RNA的生物合成

目录生物化学与分子生物学目录第十六章RNA的生物合成RNABiosynthesis(Transcription)目录转录(transcription)是生物体以DNA为模板合成RNA的过程。转录RNADNA转录产物除mRNA、rRNA和tRNA外，在真核细胞内还有snRNA、miRNA等非编码RNA。复制和转录的区别A-U，T-A，G-CA-T，G-C配对mRNA，tRNA，rRNA子代双链DNA（半保留复制）产物RNA聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶酶NTPdNTP原料模板链转录（不对称转录）两股链均复制模板转录复制A-U，T-A，G-CA-T，G-C配对mRNA，tRNA，rRNA子代双链DNA（半保留复制）产物RNA聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶酶NTPdNTP原料模板链转录（不对称转录）两股链均复制模板转录复制目录原核生物转录的模板和酶Templates&Enzymesinprokaryotictranscription第一节目录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)其他蛋白质因子及Mg2+和Mn2+等合成方向5→3，核苷酸间的连接方式为3，5-磷酸二酯键。目录一、原核生物转录的模板DNA分子上转录出RNA的区段，称为结构基因(structuralgene)。转录的这种选择性称为不对称转录(asymmetrictranscription)，它有两方面含义：在DNA分子双链上，一股链用作模板指引转录，另一股链不转录；其二是模板链并非总是在同一单链上。目录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不对称转录目录5′···GCAGTACATGTC···3′3′···cgtgatgtacag···5′5′···GCAGUACAUGUC···3′N······Ala·Val·His·Val······C编码链模板链mRNA蛋白质转录翻译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(templatestrand)，也称作有意义链或Watson链。相对的另一股单链是编码链(codingstrand)，也称为反义链或Crick链。目录二、RNA聚合酶催化RNA合成（一）RNA聚合酶能从头启动RNA链的合成DNA依赖的RNA聚合酶催化合成RNA；RNA合成的化学机制与DNA依赖的DNA聚合酶催化DNA合成相似。(NMP)n+NTP→(NMP)n+1+PPiRNA延长的RNA目录RNA聚合酶不需要引物就能直接启动RNA链的延长。只以双链DNA中的一股DNA链为模板。RNA聚合酶和DNA的特殊序列——启动子(promoter)结合后，就能启动RNA合成。目录（二）RNA聚合酶由多个亚基组成36512决定哪些基因被转录150618催化功能155613结合DNA模板70263辨认起始点亚基分子量功能目录核心酶(coreenzyme)全酶(holoenzyme)转录起始阶段转录延长阶段目录RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合目录三、RNA聚合酶结合到DNA的启动子上启动转录转录是不连续、分区段进行的。每一转录区段可视为一个转录单位，称为操纵子(operon)。操纵子包括若干个结构基因及其上游(upstream)的调控序列。5335结构基因调控序列RNA-pol目录调控序列中的启动子是RNA聚合酶结合模板DNA的部位，也是控制转录的关键部位。原核生物以RNA聚合酶全酶结合到DNA的启动子上而起动转录，其中由σ亚基辨认启动子，其他亚基相互配合。对启动子的研究，常采用一种巧妙的方法即RNA聚合酶保护法。目录RNA聚合酶保护法目录开始转录TTGACAAACTGT-35区(Pribnowbox)TATAATPuATATTAPy-10区1-30-5010-10-40-205335RNA-pol辨认位点(recognitionsite)55RNA聚合酶保护区结构基因33RNA聚合酶保护法研究转录起始区目录原核生物的转录过程TheProcessofTranscriptioninProkaryote第二节目录原核生物的转录过程可分为转录起始、转录延长和转录终止三个阶段。2.DNA双链打开，形成开放转录复合体(opentranscriptioncomplex)；DNA分子接近-10区域的部分双螺旋解开后转录开始。DNA双链解开的范围只在17bp左右，这比复制中形成的复制叉小得多。1.RNA聚合酶全酶(2)识别并结合启动子，形成闭合转录复合体（closedtranscriptioncomplex）；3.在RNA聚合酶作用下发生第一次聚合反应，形成第一个磷酸二酯键：RNApol(2)-DNA-pppGpN-OH3转录起始复合物:5-pppG-OH+NTP5-pppGpN-OH3+ppi转录起始过程：目录E.coli的转录起始和延长目录第一个磷酸二酯键生成后，转录复合体的构象发生改变，σ亚基即从转录起始复合物上脱落，核心酶连同四磷酸二核苷酸，继续结合于DNA模板上，酶沿DNA链前移，进入延长阶段。目录二、RNApol核心酶独立延长RNA链1.亚基脱落，RNA–pol聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，沿着DNA模板前移；2.在核心酶作用下，NTP不断聚合，RNA链不断延长。(NMP)n+NTP(NMP)n+1+PPi目录大肠杆菌的转录泡局部结构示意转录空泡(transcriptionbubble)：RNA-pol（核心酶）····DNA····RNA目录转录延长以下特点①核心酶负责RNA链延长反应；②RNA链从5-端向3-端延长，新的核苷酸都是加到3-OH上；③对DNA模板链的阅读方向是3-端向5-端，合成的RNA链与之呈反向互补，即酶是沿着模板链的3向5方向或沿着编码链的5向3方向前进的；④合成区域存在着动态变化的8bp的RNA-DNA杂合双链；⑤模板DNA的双螺旋结构随着核心酶的移动发生解链和再复合的动态变化。目录三、原核生物转录延长与蛋白质的翻译同时进行53DNA核糖体RNARNA聚合酶在同一DNA模板上，有多个转录同时在进行；转录尚未完成，翻译已在进行。目录依赖因子的转录终止非依赖因子的转录终止四、原核生物转录终止分为依赖因子与非依赖因子两大类转录终止指RNA聚合酶在DNA模板上停顿下来不再前进，转录产物RNA链从转录复合物上脱落下来。依据是否需要蛋白质因子的参与，原核生物转录终止分为：目录ρ因子是由相同亚基组成的六聚体蛋白质，亚基分子量46kD。ρ因子能结合RNA，又以对polyC的结合力最强。ρ因子还有ATP酶活性和解螺旋酶(helicase)的活性。（一）依赖ρ因子的转录终止ρ因子：目录ρ因子的作用原理：目录目前认为，ρ因子终止转录的作用是：与RNA转录产物结合，结合后ρ因子和RNA聚合酶都可发生构象变化，从而使RNA聚合酶停顿，解螺旋酶的活性使DNA/RNA杂化双链拆离，利于产物从转录复合物中释放。目录（二）非依赖Rho因子的转录终止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。茎环结构使转录终止的机理：使RNA聚合酶变构，转录停顿；使转录复合物趋于解离，RNA产物释放。5´pppG5335RNA-pol目录真核生物RNA的加工和降解TheProcessingandDegradationofEukaryoticRNA第四节目录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。目录几种主要的修饰方式：1.剪接(splicing)2.剪切(cleavage)3.修饰(modification)4.添加(addition)5.RNA编辑(RNAediting)目录一、核不均一RNA经首、尾修饰和剪接后成为mRNA真核生物mRNA转录后，需要进行5-端和3-端（首、尾部）的修饰以及对hnRNA进行剪接（splicing），才能成为成熟的mRNA，被转运到核糖体，指导蛋白质翻译。目录（一）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(cappingenzyme)和甲基转移酶(methyltransferase)催化完成。目录帽结构目录帽结构的生成过程目录帽结构的意义：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，启动蛋白质的生物合成。目录（二）前体mRNA在3-端特异位点断裂并加上多聚腺苷酸尾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。前体mRNA分子的断裂和加多聚腺苷酸尾是多步骤过程。AAUAAAG/U5’3’Poly(A)信号Poly(A)位点mRNACPSFG/U5’3’CPSFCFI,CFII,CStFCPSFCStFCFICFIIPAPCPSFCStFCFICFIIPAPATPG/UPPPiCFIICFICStF慢速多腺苷酸化PABⅡCPSFAAAAAAAAAAOHPAPATPPPiPABⅡ快速多腺苷酸化CPSFAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAHOAAAAAAAAAAPAPCPSFAAAAAAAAAAOHPAP目录（三）前体mRNA的剪接主要是去除内含子在细胞核内出现的初级转录物的分子量往往比在胞质内出现的成熟mRNA大几倍，甚至数十倍。核酸序列分析证明，mRNA来自hnRNA，而hnRNA和DNA模板链可以完全配对去除初级转录物上的内含子，把外显子连接为成熟RNA的过程称为mRNA剪接（mRNAsplicing）。目录真核生物结构基因，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(splitegene)CABD编码区A、B、C、D非编码区目录外显子(exon)和内含子(intron)•外显子：在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟RNA的核酸序列。•内含子：隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列。目录鸡卵清蛋白成熟mRNA与DNA杂交电镜图DNAmRNA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、转录后修饰目录1.内含子形成套索RNA被剪除•剪接首先涉及套索RNA（lariatRNA）的形成，即内含子区段弯曲，使相邻的两个外显子互相靠近而利于剪接。•此后，还发现内含子近3′端的嘌呤甲基化，例如3mG是形成套索所必需的。2.内含子在剪接接口处剪除•大多数内含子都以GU为5端的起始，而其末端则为AG-OH-3。•5GU……AG-OH-3称为剪接接口（splicingjunction）或边界序列。•剪接后，GU或AG不一定被剪除。目录3.剪接过程需两次转酯反应目录4.剪接体(snRNP)是内含子剪接场所目录5.前体mRNA分子有剪切和剪接两种模式前体mRNA分子的加工除上述剪接外，还有一种剪切（cleavage）模式。剪切指的是剪去某些内含子后，在上游的外显子3-端直接进行多聚腺苷酸化，不进行相邻外显子之间的连接反应。剪接是指剪切后又将相邻的外显子片段连接起来，然后进行多聚腺苷酸化。目录真核细胞基因的前体mRN