNA模板上的啟動(dòng)子

目前已知的全部原核生物基因及絕大部分真核生物基因的啟動(dòng)子位于轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)的上游序列中，只有真核生物RNA聚合酶III的啟動(dòng)子位于轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)的下游序列中。

對(duì)于大多數(shù)啟動(dòng)子來說，在上游-35bp附近存在一段共有序列（consensussequence）：TTGACA，RNA聚合酶的σ亞基識(shí)別該序列并使核心酶與啟動(dòng)子結(jié)合，故又稱-35序列，為RNA聚合酶的識(shí)別位點(diǎn)；

-10序列又叫Pribnow盒（Pribnowbox），其共有序列為TATAAT，是RNA聚合酶與之牢固結(jié)合并將DNA雙鏈打開的部位，即結(jié)合位點(diǎn)，形成所謂的開放性啟動(dòng)子復(fù)合物。大腸桿菌啟動(dòng)子共有序列的功能××AGTCTTGACA××××××××××××××××××AAT××××××××××××××TTAAAT××××××AACTGT××××AAT××××××××××××××××Pribnow框-10-35識(shí)別區(qū)16-19bp5-9bp起點(diǎn)-10區(qū)：雙螺旋打開形成開放啟動(dòng)復(fù)合物的區(qū)域。

-35區(qū)：?jiǎn)?dòng)子不僅控制著轉(zhuǎn)錄起始的序列，并決定著某一基因的表達(dá)強(qiáng)度（-35區(qū)），啟動(dòng)子分為強(qiáng)啟動(dòng)子和弱啟動(dòng)子。DNA聚合酶和啟動(dòng)子親和力高，轉(zhuǎn)錄效率高，具有強(qiáng)啟動(dòng)子的基因被頻繁轉(zhuǎn)錄，而弱啟動(dòng)子的基因很少轉(zhuǎn)錄。不依賴于ρ因子的終止子的回文結(jié)構(gòu)A.不依賴于Rho（）的終止子富含G-C系列U合成的RNA尾部的序列特征：

①二重對(duì)稱的序列形成發(fā)卡結(jié)構(gòu)；在發(fā)卡結(jié)構(gòu)的莖基部富含G-C對(duì)；發(fā)卡結(jié)構(gòu)可減緩或暫停合成；②尾部有約6個(gè)連續(xù)的（模板鏈上是一串A）U；當(dāng)RNA轉(zhuǎn)錄物生產(chǎn)后，發(fā)卡結(jié)構(gòu)立即形成，迫使聚合酶停止作用。1.以DNA為模板酶促合成RNA；

RNA聚合酶必須以雙鏈DNA中的一條鏈（或單鏈DNA）為模板，按照A與U、G與C配對(duì)的原則，將4種核糖核苷酸（NTP）以3′,5′-磷酸二酯鍵的方式聚合起來。轉(zhuǎn)錄的特點(diǎn)2.DNA雙鏈中只有一條鏈被轉(zhuǎn)錄成RNA；

不對(duì)稱轉(zhuǎn)錄：以DNA一股鏈為模板轉(zhuǎn)錄RNA的方式。在DNA鏈上編碼鏈和模板鏈?zhǔn)窍鄬?duì)的，在同一DNA分子上的某些部分基因以這條鏈作模板，而在另一區(qū)域別的基因中則以該DNA分子另一條鏈為模板——不對(duì)稱性轉(zhuǎn)錄。

3.轉(zhuǎn)錄的方向?yàn)?′→3′。

在σ亞基的幫助下，RNA聚合酶識(shí)別并結(jié)合到啟動(dòng)子上，RNA聚合酶以全酶的形式辨認(rèn)DNA啟動(dòng)子。

注意:核心酶不能識(shí)別啟動(dòng)子。

σ亞基的主要作用:促進(jìn)RNA聚合酶識(shí)別啟動(dòng)子順序,還參與促使DNA雙螺旋打開并以其中的一條鏈作為模板進(jìn)行轉(zhuǎn)錄。模板的識(shí)別

σ亞基識(shí)別-35序列并與核心酶一起結(jié)合在啟動(dòng)子上。RNA聚合酶與-10序列牢固結(jié)合并將DNA雙鏈打開，形成開放性啟動(dòng)子復(fù)合物，RNA的轉(zhuǎn)錄開始。

當(dāng)形成新RNA的第一個(gè)磷酸二酯鍵后，σ亞基即由全酶中解離出來，由核心酶繼續(xù)進(jìn)行轉(zhuǎn)錄。

轉(zhuǎn)錄的起始全酶的作用：選擇起始部位并啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄核心酶的作用：延長(zhǎng)RNA鏈4.

RNA鏈的延伸是在轉(zhuǎn)錄鼓泡上進(jìn)行的。

在轉(zhuǎn)錄泡里，新合成的RNA與模板DNA形成雜交雙鏈，長(zhǎng)約12bp，核心酶始終與DNA的編碼鏈結(jié)合，使雙鏈DNA約有17bp被解開。

在整個(gè)延伸過程中，轉(zhuǎn)錄泡的大小始終保持不變，即在核心酶向前移動(dòng)時(shí)，前面的雙股螺旋逐漸打開，轉(zhuǎn)錄過后的區(qū)域則又重新形成雙螺旋，二者的速度相同，直至轉(zhuǎn)錄完成。RNA鏈的延伸圖解3′5′RNA-DNA雜交螺旋聚合酶的移動(dòng)方向新生RNA復(fù)鏈解鏈有義鏈模板鏈（反義鏈）延長(zhǎng)部位RNA聚合酶（全酶）啟動(dòng)子DNA終止子5′5′3′3′RNARNA聚合酶（核心酶）再與RNA聚合酶結(jié)合起始終止延長(zhǎng)（過程）1.

停止RNA鏈延長(zhǎng)；2.新生RNA鏈釋放；3.RNA聚合酶從DNA上釋放。當(dāng)RNA聚合酶沿DNA模板移動(dòng)到基因3′-端的終止子序列（即發(fā)夾結(jié)構(gòu)）時(shí)，轉(zhuǎn)錄就停止了。轉(zhuǎn)錄的終止RNA合成過程起始雙鏈DNA局部解開磷酸二酯鍵形成終止階段解鏈區(qū)到達(dá)基因終點(diǎn)延長(zhǎng)階段53RNA

啟動(dòng)子（promoter)

終止子(terminator)5RNA聚合酶5353553離開mRNA的加工rRNA的加工tRNA的加工第三節(jié)原核生物RNA轉(zhuǎn)錄后的加工許多轉(zhuǎn)錄生成的RNA需經(jīng)加工后才能成為有功能的RNA分子。（一）mRNA的加工

原核生物轉(zhuǎn)錄生成的mRNA基本上不經(jīng)加工即可進(jìn)行蛋白質(zhì)的生物合成。許多原核生物的mRNA是在轉(zhuǎn)錄尚未完成之前就已開始翻譯了。也就是說，轉(zhuǎn)錄與翻譯是偶聯(lián)在一起的。

rRNA前體合成后與蛋白質(zhì)結(jié)合，形成新生核糖體顆粒，再經(jīng)過一系列的加工過程，生成有功能的核糖體。

在原核生物中，成熟rRNA包括三種，即16S，23S和5SrRNA。

在大腸桿菌中，這三種rRNA的基因形成一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位，其中還包含一個(gè)或多個(gè)tRNA基因，它們之間由間隔區(qū)分開。（二）rRNA的加工原核生物中rRNA前體的加工

甲基化作用專一核酸外切酶30S前體17StRNA25S專一核酸外切酶16SrRNAtRNA23SrRNA5S

rRNA專一核酸外切酶

tRNA的種類比rRNA多，在原核生物中有30-40種，在真核生物中有50-60種。

原核生物中的tRNA基因是與rRNA基因串聯(lián)在一起排列的。有的在rRNA基因的間隔區(qū)中，有的在該轉(zhuǎn)錄單位的末端。

（三）tRNA的加工tRNA前體分子的加工a、切除tRNA前體兩端多余的序列：5’—端切除幾到10個(gè)核苷酸。b、末端添加：3’-端添加CCA序列。c、修飾：形成稀有堿基如DH2。RNAasePRNAaseFRNAasePRNAaseFRNAaseDRNAaseDACC表示核酸內(nèi)切酶的作用表示核苷酸轉(zhuǎn)移酶的作用表示核酸外切酶的作用

表示異構(gòu)化酶的作用

早轉(zhuǎn)錄本成熟tRNA加工酵母酪氨酸t(yī)RNA前體的加工1.初始轉(zhuǎn)錄物自身就有-CCA，它們位于成熟tRNA序列與3′端附加序列之間，經(jīng)轉(zhuǎn)錄后加工切除掉附加序列，-CCA便暴露出來；

2.其自身并無-CCA序列，是在切除3′端附加序列后，由tRNA核苷酰轉(zhuǎn)移酶（nucleotidyltransferase）催化，并由CTP與ATP供給胞苷?；c腺苷酰基聚合而成的。

3.tRNA中含有大量修飾成分，還要通過各種不同的修飾酶進(jìn)行修飾，才能成為成熟的tRNA分子。關(guān)于tRNA3′-末端-CCA的來源

真核生物RNA聚合酶的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，都是多亞基的，通常有6-10個(gè)亞基組成，亞基有4-6種。

真核細(xì)胞中有3種RNA聚合酶

RNA聚合酶I：轉(zhuǎn)錄rRNA；

RNA聚合酶II：轉(zhuǎn)錄mRNA；

RNA聚合酶III：轉(zhuǎn)錄tRNA。第四節(jié)真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄過程一、真核生物RNA聚合酶

二、真核啟動(dòng)子

了解三、真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄過程

了解

四、mRNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1977年發(fā)現(xiàn)大多數(shù)真核生物編碼蛋白質(zhì)的基因是不連續(xù)基因（斷裂基因），即一個(gè)完整的基因被一個(gè)或多個(gè)插入的片段所間隔，這些插入不編碼的序列稱為內(nèi)含子，被間隔的編碼蛋白質(zhì)的基因部分稱為外顯子。外顯子被內(nèi)含子隔列成若干片段，稱為斷裂基因或隔裂基因。即核不均RNA（

hnRNA）。

hnRNA經(jīng)轉(zhuǎn)錄后加工才能轉(zhuǎn)變?yōu)槌墒斓膍RNA，即加尾帶帽。大多數(shù)真核成熟的mRNA分子特點(diǎn)：A.具有典型的5’-端的7-甲基鳥苷三磷酸（m7GTP）帽子結(jié)構(gòu)。B.3’-端的多聚腺苷酸(polyA)尾巴結(jié)構(gòu)。五.真核細(xì)胞mRNA的加工5′

“帽子”PolyA

3′

順反子(cistron)

m7G-5′ppp-N-3′pAAAAAAA-OH5′端接上一個(gè)“帽子”(CAP)結(jié)構(gòu)3′端添加PolyA“尾巴”,由RNA末端核苷酸轉(zhuǎn)移酶催化剪接：剪去內(nèi)含子(intron)，拼接外顯子(extron)

即在mRNA5’端上加一個(gè)甲基化的鳥嘌呤（m7G）核苷酸，同時(shí)在原始轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的第一、二個(gè)核苷酸殘基的2‘羥基上也進(jìn)行甲基化帽子的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式：

m7GPPPx為帽子0；

m7GPPPxm為帽子1；

m7GPPPxmYm為帽子2帽式結(jié)構(gòu)

X、Y代表任意堿基，所有的帽子都含有m7G（7–甲基鳥苷），在帽子結(jié)構(gòu)中，m7與mRNA鏈形成5’，5‘–磷酸二酯鍵的反式連接，使mRNA的5‘–末端沒有游離的磷酸基。

戴帽意義：也許可防止5’-端不被核酸酶降解，具有保護(hù)作用；還可協(xié)助核糖體與mRNA結(jié)合。

3‘–末端有一段長(zhǎng)度為30-200個(gè)多聚腺苷酸（多聚A或PolyA)階段，常稱“尾巴”，這是轉(zhuǎn)錄后添加上去的。

意義：保護(hù)3’–末端不會(huì)被核酸酶降解，并有助于mRNA從細(xì)胞核向胞漿轉(zhuǎn)移。

加尾真核生物mRNA3’-端的polyA結(jié)構(gòu)卵清蛋白基因轉(zhuǎn)錄與轉(zhuǎn)錄后加工修飾切除內(nèi)含子

在原生動(dòng)物四膜蟲（tetrahymena）中，26SrRNA分子是有一個(gè)6.4kb的前體經(jīng)切除1個(gè)414nt的內(nèi)含子后形成的，1982年，ThomasCech及其同事對(duì)此進(jìn)行了研究。他們驚異的發(fā)現(xiàn)，一個(gè)僅含有純化的6.4kb前體、ATP及GTP，而顯然沒有酶蛋白的對(duì)照樣品中居然也發(fā)生了剪接作用。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，此RNA發(fā)生了自我剪接（self-splicing），即在核苷酸存在的條件下，將414nt的內(nèi)含子剪接掉了。這一卓越的實(shí)驗(yàn)不僅表明一個(gè)RNA分子能夠具有高度特異的催化活性，并能自我剪接，而且直接導(dǎo)致了核酶（ribozyme）的發(fā)現(xiàn)。第五節(jié)催化活性RNA—核酶及其功能一、核酶的發(fā)現(xiàn)

核酶（ribozyme）：通指具有催化活性的RNA。1982年，第一次發(fā)現(xiàn)某些RNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物具有自身剪接能力，它不借助任