11RNA的生物合成

第十一章RNA的生物合成模板和酶以DNA为模板合成RNA的过程以RNA为模板合成RNA的过程RNA的转录后加工第一节模板和酶转录是在DNA的指导下，由RNA聚合酶催化，以一条DNA链为模板，按照碱基互补配对的原则，四种核苷三磷酸为原料，合成一条与模板DNA某段区域互补的RNA链的过程。RNA的转录从DNA模板的特定位点开始，并在一定的位点终止。此转录区域为一个转录单位。复制转录模板原料酶产物配对方向化学键引物两股链均复制dNTPDNA聚合酶子代双链DNAAT，GC5′→3′磷酸二酯键需要模板链复制NTPRNA聚合酶mRNA，tRNA，rRNAAU，GC，TA5′→3′磷酸二酯键不需要一、转录模板转录的不对称性：在RNA的合成中，DNA的二条链中仅有一条链可作为转录的模板，称为转录的不对称性。（半不对称转录）模板链（无意义链，负链）：在RNA的转录中，用作模板的DNA链称为模板链。编码链（有义链，正链）在RNA的转录中，模板链的互补DNA链称为编码链。5335模板链编码链结构基因—能转录出RNA的DNA区段模板链编码链←转录方向GCAGTACATGTC5'3'3'CGTCATGTACAG5'DNA模板链编码链转录RNAGCAGUACAUGUC5'3'转录产物RNA的碱基序列，除了T变U外，其余与编码链相同。二、RNA聚合酶n1ATPn2CTPn3GTPn4UTPRNA聚合酶DNA模板RNA+（n1+n2+n3+n4)PPi亚基组成：a2bb'ws=a2bb'w+s全酶核心酶σ亚基：识别DNA上转录的起始部位，从而引导全酶结合上去核心酶：解开前方的DNA双螺旋、RNA链的延伸、恢复后面的DNA双螺旋此外，每个RNA聚合酶还含有2个Zn离子。1.原核生物的RNA聚合酶五种亚基的功能分别为α亚基：与启动子结合功能。β亚基：含催化部位，起催化作用，催化形成磷酸二酯键。β′亚基：与DNA模板结合功能。σ亚基：识别起始位点。w亚基：在全酶中存在，功能不清楚。大肠杆菌RNA聚合酶的结构示意图saabb核心酶(α2ββ)起始因子全酶(αββs)2.真核生物的RNA聚合酶5S-rRNAtRNA、snRNA种类ⅠⅡⅢ对鹅膏蕈碱的反应耐受极敏感中度敏感45S-rRNAhnRNA转录产物核仁核质核质存在部位RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ都由多个亚基组成。有些亚基是三种酶所共有。mRNA是各种RNA中寿命最短、最不稳定的，需经常重新合成。因此RNA聚合酶Ⅱ是三种酶中最活跃的。RNA聚合酶的特点：1、反应底物：NTP，DNA为模板、Mg2+促进聚合反应。RNA聚合酶不需要引物，合成方向53。2、利福平抑制原核生物RNA聚合酶活性；α-鹅膏蕈碱抑制真核生物RNA聚合酶活性。三、酶与模板的辨认结合原核生物一个转录区段可视为一个转录单位，称为操纵子，包括若干个结构基因及其上游的调控序列。上游序列—位于起始点左边（5′）的DNA序列，记数为“－”。下游序列—位于起始点右边（3′）的DNA序列，记数为“＋”。启动子—是DNA链上的一段能被RNA聚合酶识别、结合并启动转录的区域。是调控转录的关键部位。启动子位于基因上游，分两类：RNA聚合酶直接识别型启动子和蛋白质因子辅助RNA聚合酶识别型启动子。5'3'3'5'调控序列结构基因RNA-pol原核生物启动子5'3'3'5'-50-40-30-20-10110开始转录-10区TATAATATATTA(Pribnowbox)-35区TTGACAAACTGT保守序列N17TTAACTN7AN16TATGATN7AN17TATGTTN6AN16TATAATN7AN18TACTGTN6ATTTACATTTACATTGACATTGATACTGACGtrptRNATrplacrecAara－　区－　区3510+1最大一致性TTGACATATAATx/45383629373728402530412944原核生物启动子－35区：一致性序列为TTGACA是RNA-pol的辨认位点－10区：一致性序列为TATAAT又叫Pribnowbox是RNA-pol的结合位点RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合真核生物启动子结构基因GCGCCAATTATA内含子外显子外显子转录起始CAAT盒GC盒增强子顺式作用元件TATA盒(Hognessbox)－25－75顺式作用元件真核生物结构基因上游的调控区存在的一致性DNA序列。（增强子、TATA,GC等)反式作用因子直接或间接辨认、结合顺式作用元件并影响其功能的蛋白质。(转录因子）DTATAABDNATATAFERNA聚合酶反式作用因子（转录因子）各种调节序列--顺式作用元件第二节以DNA为模板合成RNA的过程一、转录起始转录起始需解决两个问题：1、RNA聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域2、DNA双链解开，使其中的一条链作为转录的模板1、原核生物的转录起始2DNA双链解开，形成转录空泡1RNA聚合酶全酶(a2bbs)与模板结合3在RNA聚合酶作用下发生第一次聚合反应–5’-pppGpN–OH+ppiRNApol-DNA-pppGpN-OHspppGNTPpppGpN-OHppi起始复合物:5’-pppG-OH+NTP2、真核生物的转录起始RNA聚合酶与模板DNA的结合需一系列转录因子(TF)的参与。反式作用因子中，直接或间接结合RNA聚合酶的，则称为转录因子真核生物的转录起始上游区段比原核生物多样化，转录起始时，RNA-pol不直接结合模板，其起始过程比原核生物复杂。参与RNA-polⅡ转录的TFⅡ蛋白激酶活性，使CTD磷酸化TFⅡHATPase57（a）34（b）TFⅡE解螺旋酶30，74TFⅡF促进RNA-polⅡ结合及作为其他因子结合的桥梁33TFⅡB稳定TFⅡD-DNA复合物12，19，35TFⅡA辅助TBP-DNA结合TAF**结合TATA盒TBP*38TFⅡD功能亚基组成，分子量(kD)转录因子蛋白激酶活性，使CTD磷酸化TFⅡHATPase57（a）34（b）TFⅡE解螺旋酶30，74TFⅡF促进RNA-polⅡ结合及作为其他因子结合的桥梁33TFⅡB稳定TFⅡD-DNA复合物12，19，35TFⅡA辅助TBP-DNA结合TAF**结合TATA盒TBP*38TFⅡD功能亚基组成，分子量(kD)转录因子POL-ⅡTFⅡFⅡAⅡB形成转录起始复合物POL-ⅡTFⅡFⅡHⅡETBPTAFTFⅡD-ⅡA-ⅡB-DNA复合物TATAⅡAⅡBTBPTAFTATAⅡHⅡECTD-PPIC组装完成，TFⅡH使CTD磷酸化二、转录延长1、s亚基脱落，RNA–pol聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，在DNA模板上3′→5′方向前移；2、在核心酶作用下，NTP逐个加到RNA链的3‘-OH端，RNA链沿5′→3′延伸。(NMP)n+NTP(NMP)n+1+PPiDNA上的解螺旋区：在RNA链延伸的同时，RNA聚合酶继续解开它前方的DNA双螺旋，暴露出新的模板链，而后面被解开的两条DNA单链又重新形成双螺旋，DNA上的解螺旋区保持约17个碱基对的长度。RNA-DNA杂交区：刚合成出来的RNA链与解开的DNA模板链之间可形成一小段RNA-DNA杂交区，长度约12bp。随着核心酶的移动，杂交区也往前延伸，保持着固定一小段。转录复合物:RNA-pol(核心酶)····DNA····RNA解链复链负超螺旋正超螺旋53DNA原核生物转录过程中的现象核糖体RNARNA聚合酶RNA-PolRNA-PolRNA-Pol核小体真核生物转录延长中的核小体移位现象转录方向三、转录终止---RNA聚合酶在DNA模板上停止前进，转录产物RNA链从转录复合物上脱落下来。终止子--在DNA分子上（基因末端）提供转录停止信号的DNA序列，它能使RNA聚合酶停止合成RNA并释放出RNA。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。1、原核生物的转录终止(1)依赖ρ因子(Rho)的转录终止(弱终止子)(2)不依赖ρ因子的转录终止(强终止子)ρ因子（终止因子）协助RNA聚合酶识别终止信号，它能与RNA聚合酶结合但不是酶的组分，它的作用是阻止RNA聚合酶向前移动，于是转录终止，并释放出已转录完成的RNA链。ATP依赖ρ因子(Rho)的转录终止5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`RNA5TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT...3DNAUUUU...…UUUU...…5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`茎环(stem-loop)/发夹(hairpin)结构大肠杆菌两类终止子的回文结构不依赖于Rho（）的终止子依赖于Rho（）的终止子富含G-C系列U2、真核生物的转录终止——和转录后修饰密切相关mRNA核酸酶AATAAAGTGTGTG转录终止的修饰点5’5’3’3’RNA-polRNA合成过程起始双链DNA局部解开磷酸二酯键形成终止阶段解链区到达基因终点延长阶段53sRNA启动子（promoter)终止子(terminator)5sRNA聚合酶s5s353553离开第三节以RNA为模板合成RNA的过程（1）其单链RNA可充当mRNA，利用寄主中的核糖体合成外壳蛋白和复制酶的β亚基。（2）复制酶的β亚基可与来自寄主细胞的亚基αδ自动装配成RNA复制酶，进行RNA的复制，以分子中单链RNA为模板（正链），复制出一条新的RNA链（负链），再复制出正链，与外壳蛋白组装成新的噬菌体颗粒。某些RNA病毒可以以自身RNA为模板进行复制RNA（正链）RNA（正链）RNA（负链）RNA（负链）RNA（正链）RNA复制酶RNA复制酶组装RNA（正链）＋外壳蛋白＝病毒粒子病毒RNA复制：模板链模板链第四节RNA的转录后加工在细胞内，由RNA聚合酶合成的原初转录物往往需要一系列的变化，包括链的裂解、5和3末端的切除和特殊结构的形成、核苷的修饰、以及拼接和编辑等过程，才转变为成熟的RNA分子。此过程总称为RNA的成熟或称为RNA的转录后加工。几种主要的加工方式：1、剪接(splice)2、剪切(clavage)3、碱基修饰4、添加一、mRNA的转录后加工1、mRNA前体的一般加工•5端形成帽子结构(m7GpppNmp—)，功能：与翻译的起始识别有关，防止5端被水解。•3端加上多聚腺苷酸尾巴(polyA)，功能：维持mRNA稳定性，保持模板活性，20-200bp长。•内部甲基化(m6A)，功能：可能对mRNA前体加工起识别作用。NNHNN+NH2OCH3H2COOHOHOCH2OPOO-POOO-OO-OOPPOOO-ONORR＝H，CH3帽子结构（m7GpppNmp）：5pppGp…5GpppGp…pppGppi鸟苷酸转移酶5m7GpppGp…甲基转移酶SAM帽子结构的生成5ppGp…磷酸酶Pi2、真核生物mRNA的剪接、编辑、再编码断裂基因-真核生物的结构基因，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。CABD外显子-真核生物的结构基因上，能够为特定的蛋白质编码的DNA序列（编码序列）。内含子-真核生物的结构基因上，不能为特定的蛋白质编码的DNA序列（非编码序列）。剪接作用：切除内含子，拼接外显子的过程。转酯反应：磷酸二酯键断裂，并在其它位置重新形成新的磷酸二酯键的过程。编辑：改变RNA编码序列的方式。增加了基因产物的多样性。再编码：RNA编码和读码方式的改变。可消除移码突变等基因突变的危害。RNA编辑的不同类型和分布编辑类型机制存在U的插入与删除转