《RNA的生物合成》PPT课件.ppt

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1、第二节第二节 RNA的的 转录后加工转录后加工转录后加工（转录后加工（post-transcriptional processing）过程：）过程：切割（切割（cutting）修剪（修剪（trimming）添加（添加（appending）修饰修饰(modification)和异构化（和异构化（isomerization）拼接（拼接（splicing）编辑编辑(editing)再编码再编码(recoding)（一）（一）rRNA前体加工前体加工1.原核生物原核生物rRNA前体的加工：前体的加工：E.coli:有有7个个rRNA的转录单位，每个转录单位由的转录单位，每个转录单位由16S、23S、5

2、S rRNA基因与一个或几个基因与一个或几个tRNA的基因组成。的基因组成。v加工过程：加工过程：-甲基化甲基化：甲基化位置常在：甲基化位置常在核糖核糖2-OH上。上。-切割和修剪切割和修剪：核酸酶核酸酶 rRNA的基因为多拷贝。的基因为多拷贝。rRNA的基因与某些的基因与某些tRNA的的基因组成一个转录单位。基因组成一个转录单位。Processing of preribosomal RNA transcripts in bacteria.(a)Prior to cleavage of the 30S RNA precursor,it is methylated at specific bas

3、es.(b)Cleavage produces 17S and 25S intermediates,and(c)the final 16S and 23S rRNA products are made by the action of specific nucleases.The 5S rRNA arises from the 3 end of the 30S precursor.From the midsection(and sometimes the 3 end),one or more tRNAs are formed.1:RNase 2.RNase P3.RNase E甲基化甲基化切割

4、切割修剪修剪2.真核生物真核生物rRNA前体的加工：前体的加工：v 加工过程：加工过程：rRNA基因拷贝数较多（几十基因拷贝数较多（几十几千）。几千）。rRNA基因成基因成簇排列，由簇排列，由1618 S、2628S rRNA基因组成一个转录单基因组成一个转录单位，彼此以间隔区分开。位，彼此以间隔区分开。与原核生物相似，但甲基化程度比原核生物高。甲基与原核生物相似，但甲基化程度比原核生物高。甲基化、假尿苷酸化、切割由化、假尿苷酸化、切割由核仁小核仁小RNA(snoRNA)指导。指导。Processing of preribosomal RNA transcripts in eukaryotes

5、.(a)The 45S precursor is methylated at more than 100 of its 14,000 nucleotides,mostly on the 2-OH groups of ribose units retained in the final products.(b)A series of enzymatic cleavages produces the 18S,5.8S,and 28S rRNAs.The 5S rRNA arises separately.（二）（二）tRNA前体加工前体加工核酸内切酶在核酸内切酶在tRNA两端两端切断切断：RNas

6、e P,F核酸外切酶核酸外切酶(RNase D)从从3 端逐个切去附加序列端逐个切去附加序列（修剪）（修剪）在在3 端端添添加加CCAOH：tRNA核苷酰转移酶核苷酰转移酶核苷酸的核苷酸的修饰和异构化修饰和异构化：修饰酶、异构化酶修饰酶、异构化酶剪接剪接：去除内含子（某些真核生物：去除内含子（某些真核生物tRNA）原核与真核生物原核与真核生物tRNA基因是多拷贝的。不同种基因是多拷贝的。不同种tRNA基因成簇排列，彼此以间隔区分开，组成一个转录单位。基因成簇排列，彼此以间隔区分开，组成一个转录单位。v加工过程加工过程tRNA前体前体RNA pol TGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCD

7、NAtRNAtRNA前体的转录合成前体的转录合成tRNAtRNA前体的切断和剪接加工前体的切断和剪接加工5 端端成成熟熟酶酶3 端成熟酶端成熟酶RNase PRNase DRNAase D外切酶外切酶RNase P:是一种核酶，由蛋白质和是一种核酶，由蛋白质和RNA（375核苷酸）组成。核苷酸）组成。某些条件下，原核某些条件下，原核RNaseP中的中的RNA（M1RNA）单独具有切）单独具有切割活性。割活性。tRNA3-tRNA3-末端末端-CCA-CCA序列的添加序列的添加tRNAtRNA的碱基修饰的碱基修饰（2）还原反应）还原反应 如：如：U DHU （3）核苷内的转位反应）核苷内的转位反

8、应 如：如：U （4）脱氨反应）脱氨反应 如：如：A I 如：如：A mA（1）甲基化）甲基化（1 1）（1 1）（3 3）（2 2）（4 4）（三）（三）mRNA前体的一般加工前体的一般加工原核生物原核生物 mRNA一般不需要加工，仅有少数需要简单加工。一般不需要加工，仅有少数需要简单加工。真核生物真核生物刚转录出的刚转录出的mRNA产物产物称为称为称为称为非均一非均一非均一非均一RNARNA（hnRNAhnRNA），必须通过加工去掉内含子才能成为成熟的必须通过加工去掉内含子才能成为成熟的mRNA。真核生物中真核生物中真核生物中真核生物中mRNA基因是由编码氨基酸序列的基因是由编码氨基酸序列

9、的基因是由编码氨基酸序列的基因是由编码氨基酸序列的外显外显外显外显子子子子和散布在外显子中的非编码的和散布在外显子中的非编码的和散布在外显子中的非编码的和散布在外显子中的非编码的内含子内含子内含子内含子构成的构成的构成的构成的，称，称为为断裂基因断裂基因。-5 端端加帽加帽（m7G 5 ppp5 NmpNp-）-3 加加poly A尾巴尾巴 -拼接拼接(去除内含子并连接外显子去除内含子并连接外显子去除内含子并连接外显子去除内含子并连接外显子)-核苷酸核苷酸甲基化甲基化v加工包括：加工包括：Processing of hnRNA in eukaryotes.The capping of euka

10、ryotic pre-mRNAs.mRNA上的上的5帽子帽子对于蛋白质合成的对于蛋白质合成的起始是很重要的，起始是很重要的，同时它可保护同时它可保护mRNA转录本不被转录本不被核酸外切酶降解。核酸外切酶降解。7-甲基鸟嘌呤甲基鸟嘌呤The 5 cap of 7-methylguanosine is found on almost all eukaryotic mRNAs.Cap0 型型CapI 型型CapII 型型（大多数真核生物）（大多数真核生物）m7G 5 ppp5 NmpNp-m7G 5 ppp5 NpAddition of the poly(A)tail to the primary

11、RNA transcript of eukaryotes.The RNA is cleaved 11 to 30 nucleotides 3 to AAUAAA,and polyadenylate polymerase synthesizes a poly(A)tail of 20 to 250 nucleotides,beginning at the cleavage site.内切酶内切酶多聚腺苷酸聚合酶多聚腺苷酸聚合酶加尾信号加尾信号1.识别识别mRNA的的3端的端的AAUAA保守序列，在保守序列，在AAUAA下游大约下游大约1130个核苷酸的部位断裂。个核苷酸的部位断裂。2.多多聚腺苷

12、酸聚合酶（聚腺苷酸聚合酶（聚腺苷酸聚合酶（聚腺苷酸聚合酶（PAPPAP）结合于转录产物的结合于转录产物的游离的游离的3端，加上大约端，加上大约20250个腺苷酸的个腺苷酸的3端端的的poly（A）尾巴。）尾巴。3.多聚腺苷酸尾巴的长度能多聚腺苷酸尾巴的长度能调节调节mRNA的稳的稳定性和翻译效率。定性和翻译效率。（四）（四）RNA的拼接和编辑的拼接和编辑1、RNA的拼接（的拼接（splicing）四种方式：四种方式：类型类型I自我拼接自我拼接(group I self-splicing)类型类型II自我拼接自我拼接(group II self-splicing)核核mRNA的拼接体的拼接的拼接

13、体的拼接(nuclear mRNA splicesomal)核核tRNA的酶促拼接的酶促拼接(nuclear tRNA enzymatic)真核生物断裂基因转录物的加工中，去除内含真核生物断裂基因转录物的加工中，去除内含子，使外显子成为连续序列，这一过程称为子，使外显子成为连续序列，这一过程称为拼接拼接。四种方式有两点相似之处：四种方式有两点相似之处：（1）磷酸二酯键的断裂和再连接，）磷酸二酯键的断裂和再连接，（2）RNA本身或者以本身或者以cis方式（第方式（第I类和第类和第II 类内含子自我剪接），或以类内含子自我剪接），或以trans方式（通过称之方式（通过称之剪接体的核糖核蛋白复合体进

14、行的剪接体的核糖核蛋白复合体进行的hnRNA剪接）剪接）作为催化剂。作为催化剂。Splicing mechanism of group I introns.类型类型I自我拼接自我拼接第一次转酯反应第一次转酯反应 第二次转酯反应第二次转酯反应 低等真核生物核低等真核生物核rRNA基因基因真核生物细胞器基因真核生物细胞器基因细菌和噬菌体的个别基因细菌和噬菌体的个别基因在第一次转酯基反应中在第一次转酯基反应中，游离的鸟苷的游离的鸟苷的3羟基起着一个羟基起着一个亲核体的作用亲核体的作用，结果与内含子中的，结果与内含子中的5核苷酸形成一个新核苷酸形成一个新的的3,5-磷酸二酯键，释放出上游的外显子。磷酸

15、二酯键，释放出上游的外显子。在第二次转酯基反应中在第二次转酯基反应中，上游外显子的上游外显子的上游外显子的上游外显子的33羟基作为羟基作为羟基作为羟基作为 一个亲核体一个亲核体一个亲核体一个亲核体攻击位于内含子外显子交界处的攻击位于内含子外显子交界处的攻击位于内含子外显子交界处的攻击位于内含子外显子交界处的 3,5-3,5-磷酸二酯键磷酸二酯键磷酸二酯键磷酸二酯键。结果精确地切去一个内含子。结果精确地切去一个内含子 序列，同时通过序列，同时通过3,5-磷酸二酯键将两个外显子共磷酸二酯键将两个外显子共 价连接。鸟苷作为反应中的一个辅助因子，没有掺入价连接。鸟苷作为反应中的一个辅助因子，没有掺入

16、到外显子中。到外显子中。RNase P的的RNA（M1RNA）具有催化活性。具有催化活性。四膜虫四膜虫rRNA前体的自我拼接，前体的自我拼接，发现发现RNA具催化功能。具催化功能。将将具有催化功能的具有催化功能的具有催化功能的具有催化功能的RNARNA分子称为核酶分子称为核酶分子称为核酶分子称为核酶(ribozyme)(ribozyme)。The structure and self-splicing pathway of group II introns.类型类型自我拼接自我拼接某些真菌线粒体基因某些真菌线粒体基因植物叶绿体基因植物叶绿体基因套索套索真核生物真核生物hnRNA拼接拼接(拼接体

17、的拼接拼接体的拼接)GT-AT规则规则：真核生物编码蛋白质的核基因内含子：真核生物编码蛋白质的核基因内含子5 端端为为GT,3 端端为为AG。hnRNA：GUAG拼接体（拼接体（spliceosome）：）：在被拼接的在被拼接的hnRNA上上U1、U2、U4-6和约和约50种蛋白质所组成的复合物。种蛋白质所组成的复合物。核内小核内小RNA（SnRNA）U系列：系列：U1、U2、U4、U5、U6 可与蛋白质结合形成核糖核蛋白（可与蛋白质结合形成核糖核蛋白（snRNP）。）。The splice sites that mark the intron-exon boundaries of many

18、eukaryotic mRNAs have some conserved sequences.内含子靠近内含子靠近3 端腺苷酸具端腺苷酸具2 -OH（分支点）（分支点）Splicing mechanism in mRNA primary transcripts.U1 snRNP结合在结合在5 端端拼接拼接点点U2 snRNP结合在分支结合在分支点点U4/U6和和U5 snRNP三聚体进三聚体进入拼接体，入拼接体，U6结合结合U2 U1、U4被释放被释放U6结合在结合在5 拼接点拼接点U6/U2催化转酯反应催化转酯反应5 位点断开，形成套位点断开，形成套索索3 位点断开，外显子拼接位点断开，外显

19、子拼接Splicing mechanism in mRNA primary transcripts.Overview of the processing of a eukaryotic mRNA.Introns are lettered and exons are numbered.About three-quarters of the RNA is removed during processing.Introns can make up more than 90%of the length of other genes.RNA polymerase II extends the prima

20、ry transcript well beyond the cleavage and polyadenylation site(extra RNA).The splicing of yeast tRNA.This splicing pathway requires a highenergy cofactor(ATP)for the ligation step.tRNA拼接拼接(yeast)核酸内切酶核酸内切酶环磷酸二酯酶环磷酸二酯酶 选择性拼接（选择性拼接（alternative splicing）一个基因的转录产物在不同的细胞、发育阶段一个基因的转录产物在不同的细胞、发育阶段和生理状态下，通

21、过不同的拼接方式，可以得到和生理状态下，通过不同的拼接方式，可以得到不同的不同的mRNA和翻译产物，称为和翻译产物，称为选择性拼接选择性拼接。所。所产生的多个蛋白即为同源体（产生的多个蛋白即为同源体（isoform)Differential processing of the calcitonin（降钙素）降钙素）gene transcript in rats.The primary transcript has two poly(A)sites;the first predominates in the thyroid,the second in the brain.Splicing in

22、the brain eliminates the calcitonin exon;in the thyroid this exon is retained.The resulting peptides are processed further to yield the final hormone products:calcitonin in the thyroid and calcitonin gene-related peptide(CGRP)in the brain.甲状腺甲状腺降钙素基因相关肽降钙素基因相关肽降钙素降钙素 RNA拼接的生物学意义：拼接的生物学意义：（1）RNA拼接是进化

23、的结果拼接是进化的结果（2）RNA拼接是基因表达调节的重要环节拼接是基因表达调节的重要环节 -选择性拼接选择性拼接 -许多内含子对基因表达有一定影响许多内含子对基因表达有一定影响（3）内含子的存在和拼接对于生物机体的进化十分重要）内含子的存在和拼接对于生物机体的进化十分重要 -遗传重组可发生在内含子处，避免了基因错位导致的失活。遗传重组可发生在内含子处，避免了基因错位导致的失活。-内含子增加了基因组的复杂性。内含子增加了基因组的复杂性。2、RNA的编辑的编辑(editing)（1）RNA编辑的不同类型和分布编辑的不同类型和分布改变改变RNA的编码序列。的编码序列。编辑类型编辑类型 机制机制 存

24、在存在U的插入与删除的插入与删除 guide RNA指导的反应指导的反应 锥虫线粒体锥虫线粒体mRNAC、A或或U的插入的插入 多头绒胞菌线粒体多头绒胞菌线粒体mRNA和和rRNAG的插入的插入 RNA聚合酶重复转录聚合酶重复转录 副黏病毒的副黏病毒的P基因基因C 转变为转变为U 酶促脱氨酶促脱氨 哺乳类肠的哺乳类肠的apoB mRNAC转变为转变为U或或U转变为转变为C 脱氨或氨基化脱氨或氨基化 植物线粒体植物线粒体mRNA和和rRNA 牛心线粒体牛心线粒体RNAA转变为转变为I 脱氨脱氨 脑谷氨酸受体亚基脑谷氨酸受体亚基mRNARNA editing of the transcript o

25、f the cytochrome oxidase subunit II gene from mitochondria of Trypanosoma brucei.RNA editing of the transcript of the gene for the apo lipoprotein B-100 component of low density lipoprotein.（2）RNA编辑的意义编辑的意义 -消除移码突变的危害消除移码突变的危害-增加了基因产物的多样性增加了基因产物的多样性 -使基因产物获得新的结构和功能使基因产物获得新的结构和功能 -与生物发育和分化有关与生物发育和分化有

26、关-可能与学习和记忆有关可能与学习和记忆有关（五）（五）RNA生物功能的多样性生物功能的多样性1.在遗传信息的翻译中起决定性作用在遗传信息的翻译中起决定性作用 -mRNA messenger,template -rRNA assemble,catalyst -tRNA transfer,adaptor2.核酶具有重要的催化功能核酶具有重要的催化功能 -端粒酶端粒酶 -RNaseP(M1RNA)-L19RNA3.转录后加工和修饰依赖于各种小转录后加工和修饰依赖于各种小RNA和其蛋白质复合物和其蛋白质复合物 -核仁小核仁小RNA(snoRNA)-核内小核内小RNA（SnRNA）U系列系列参与参与r

27、RNA的加工的加工参与参与hnRNA 的加工的加工参与参与tRNA的加工的加工4.对基因表达和细胞功能具有重要调节作用对基因表达和细胞功能具有重要调节作用 -干扰干扰RNA（RNA interference,RNAi）与基因沉默）与基因沉默5.在生物的进化中起重要作用在生物的进化中起重要作用 -RNA的拼接和编辑可以消除基因突变的危害、增的拼接和编辑可以消除基因突变的危害、增加遗传信息的多样性，促进生物进化。加遗传信息的多样性，促进生物进化。第三节第三节 RNA的复制的复制 RNA的复制的复制复制酶复制酶 -以以RNA为模板为模板 -以以4种种NTP为底物为底物 -聚合方向聚合方向5 3 RN

28、A指导下指导下RNA的合成。的合成。一、噬菌体一、噬菌体Q RNA的复制的复制 1条条RNA单链（单链（+链）链）：4500核苷酸核苷酸噬菌体噬菌体Q 是直径是直径20nm的正二十面体小噬菌体。的正二十面体小噬菌体。蛋白质蛋白质复制酶复制酶（4个亚基）个亚基）基因次序为：基因次序为：5-成熟蛋白成熟蛋白-外壳蛋白（外壳蛋白（或或A1蛋白）蛋白）-复制酶复制酶 亚基亚基-3 亚基亚基（核糖体蛋白（核糖体蛋白S1）（肽链延长因子（肽链延长因子EF-Tu）（肽链延长因子（肽链延长因子EF-Ts）宿主细胞宿主细胞QRNA的复制过程的复制过程1.复制酶的组装：复制酶的组装：+mRNA侵染侵染E.coli

29、 细胞细胞+RNA病毒颗粒蛋白病毒颗粒蛋白复制酶复制酶 亚基亚基宿主宿主、复制酶复制酶翻译翻译2.复制：复制：+RNA复制酶复制酶+-中间体中间体释放释放-RNA复制酶复制酶释放释放+RNA-+中间体中间体二、病毒二、病毒RNA复制的主要方式复制的主要方式1.病毒病毒RNA直接作为复制的模板：直接作为复制的模板：RNARNA“+”RNA:Q、脊髓灰质炎病毒、脊髓灰质炎病毒“-”RNA和复制酶：狂犬病病毒和复制酶：狂犬病病毒“”RNA和复制酶：和复制酶：呼肠狐病毒呼肠狐病毒“+”：逆转录病毒（致癌逆转录病毒（致癌RNA病毒）病毒）2.RNA DNA RNA（逆转录作用）（逆转录作用）-RNA-+中间体中间体复制酶复制酶+RNA释放释放病毒颗粒蛋白病毒颗粒蛋白+-中间体中间体-RNA释放释放-+RNA复制酶复制酶+RNA病毒颗粒蛋白病毒颗粒蛋白+-RNA病病毒毒颗颗粒粒病病毒毒颗颗粒粒不对称复制不对称复制