RNA的生物合成

上海市精品课程系列----生物化学第四章RNA的生物合成第四章RNA的生物合成4.1概述4.2原核生物RNA的合成4.3真核生物RNA的合成4.4转录后加工及其机制4.1概述转录的基本概念转录的方式转录与DNA复制的比较转录的基本概念以DNA分子中一条链的部分片段为模板，按照碱基配对原则，按5’→3’方向合成出一条与模板DNA链互补的RNA分子的过程。4.1概述转录的部位真核生物：细胞核原核生物：核质区核仁：rRNA核质：mRNA，tRNA原料：NTP模板：DNA酶：RNA聚合酶其它蛋白质因子参与转录的物质4.1概述转录的反应n1ATPn2GTPRNA聚合酶n3CTPDNAn4UTPRNA+(n1+n2+n3+n4)PPi底物或原料酶模板产物4.1概述不对称转录：转录区只有一小段DNA的一条链作为模板链进行转录。转录的方式4.1概述模板链（反义链、负链）：可作为转录模板的DNA的一条链，与转录的RNA反义，编码链是针对某一基因而言。编码链（有义链、正链）：不参与转录的DNA的一条链，其序列与转录的RNA相同，只是编码链中的T在RNA中为U。4.1概述模板链不固定在DNA的某一条链上，而是两条链中交互出现，使转录也交替出现。转录单位：DNA链上从启动子直到终止子为止的序列。一个转录单位包括一个或几个基因。4.1概述比较点复制转录模板两条母链DNADNA双链中反意义的一条链，只发生在一部分基因上合成原料dNTP（A、G、C、T）NTP（A、G、C、U）合成产物DNAmRNA、tRNA、rRNA引物需要一段RNA引物不需要引物配对A—T；C—G；A—U；T—A；G—C；调控区存在复制产物序列中存在转录开始位点的上游聚合酶DNA聚合酶RNA聚合酶（无校对功能）共同点①都以DNA作模板；②都需核苷酸作原料，都从5’向3’延长；③产物都是长长的聚核苷酸链；④都遵从碱基配对规律；⑤都需要依赖DNA的聚合酶。转录与复制的比较4.1概述4.2原核生物RNA的合成参与转录起始的关键酶与元件转录的基本过程RNA聚合酶特点以DNA为模板都以四种三磷酸核苷为底物和原料都遵循DNA与RNA之间的碱基配对原则RNA链的延长方向是5’→3’的连续合成需要Mg2+或Mn2+离子不需要引物缺乏3’→5’外切酶活性参与转录起始的关键酶与元件4.2原核生物RNA的合成大肠杆菌RNA聚合酶启动子a2bb’s（全酶）=a2bb’（核心酶）+s识别DNA上转录起始信号的碱基序列（启动子）与启动子结合，决定哪个基因被转录与DNA模板结合催化磷酸二酯键的形成，与转录全过程有关4.2原核生物RNA的合成利福平和利福霉素可与b亚基结合，阻止RNA链的延伸，从而抑制转录的发生。肝素是一种多价阴子化合物，能与b’亚基结合，从而在体外抑制转录作用。s70：转录大多数基因4.2原核生物RNA的合成启动子结构4.2原核生物RNA的合成RNA聚合酶识别和结合的DNA上一段特殊的核苷酸序列，位于转录起点附近。RNA聚合酶结合部位s因子识别结合部位典型启动子RNA聚合酶与启动子的结合4.2原核生物RNA的合成RNA聚合酶能与-35和-10区中的碱基及DNA主链中的磷酸基相接触；与保守序列差别较远的启动子活性较弱；破坏启动子功能的突变中有75%是改变了保守序列中的碱基，其余25%为离保守序列较近的。s因子与启动子4.2原核生物RNA的合成s因子结构的不同区域分别参与了和编码链的接触、熔链反应以及与核心酶相互作用。-35区作为启动子的识别域，-10区为“解链域”。s70被证明其Tyr425、Tyr430、Trp433、Trp434等四个氨基酸残基直接与启动子-10区的TATAAT序列作用，解开DNA双螺旋。负超螺旋正超螺旋转录泡3’5’启动起始延伸终止4.2原核生物RNA的合成转录的基本过程4.2原核生物RNA的合成转录的启动启动子由RNA聚合酶全酶结合于启动子而被启动，形成闭合二元复合物。4.2原核生物RNA的合成转录的起始局部解链（约17个碱基对）第一个核苷三磷酸结合到全酶上“启动子-全酶-核苷三磷酸”三元复合物第二个核苷三磷酸参入，形成第一个磷酸二酯键s因子从全酶上掉下，核心酶在DNA链上向下游滑动开放二元复合物“核心酶-DNA-RNA”三元复合物链的延伸转录泡编码链RNA聚合酶模板链转录方向活性部位RNA-DNA杂合双链解开螺旋恢复螺旋4.2原核生物RNA的合成转录的终止4.2原核生物RNA的合成终止子：DNA分子上一段终止转录的特殊核苷酸序列。终止依赖于RNA产物，而不是由转录中DNA序列来决定。依赖r因子的终止不依赖r因子的终止4.2原核生物RNA的合成共同序列特征：在转录终止前有一段回文结构，之间由几个碱基隔开，因此转录的RNA片段会形成茎环结构，阻止聚合酶前进。4.2原核生物RNA的合成不依赖r因子的终止4.2原核生物RNA的合成依赖r因子的终止r因子：活性形式为六聚体，亚基具有一个RNA结合域和ATP水解域。六聚体具有依赖ATP的解旋酶活性。4.3真核生物RNA的合成参与转录起始的关键酶与元件转录的基本过程4.3真核生物RNA的合成种类分布合成的RNA类型对a-鹅膏蕈碱的敏感性I核仁rRNA不敏感II核质hnRNA低浓度敏感III核质tRNA，5SrRNA高浓度敏感Mt线粒体线粒体RNAs不敏感与RNA聚合酶II特异性结合，从而抑制磷酸二酯键的形成。用于真核细胞RNA聚合酶的识别或RNA聚合酶II的定量等。真核RNA聚合酶参与转录起始的关键酶与元件4.3真核生物RNA的合成真核启动子TATA盒决定转录起点的选择。CAAT盒与转录起始频率有关。4.3真核生物RNA的合成增强子能增强启动子的活性，可存在于启动子上游或下游。4.3真核生物RNA的合成转录的起始转录的基本过程转录因子可与RNA聚合酶II形成转录起始复合物，共同参与转录起始过程。4.3真核生物RNA的合成TFIID能与启动子结合，并吸引其它转录因子及聚合酶进到转录启动区。转录起始复合物4.3真核生物RNA的合成转录的终止RNA聚合酶II所转录的基因在最后一个外显子下游都具有一个加poly-A的信号AATAAA序列，而RNA聚合酶II一般在该位点下游停止转录。4.4转录后加工及其机制原核生物RNA转录后加工真核生物RNA转录后加工RNA的自我剪切与催化原核生物RNA转录后加工4.4转录后加工及其机制mRNA原核生物的结构基因是连续编码序列，转录形成的mRNA绝大数不需加工修饰。原核生物没有核膜，转录和翻译是偶联的，往往转录还未完成已开始翻译。rRNA4.4转录后加工及其机制7个编码rRNA的操纵子分散于基因组中，组成基本相同，均含有16S-23S-5S的三个rRNA分子。16SrRNA后有1-2个tRNA基因，23S和5SrRNA后有0、1或2个tRNA基因。4.4转录后加工及其机制rRNA在修饰酶催化下进行碱基的甲基化修饰；rRNA前体被RNaseIII、RNaseE、RNaseP、RNaseF等剪切成一定链长的rRNA分子；rRNA与蛋白质结合形成核糖体的大、小亚基。tRNA4.4转录后加工及其机制tRNA前体被tRNA剪切酶切成一定大小的tRNA分子；成熟tRNA分子中的稀有碱基是通过修饰形成的；3’-末端加上CCA。真核生物RNA转录后加工与修饰4.4转录后加工及其机制mRNA真核mRNA被合成达到20-40bp时就开始进入加工阶段。4.4转录后加工及其机制5’-端加帽3’-端加尾甲基化剪接4.4转录后加工及其机制5’-端加帽帽子结构是翻译起始所必要的，为核糖体识别mRNA提供了信号；协助核糖体与mRNA结合使翻译从AUG开始；增加mRNA稳定性，免遭5’外切核酸酶的降解。RNA三磷酸酶mRNA鸟苷酰转移酶mRNA（鸟嘌呤-7）甲基转移酶mRNA（核苷-2’）甲基转移酶4.4转录后加工及其机制帽子0：7-甲基鸟苷以5’-5’三磷酸键与RNA的5’-端相连形成m7GpppN。帽子1：RNA的第1位核苷酸的2’-O位也甲基化，形成m7GpppNm。帽子2：RNA的第1、2位核苷酸的2’-O位均甲基化，形成m7GpppNmNm。尾巴结构4.4转录后加工及其机制3’-端加尾3’端AAUAA、YGUGUGYY（Y为嘧啶）序列作为mRNA3’-端加polyA尾的信号。RNaseIII在加尾信号下游11-30bp处切断磷酸二酯键。polyA聚合酶催化在3’-OH上逐一引入100-250个A。防止核酸外切酶降解mRNA信息序列，可能与mRNA的运输有关。4.4转录后加工及其机制甲基化真核mRNA往往有甲基化位点，主要是在N6-甲基腺嘌呤（m6A）。这种甲基化修饰对翻译没有必要，可能在mRNA前体加工中起识别作用。4.4转录后加工及其机制剪接内含子的切除外显子的拼接成熟mRNA——单顺反子4.4转录后加工及其机制GU-AG规律：所有内含子都是以GU开始，以AG告终的保守序列。mRNA前体的内含子末端序列剪接位点突变引起剪切错误，剪切位点突变导致地中海贫血症。4.4转录后加工及其机制U系列snRNA与蛋白质结合形成核糖核蛋白颗粒（RNP）。U-snRNA参与hnRNA的剪接过程，U1、U2、U4、U5、U6可能都与hnRNA的加工有关。snRNP和其他辅助蛋白共同组成一个剪接体，对内含子3’和5’剪接位点和分支点进行识别和剪接作用。4.4转录后加工及其机制mRNA前体在snRNP等参与下，内含子中分支点部位的腺苷酸残基的2’-OH自动攻击内含子5’端与外显子1连接的磷酸二酯键，切下外显子1。腺苷酸原来的3’,5’-磷酸二酯键依然存在，加上此2’,5’-磷酸二酯键连接后，在腺苷酸处出现了一个套索。已被切下的外显子1的3’-OH攻击内含子3’-端与外显子2间的3’,5’-磷酸二酯键使其断裂，内含子以套索的形式被切下。外显子1和2相互连接。rRNA4.4转录后加工及其机制真核生物rRNA基因有几十至几千个拷贝数串联重复。其中18SrRNA、28SrRNA和5.8SrRNA基因成簇排列组成一个转录单位，彼此被间隔区分开，由RNA聚合酶I转录成一个rRNA前体。4.4转录后加工及其机制5SrRNA基因也成簇排列，存在于另一个转录单位，间隔区不被转录，由RNA聚合酶III转录（内部启动子）。4.4转录后加工及其机制甲基化切割甲基的存在是初级转录物转变成熟的rRNA的标志。4.4转录后加工及其机制人类的45SrRNA与小鼠的45SrRNA加工方式不同。酵母rRNA加工途径tRNA4.4转录后加工及其机制tRNA基因成簇排列，被间隔区分开，由RNA聚合酶III转录。真核生物转录生成的tRNA前体需进行加工修饰才有生物活性。tRNA的剪接需要独立的核酸酶和连接酶活性。由内切酶保证内含子识别的专一性，在内含子两个末端进行tRNA的剪接。4.4转录后加工及其机制核酸内切酶切断内含子-外显子边界，产生2’-3’-环形磷酸和5’-OH；环形磷酸打开产生2’-磷酸和3’-OH，5’-OH末端磷酸化；内含子释放，tRNA半分子折叠成一个含5’-磷酸及一个3’-OH裂口的类tRNA结构；连接酶缝合裂口，磷酸酶除去2’-磷酸；碱基修饰；3’-OH连接CCA结构。ACC4.4转录后加工及其机制RNA的自我剪切与催化主要存在于核中，化学本质是RNA；大小从十几个bp到数百个bp；底物多为RNA（也有DNA、糖类、氨基酸酯等）；催化效率较酶（蛋白质）低得多；必需有Mg2+存在；具有催化作用的专一性；作用方式有剪切型和剪接型两大类型，称为自我剪切和自我剪接。核酶的特性4.4转录后加工及其机制相当于核酸内切酶和连接酶两种酶的联合作用，催化自身RNA进行剪切和连接。剪接型核酶催化反应需Mg2+和鸟苷或5’鸟苷酸参与，鸟苷必须有游离的3’-OH，剪下来的内含子生成环状中间产物。413bp内含子成熟rRNA4.4转录后加工及其机制4.4转录后加工及其机制相当于核酸内切酶，可催化自身RNA或异体RNA切除一段特异的核苷酸序列。剪切型核酶RNaseP由蛋白质和miRNA组成