(2)--RNA生物合成分子生物学.ppt

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1、RNA的生物合成RNA Biosynthesis(Transcription)转录的基本特征转录(transcription)是生物体以DNA为模板合成RNA的过程。转录RNADNA n转录的概念n参与转录的物质：原料:NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)模板:DNA酶:RNA聚合酶(RNApolymerase,RNA-pol)其他蛋白质因子n转录的模板DNA分子上转录出RNA的区段，称为结构基因。DNA双链中按碱基配对规律能指引转录生成RNA的一股单链，称为模板链，也称作有意义链或Watson链。相对的另一股单链是编码链，也称为反义链或Crick链。5GCAGTACATGTC 33 c

2、g t g a t g t a c a g 55GCAGUACAUGUC 3NAla Val His Val C编码链模板链mRNA蛋白质转录翻译5 3 3 5 模板链编码链编码链模板链结构基因转录方向转录方向n不对称转录RNA聚合酶nRNA聚合酶DNA依赖的RNA聚合酶催化合成RNADNA聚合酶在启动DNA链延长时需要引物存在，而RNA聚合酶不需要引物就能直接启动RNA链的延长。(NMP)n+NTP (NMP)n+1+PPiRNA延长的RNAnE.coli RNA聚合酶组成核心酶(core enzyme)全酶(holoenzyme)转录起始阶段转录延长阶段 nE.coli RNA聚合酶组成n

3、真核生物RNA聚合酶RNA聚合酶（RNAPol）RNA聚合酶（RNAPol）RNA聚合酶（RNAPol）n真核生物的RNA聚合酶转录相关元件n原核生物的启动子和终止子启动子(promoter)指能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列。5 3 3 5 结构基因调控序列RNA-pol开始转录T T G A C AA A C T G T-35 区(Pribnow box)T A T A A T Pu A T A T T A Py-10 区1-30-5010-10-40-205 3 3 5 (Sextama box)55结构基因33n原核生物启动子Pribnow 框10区，保守序列为

4、TATAAT。Pribnow框是RNA聚合酶的牢固结合位点。Sextama 框35区，保守序列为TTGACA。Sextama框是RNA聚合酶中的识别位点，也是RNA聚合酶的初始结合位点。终止子提供转录终止信号的序列称为终止子（terminator）。终止信号存在于RNA聚合酶已经转录过的序列之中。不依赖于因子的转录终止子转录终止点之前有一间断的回文结构，回文结构富含G-C，下游富含A-T。依赖于因子的转录终止子转录终止点之前有一间断的回文结构，回文结构G-C含量较少，下游无特征。n真核生物的启动子和终止子真核有三种不同的启动子和有关的元件，启动子最为复杂，它和原核的启动子有很多不同。uRNA聚

5、合酶的启动子即rRNA基因的启动子，称类启动子。类启动子分两部分：405称为近启动子，决定转录起始的位点；16540称为远启动子，影响转录的频率。uRNA聚合酶的启动子即mRNA基因的启动子，称类启动子。核心启动子元件作用：选择正确的转录起始位点，保证精确起始。其序列的完整与准确对维持启动子的功能是必需的。帽子位点（cap site）：即转录起始位点，其碱基大多为A。TATA 框：又称Hogness框，位于25附近，由含有TATA的67个核苷酸组成，保守序列为TATA（A/T）A（A/T）。但TATA框的两侧富含G-C碱基对。上游启动子元件CAAT框位于75附近，保守序列为GGNCAATCT。

6、头两个G非常重要，一但突变，转录效率大大下降。GC 框位于110附近，以5CCGCC3序列为特征。增强子（enhancer）能结合反式作用因子，决定基因的时间和空间特异性表达，增强启动子转录活性的DNA序列。增强子作用特点：增强效应十分明显，效应与其所处的位置和取向无关。增强效应具有严密的组织和细胞特异性。没有基因专一性。受外部信号的调控。uRNA聚合酶 的启动子即tRNA基因的启动子，称类启动子。类启动子位于转录起始点下游，称下游启动子或内部启动子。类启动子包括：A盒、B盒A盒靠近5方向；B盒靠近3方向。大肠杆菌RNA的合成RNA聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域。DNA双链解开，使其

7、中的一条链作为转录的模板。n转录起始转录起始需解决两个问题：RNA-pol全酶识别Sextama盒。RNA-pol全酶移动、结合到Pribnow盒，解链。RNA-pol全酶催化生成RNA（不需要引物）。因子脱落。n转录延长RNA-pol核心酶催化RNA生成。转录空泡(transcriptionbubble)(NMP)n +NTP (NMP)n+1+PPi原核生物的转录与翻译偶联多聚核糖体的现象因子是由相同亚基组成的六聚体蛋白质，亚基分子量46kD。因子能结合RNA，又以对polyC的结合力最强。因子还有ATP酶活性和解螺旋酶(helicase)的活性。因子：n转录终止依赖的转录终止因子的作用原

8、理：因子的作用原理：n转录终止依赖的转录终止有解螺旋酶活性和ATP酶活性DNA模板上靠近终止处，有些特殊的碱基序列，转录出RNA后，RNA产物形成特殊的结构来终止转录。n转录终止不依赖的转录终止5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU.3 5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU.3 RNA 5 TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT.3 DNA UUUU.UUUU.5UUG

9、CAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU.3近终止区的转录产物形成发夹(hairpin)结构是非依赖因子终止的普遍现象。n茎环结构使转录终止的机理：茎环结构使转录终止的机理：使使RNA聚合酶变构，转录停顿；聚合酶变构，转录停顿；使转录复合物趋于解离，使转录复合物趋于解离，RNA产物释放。产物释放。5pppG5 3 3 5 RNA-poln转录终止不依赖的转录终止茎环结构使使RNA聚合酶变构，转录停顿，密集A-U配对使转录复合物趋于解离，释放RNA。终止效率与二重对称序列和寡聚U的长短有关。真核生物RNA的合成真核生物RNA聚合酶

10、的结构比原核生物复杂，所有真核生物的RNA聚合酶都有两个不同的大亚基和十几个小亚基。上游区段具有启动子核心序列不同物种、不同细胞或不同的基因，转录起始点上游可以有不同的DNA序列，但这些序列都可统称为顺式作用元件(cis-actingelement)。n转录起始一个典型的真核生物基因上游序列:53调控序列TATA盒InrYYANYYTA-30+1TATAAA转录起始点TATA盒CAAT盒GC盒增强子顺式作用元件(cis-acting element)AATAAA切离加尾转录终止点修饰点外显子翻译起始点内含子OCT-1核心启动子 Hogness盒（TATA盒）-25区，与转录起始复合物结合启动转

11、录。启动子上游元件GC盒、CAAT盒，-40-200bp增强子-1k-5Kb，显著提高连锁基因转录频率转录起始前复合物真核生物RNA-pol不与DNA分子直接结合，而需依靠众多的转录因子，形成转录起始复合物(pre-initiationcomplex,PIC)。POL-TFFAB由RNA-Pol 催化转录的PIC POL-TFFHETBPTAFTFD-A-B-DNA复合物复合物TATAABTBPTAFTATAHECTD-PPIC组装完成，组装完成，TFH使使CTD磷酸化磷酸化能直接、间接辨认和结合转录上游区段DNA的蛋白质，现已发现数百种，统称为反式作用因子(trans-actingfacto

12、rs)。反式作用因子中，直接或间接结合RNA聚合酶的，则称为转录因子(transcriptionalfactors,TF)。n转录延长无转录与翻译同步的现象。RNA-pol前移处处都遇上核小体。转录延长过程中可以观察到核小体移位和解聚现象。转录延长中的核小体移位n转录终止真核生物的转录终止，是和转录后修饰密切相关的。真核生物mRNA有聚腺苷酸(polyA)尾巴结构，是转录后才加进去的。转录不是在polyA的位置上终止，而是超出数百个乃至上千个核苷酸后才停顿。已发现，在读码框架的下游，常有一组共同序列AATAAA，再下游还有相当多的GT序列。这些序列称为转录终止的修饰点。5-AAUAAA-5 -

13、AAUAAA-核酸酶核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAA GTGTGTG转录终止的修饰点转录终止的修饰点5 5 3 3 3 3 加尾加尾AAAAAAA 3 mRNAn转录终止 和转录后修饰密切相关。和转录后修饰密切相关。n真核生物RNA的加工真核生物转录生成的RNA分子是初级RNA转录物(primaryRNAtranscript)，几乎所有的初级RNA转录物都要经过加工，才能成为具有功能的成熟的RNA。加工主要在细胞核中进行。地球上两种基本的细胞形式DNA原核细胞真核细胞proteinscap53tailmature mRNADNA53processmRNAribosomemRNA

14、proteinsn真核生物mRNA的加工前体mRNA在5末端加入“帽”结构。大多数真核mRNA的5-末端有7-甲基鸟嘌呤的帽结构。这个真核mRNA加工过程的起始步骤由两种酶，加 帽 酶(capping enzyme)和 甲 基 转 移 酶(methyltransferase)催化完成。帽子结构5pppGp5GpppGppppGppi鸟苷酸转移酶5m7GpppGp甲基转移酶SAM帽子结构的生成过程：5ppGp磷酸酶Pi帽子结构的意义可以使mRNA免遭核酸酶的攻击。也能与帽结合蛋白质复合体(cap-bindingcomplexofprotein)结合，并参与mRNA和核糖体的结合，启动蛋白质的生物

15、合成。n真核生物mRNA的加工前体mRNA在3末端加入“PolyA”结构。尾部修饰是和转录终止同时进行的过程。polyA的有无与长短，是维持mRNA作为翻译模板的活性，以及增加mRNA本身稳定性的因素。一般真核生物在胞浆内出现的mRNA，其polyA长度为100至200个核苷酸之间，也有少数例外。5-AAUAAA-5 -AAUAAA-核酸酶核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAA GTGTGTG转录终止的修饰点转录终止的修饰点5 5 3 3 3 3 加尾加尾AAAAAAA 3 mRNA3末端加入PolyA结构维持mRNA作为翻译模板的活性增加mRNA稳定性poly A 结构的意义：n真

16、核生物mRNA的加工mRNA的剪接除去hnRNA中的内含子，将外显子连接。真核生物结构基因，由若干个编码区和非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。断裂基因(splite gene)CABD编码区编码区 A、B、C、D非编码区非编码区鸡卵清蛋白基因hnRNA首、尾修饰hnRNA剪接成熟的mRNA鸡卵清蛋白基因及其转录、转录后修饰鸡卵清蛋白成熟鸡卵清蛋白成熟mRNA与与DNA杂交电镜图杂交电镜图DNAmRNAmRNA编辑（mRNA editing）真核生物基因转录后有一个对mRNA外显子加工的过程，可通过特定碱基的插入

17、、缺失或置换，使mRNA序列中出现移码突变、错义突变或无义突变，导致mRNA与其DNA模板序列不匹配，使同一前体mRNA翻译出序列、功能不同的蛋白质。RNA编辑作用说明，基因的编码序列经过转录后加工，是可有多用途分化的，因此也称为分化加工(differentialRNAprocessing)。mRNA的编辑(mRNA editing)人类人类apo B基因基因 mRNA（14500个核苷酸）个核苷酸）肝脏肝脏apo B100（分子量为（分子量为500 000）肠道细胞肠道细胞apo B48（分子量为（分子量为240 000）mRNA编辑编辑tRNA的转录后加工tRNA前体RNA pol TGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNARNAaseP、内切酶tRNA核苷酸转移酶、连接酶ATPADP碱基修饰（2）还原反应如：UDHU（3）核苷内的转位反应如：U（4）脱氨反应如：AI如：AAm（1）甲基化（1）（1）（3）（2）（4）rRNA的转录后加工转录45S-rRNA剪接18S-rRNA5.8S和28S-rRNArDNA内含子内含子内含子内含子28S5.8S18S谢 谢