《RNA生物合成》PPT课件.ppt

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1、刘新文，生物化学绪论刘新文，生物化学绪论第十二章 RNA生物合成 RNA transcription 概述概述：DNADNA转录转录RNARNA前体前体 加工加工成熟成熟RNARNA的过程的过程 RNARNA合成的两种方式：合成的两种方式：1 1、DNADNA指导的指导的 RNARNA合成。合成。2 2、RNARNA指导的指导的 RNARNA合成。合成。第一节 转录作用一、转录作用及特点一、转录作用及特点l由由DNADNA指导的指导的RNARNA合成，合成，DNADNA以碱基互补以碱基互补原则，原则，决决定合成定合成RNARNA的全部碱基成分及排列顺序，将的全部碱基成分及排列顺序，将DNADN

2、A模模板板上的遗传信息传递到上的遗传信息传递到RNARNA分子的过程为分子的过程为转录作用。转录作用。1 1、反应体系：、反应体系：DNADNA模板模板,NTP,NTP,酶，酶，Mg2+,Mn2+Mg2+,Mn2+，合成合成方向方向5533。连接方式。连接方式-3-3,55磷酸二酯键。磷酸二酯键。2 2、转录特点：转录特点：不对称转录（不对称转录（asymmetric transcriptionasymmetric transcription）DNADNA片段转录时，双链片段转录时，双链DNADNA中只有一条链作为转中只有一条链作为转录录的模板，这种转录方式称作的模板，这种转录方式称作不对称转

3、录。（不对称转录。（图图12-12-1 1l模板链及反意义链：（模板链及反意义链：（template strandtemplate strand）指导指导RNARNA合成的合成的DNADNA模板模板链。链。l编码链及有意义链：（编码链及有意义链：（coding strandcoding strand）不作为转录的另一条不作为转录的另一条DNADNA链。链。（图图12-212-2）由于基因分布于不同的由于基因分布于不同的DNADNA单链中，单链中，即某条即某条DNADNA单单链对某个基因是模板链，而对另一个基因则是编链对某个基因是模板链，而对另一个基因则是编码链。码链。原料：四种磷酸核苷原料：四

4、种磷酸核苷NTP,DNANTP,DNA中的中的A A在在RNARNA中中变为变为U U合成过程是连续的，方向：合成过程是连续的，方向：5533合成部位：细胞核内合成部位：细胞核内二、原核二、原核RNARNA聚合酶聚合酶 组成组成：5 5个亚基，个亚基，2 2 为全酶，为全酶，2 2 为核心为核心酶。酶。作用作用：识别识别DNADNA分子中分子中转录的起始部位。转录的起始部位。促进与模板链结合，并使促进与模板链结合，并使DNADNA双链打开双链打开1717bp.bp.。催化催化NTPNTP的聚合，完成一条的聚合，完成一条RNARNA链的链的聚合反应。聚合反应。识别转录终止信号，停止聚合反应，参与

5、转录识别转录终止信号，停止聚合反应，参与转录水平的调控。（水平的调控。（图图12-312-3）特点特点：聚合速率慢，聚合速率慢，30853085NTP/NTP/秒。秒。缺乏外切酶活性缺乏外切酶活性,无校对功能，错误率无校对功能，错误率1010-6-6。不同的不同的 识别不同的启动子。例：识别不同的启动子。例：3232识别热休识别热休克启动子。克启动子。可被药物抑制（利福平）。人的可被药物抑制（利福平）。人的RNARNA聚合酶对聚合酶对利利福平不敏感。利用此特点可研制杀菌药物。福平不敏感。利用此特点可研制杀菌药物。三、真核三、真核RNARNA聚合酶聚合酶真核较原核的酶复杂，已清楚的有真核较原核的

6、酶复杂，已清楚的有,及及Mt Mt 4 4 型。（型。（表表12-112-1）组成组成：均由多亚基构成，聚合酶：均由多亚基构成，聚合酶中的某个亚中的某个亚基与原核聚合酶的基与原核聚合酶的 亚基高度同源。亚基高度同源。四、启动子及终止子（四、启动子及终止子（promoter,terminator,stop promoter,terminator,stop signalsignal）（一）启动子一）启动子1 1、原核启动子：、原核启动子：结构结构 约约5555bp,bp,分为起始点分为起始点（startstartsitesite）、）、结合部位、识别部位。结合部位、识别部位。功能功能 起始点起始点

7、:转录起始部位以转录起始部位以+1+1表示，转录表示，转录的的第第1 1个核苷酸常为嘌呤个核苷酸常为嘌呤-G,AG,A。结合部位：约结合部位：约6 6bpbp组成组成,是高度保守区是高度保守区,共有序共有序列列为为5-5-TATAAT-3 TATAAT-3,位于起始点上位于起始点上游游-10-10。因。因TmTm低低,DNADNA易解开双链，为易解开双链，为RNARNA聚合酶提供场所。聚合酶提供场所。识别部位：约识别部位：约6 6bpbp组成组成,在在-35-35处处,为高度保守区为高度保守区,序序列列5-5-TTGACA-3,TTGACA-3,因子识别此部位。（因子识别此部位。（图图12-4

8、12-4）2 2、真核真核启动子结构（以启动子结构（以RNA polRNA pol为例）为例）于于-25-25处含处含ATAT富集区富集区,共有序列共有序列TATAATATAA（TATA TATA boxbox）-70-70处含共有序列处含共有序列CAAT CAAT,还含许多其它还含许多其它box box,例例如如 GC GC box,E-boxbox,E-box等。（等。（图图12-512-5）含增强子含增强子 enhancerenhancer和静息子和静息子 silencsrsilencsrlRNA RNA polpol和和 RNA RNA polpol与聚合酶与聚合酶所识别的启所识别的启

9、动动子差异较大。子差异较大。（二）终止信号：（二）终止信号：（图图12-612-6）特点：终止部位含特点：终止部位含GCGC富集区与富集区与ATAT富集区富集区,它们分它们分别别形成发卡结构和连续的形成发卡结构和连续的U U区，以终止转录。区，以终止转录。l蛋白蛋白 因子辅助识别终止信号，参与终止。因子辅助识别终止信号，参与终止。五、转录过程五、转录过程 （以原核为例）（以原核为例）（一）起始（一）起始 RNARNA聚合酶聚合酶-识别起始位点识别起始位点 核心酶与核心酶与DNADNA结合结合 E E 以核心以核心酶酶DNADNA构象改变构象改变局部双链打开局部双链打开1717bpNTPbpNT

10、P形成形成3,53,5二酯键二酯键 形式形式沿沿 DNADNA滑动滑动l 因子可再次与核心酶结合，循环使用。因子可再次与核心酶结合，循环使用。(二）延长二）延长形成转录泡形成转录泡-由由DNADNA双链双链,RNARNA聚合酶与新合成的聚合酶与新合成的转录本转录本RNARNA局部形成的结构局部形成的结构,它贯穿于延长过程的它贯穿于延长过程的始终。始终。E E与与DNADNA模板模板互补的互补的NTPNTP 3,53,5磷酸二酯键相连磷酸二酯键相连 合成方向合成方向5 35 3l合成出的合成出的RNARNA与与DNADNA形成杂交分子形成杂交分子,约约1212bpbp，因因结结合不紧很易脱离。（

11、合不紧很易脱离。（图图12-712-7）（三）终止（三）终止合成移到终止信号时合成移到终止信号时,酶不滑动酶不滑动,聚合停止聚合停止,转录完转录完成。成。特点特点 参与的终止：参与的终止：与与RNARNA产物中富含产物中富含C C的的部位部位结合结合,并诱使并诱使RNARNA聚合酶构象改变停止滑动聚合酶构象改变停止滑动;因子因子的的解螺旋酶活性解螺旋酶活性,利于利于RNARNA产物的产物的释放。（释放。（图图12-812-8）其它终止方式：其它终止方式：GCGC区形成发卡结构，聚区形成发卡结构，聚U U区区使使配配对不稳定对不稳定,RNARNA产物的产物的释放。（释放。（图图12-912-9）

12、（四）真核生物转录特点（四）真核生物转录特点启动子复杂启动子复杂,某些基因不含某些基因不含TATA boxTATA box。l顺式作用元件顺式作用元件 ciscis-acting-element:-acting-element:指影响自身指影响自身基因表达活性的基因表达活性的DNADNA序列。序列。形成转录起始复合物，需多种蛋白因子参与。形成转录起始复合物，需多种蛋白因子参与。l转录因子转录因子 transcription factortranscription factor与反式作用因与反式作用因子子 trans-acting factor:trans-acting factor:（表表12

13、-212-2）调节基因表达的蛋白为转录因子；它们与特异的调节基因表达的蛋白为转录因子；它们与特异的顺式作用元件顺式作用元件相互作用相互作用,并激活另一基因的转录。并激活另一基因的转录。l起始前复合物的形成起始前复合物的形成 pre-initiation pre-initiation complex,PIC complex,PIC TATATATATFTFD D TF TF A TF A TF B B RNAPolRNAPol /TF /TF F TF F TF E E PIC PIC （图图12-1012-10）转录终止序列，在转录终止序列，在33端之后有共同序列端之后有共同序列AATAAAA

14、ATAAA及及多个多个GGT T序序列，列，mRNAmRNA在转录终止序列处被切断。在转录终止序列处被切断。第二节 真核生物转录后的加工l意义：转录生成的前体意义：转录生成的前体RNA,RNA,无生物学活性无生物学活性,需需加加工变为成熟、有活性的工变为成熟、有活性的RNARNA。加工种类加工种类：剪切与剪接（剪切与剪接（cleavage,splicingcleavage,splicing）末端添加核苷酸（末端添加核苷酸（terminal additingterminal additing）修饰（修饰（modificationmodification）：）：在碱基和核糖上进行化在碱基和核糖上进

15、行化 学修饰。学修饰。RNARNA编辑（编辑（RNARNA editingediting）一、一、mRNAmRNA前体的加工前体的加工 （一）生成特点：（一）生成特点：原核原核 ：mRNAmRNA是多顺反子是多顺反子(polycistronic,polycistronic,每分子每分子RNARNA中含几种蛋白质信中含几种蛋白质信息，息，RNARNA寿命短，转录没完时翻译即开始。寿命短，转录没完时翻译即开始。例例:乳糖操纵子，含乳糖操纵子，含Z,Y,AZ,Y,A三个基因三个基因,分别编码半分别编码半乳糖乳糖苷酶、透过酶及乙酰基转移酶。苷酶、透过酶及乙酰基转移酶。真核真核：单顺反子：单顺反子 mo

16、nocistronic,monocistronic,一个一个mRNAmRNA仅编仅编码一种蛋白质。码一种蛋白质。l外显子外显子 exonexon-在真核生物基因中编码蛋白质在真核生物基因中编码蛋白质的序列。的序列。l内含子内含子 intronintron-非编码蛋白的序列非编码蛋白的序列,因其插于因其插于外显外显子之间又称插入序列子之间又称插入序列,居间序列。居间序列。lhnRNAhetorogenous RNA-为mRNA的前体,转录物中外显子与内含子间隔排列，需经剪接加工后生成mRNA。（二）mRNA前体加工过程原核：多顺反子多顺反子mRNARNase单独的顺反子顺反子 真核：真核：1.5

17、1.5末端帽子的生成：部位末端帽子的生成：部位:核内（核内（图图12-10-12-10-2 2）2.32.3末端多聚尾的生成：部位末端多聚尾的生成：部位:核内核内 ,胞质有酶也胞质有酶也可进可进行。行。3.3.剪接作用剪接作用:部位部位-胞核胞核l在细胞核内在细胞核内,hnRNA剪切内含子剪切内含子,将个外显子连将个外显子连接接为成熟为成熟mRNA的过程。少数基因不需剪接的过程。少数基因不需剪接 干扰干扰素素 例例1 1：卵清蛋白基因成熟过程：卵清蛋白基因成熟过程 （图图12-1112-11）。）。例例2:2:同一转录本同一转录本,在不同的组织在不同的组织,因剪接差异产生因剪接差异产生各各 自

18、不同的自不同的mRNA。（图12-12）剪接特点：剪接部位为内含子末端的特定序列剪接部位为内含子末端的特定序列-5-5端剪切端剪切点点为为GU;GU;33端剪切点为端剪切点为AGAG；含含A A序列的分支点。序列的分支点。套索的形成及剪除：套索的形成及剪除：机制机制-二次磷酸酯转移二次磷酸酯转移 （图图12-1312-13）剪接体的生成剪接体的生成-由由hnRNAhnRNA与非特异的小核核糖与非特异的小核核糖核核 蛋白（蛋白（snRNPsnRNP）结合而成。（结合而成。（U U1 1、U U2 2-U-U6 6）4 4.甲基化：甲基化发生在剪接之前甲基化：甲基化发生在剪接之前,在非编码区在非编

19、码区分子含分子含1212个个mm6 6A A。5.5.RNARNA编辑（编辑（RNA editingRNA editing）l某些某些mRNAmRNA的核苷酸序列的核苷酸序列,在生成转录产物后在生成转录产物后还还需插入、删除或取代一些核苷酸残基需插入、删除或取代一些核苷酸残基,方能生成方能生成具具有正确翻译功能的模板有正确翻译功能的模板,遗传信息在遗传信息在mRNAmRNA水平水平上上的改变过程，称为的改变过程，称为RNARNA编辑。编辑。例例1 1:锥虫细胞色素氧化酶锥虫细胞色素氧化酶（图图12-1412-14）例例2:2:血浆脂蛋白的血浆脂蛋白的apoapo B B编辑作用编辑作用 （图图

20、12-1512-15）二、二、tRNAtRNA前体的加工前体的加工1 1、切除多余的核苷酸，、切除多余的核苷酸，RNaseRNase p p切除切除55端多余的端多余的核苷酸；核苷酸；RnaseRnase D D切除切除33端多余的核苷酸端多余的核苷酸.2 2、剪切内含子：核酸内切酶切除内含子、剪切内含子：核酸内切酶切除内含子,连接酶连接酶进行连接。进行连接。3 3、修饰与、修饰与33末端加末端加-CCA:CCA:甲基化甲基化,脱氨基脱氨基,还原反还原反应应在核苷酸基转移酶催化下，加入在核苷酸基转移酶催化下，加入CCACCA。（。（图图12-12-1616）三、三、rRNArRNA前体的加工前

21、体的加工特点：特点：rRNArRNA拷贝多拷贝多,原核原核51075107;真核真核:果蝇果蝇260;260;HelaHela细细胞胞11001100个拷贝。个拷贝。过程过程 1 1、剪切作用，需核酸酶。、剪切作用，需核酸酶。2 2、甲基化修饰，在碱基上。、甲基化修饰，在碱基上。3 3、自我剪接。、自我剪接。l加工过程加工过程5 5S S变化不大。变化不大。无无转录功能转录功能 原核原核rRNArRNA加工加工 rRNArRNA含非转录的间隔区含非转录的间隔区 产物产物 tRNAtRNA 3030S S前体前体rRNArRNARNaseRNase 17S-tRNA-23S-5S-tRNA 17

22、S-tRNA-23S-5S-tRNA 核酸酶核酸酶1616S,23S,5S,tRNA S,23S,5S,tRNA （图图12-1712-17）真核真核rRNArRNA加工加工1.1.5 5S S自成体系加工少无修饰自成体系加工少无修饰剪剪接。接。S S加工中含剪切和甲基化加工中含剪切和甲基化修饰，需核酸酶。修饰，需核酸酶。（图图12-1812-18）第三节第三节 核酶（核酶（ribozymeribozyme）背景背景19821982年年CechCech发现四膜虫发现四膜虫rRNArRNA前体自我剪接前体自我剪接作作用，用，RNARNA有催化作用有催化作用;1983;1983年发现年发现RNas

23、e PRNase P中的中的RNARNA可可催化催化tRNAtRNA前体的加工。前体的加工。例例:四膜虫四膜虫rRNArRNA前体剪接前体剪接过程过程:1.1.二次剪接以磷酸酯转移形式，需鸟苷作辅助因二次剪接以磷酸酯转移形式，需鸟苷作辅助因子。子。2.2.内含子自身环化时剪切核苷酸。（内含子自身环化时剪切核苷酸。（图图12-1912-19）核酶的结构与作用核酶的结构与作用：锤头结构（：锤头结构（图图12-2012-20）1.1.核苷酸转移作用。核苷酸转移作用。2.2.水解反应，即磷酸二酯酶作用。水解反应，即磷酸二酯酶作用。3.3.磷酸转移反应，类似磷酸转移酶作用。磷酸转移反应，类似磷酸转移酶作

24、用。4.4.脱磷酸作用，即酸性磷酸酶作用。脱磷酸作用，即酸性磷酸酶作用。5.5.RNARNA内切反应，即内切反应，即RNARNA限制性内切酶作用。限制性内切酶作用。意义意义：1.1.RNARNA为生物催化剂，具有重要为生物催化剂，具有重要 生物学意义。生物学意义。2.2.打破了酶是蛋白质的传统观念。打破了酶是蛋白质的传统观念。3.3.在生命起源问题上，为先有核酸提供了依据。在生命起源问题上，为先有核酸提供了依据。4.4.为治疗破坏有害基因，肿瘤等疾病提供手段。为治疗破坏有害基因，肿瘤等疾病提供手段。核酶与内含子的关系核酶与内含子的关系：1.1.目前发现的核酶数量较少，常见于目前发现的核酶数量较

25、少，常见于rRNArRNA的内含的内含子子.RNARNA分子中，它们并不都具有分子中，它们并不都具有核酶的功能。核酶的功能。3.3.内含子分为三类：内含子分为三类：（1 1）内含子可自我剪接）内含子可自我剪接,不需任何蛋白质参与不需任何蛋白质参与,分分两两型型-需鸟苷参与。需鸟苷参与。形成套索形式剪接。形成套索形式剪接。（2 2）内含子的剪接需要蛋白酶的参与，如）内含子的剪接需要蛋白酶的参与，如tRNAtRNA。（3 3）内含子的剪接需形成剪接体的形式，除各种内含子的剪接需形成剪接体的形式，除各种蛋白因子外还需各种蛋白因子外还需各种snRNPsnRNP的参与。的参与。图图 12-1 转录作用转

26、录作用 图 12-3原核生物的RNA聚合酶 表 12-1 真核生物的聚合酶 图 12-4 原核生物启动子 图 12-4 原核生物启动子 图 12-5 真核基因调节序列示意图 图 12-5 真核启动子 图 12-6 转录终止结构 图 12-7 RNA转录 图 12-8 因子的终止作用 图 12-9 原核转录终止模式 转录产物影响转录终止 表 12-2 参与RNA-pol II转录的TFII 图图 12-10 真核生物转录起始复合物真核生物转录起始复合物真核生物真核生物55端帽子生成端帽子生成 图 12-11 卵清蛋白基因转录及加工过程 图12-12 大鼠降钙素基因转录体在甲状腺及脑中的不同剪接 图 12-13剪接过程中的RNA套索结构 图 12-14锥虫细胞色素氧化酶RNA的编辑 图12-15 apo B mRNA的编辑加工 图12-16 tRNA的加工过程 图12-17 原核rRNA的加工过程 图 12-18 真核生物rRNA前体的加工 图 12-19 四膜虫rRNA前体的自我剪接