RNA生物合成生化课件.ppt

1、RNARNA生物合成生物合成 转录转录【目的与要求目的与要求】1、掌握转录的概念与特点2、掌握并能叙述原核生物与真核生物中RNA聚合酶的组成及功能3、掌握RNA转录过程4、掌握mRNA,tRNA与rRNA转录后加工过程概概 述述 一、一、RNARNA的生理功能的生理功能 DNA DNA将携带的遗传信息转到将携带的遗传信息转到RNARNA分子中，分子中，RNARNA分子以其信息指导蛋白质的合成分子以其信息指导蛋白质的合成 二、二、RNARNA合成概况合成概况 在生物界，在生物界，RNARNA合成有两种方式：一是合成有两种方式：一是DNADNA指指导的导的RNARNA合成，此为生物体内的主要合成方

2、式。另一合成，此为生物体内的主要合成方式。另一种是种是RNARNA指导的指导的RNARNA合成，此种方式常见于病毒。合成，此种方式常见于病毒。 转录产生的初级转录本是转录产生的初级转录本是RNARNA前体，需经加工过前体，需经加工过程才具有生物学活性程才具有生物学活性。DNADNA复制与转录的比较复制与转录的比较 复复 制制 转转 录录相相同同点点模模 板板 两股链均复制两股链均复制 模板链转录模板链转录合成方式合成方式 半保留复制半保留复制 不对称转录不对称转录原原 料料 dNTPdNTP NTP NTP聚合酶聚合酶 DNADNA聚合酶聚合酶 RNARNA聚合酶聚合酶碱基配对碱基配对 A-T

3、A-T，G-C A-G-C A-U U，T-T-A A，G-CG-C产产 物物 半保留的双链半保留的双链DNA DNA 单链单链RNARNA不不同同点点以以DNADNA为模板为模板遵循遵循碱基配对碱基配对原则原则聚合过程都是生成聚合过程都是生成磷酸二酯键磷酸二酯键新链合成方向为新链合成方向为5353第二节第二节 转录转录一、转录一、转录: :由由DNADNA指导的指导的RNARNA合成合成,DNA,DNA以碱基互补原则，决定以碱基互补原则，决定合成合成RNARNA的全部碱基成分及排列顺序，将的全部碱基成分及排列顺序，将DNADNA模板上的遗传信模板上的遗传信息传递到息传递到RNARNA分子的过

4、程。分子的过程。 1 1、反应体系：、反应体系：DNADNA模板模板, ,NTPNTP, ,酶，酶，MgMg2+2+,Mn,Mn2+2+ ， 合成方向合成方向 5353。 2 2、特点：不对称转录、特点：不对称转录-DNA-DNA片段转录时，双链片段转录时，双链DNADNA中只中只 有一条链作为转录的模板，这种转录方式称作不对有一条链作为转录的模板，这种转录方式称作不对 称转录称转录 模板链：指导模板链：指导RNARNA合成的合成的DNADNA链为模板链，又链为模板链，又称反意义链称反意义链 编码链：不作为转录的另一条编码链：不作为转录的另一条DNADNA链为编码链为编码链，又称有意义链链，又

5、称有意义链 由于基因分布于不同的由于基因分布于不同的DNADNA单链中，即某条单链中，即某条DNADNA单链对某个基因是模板链，而对另一个基因则单链对某个基因是模板链，而对另一个基因则是编码链是编码链 55G C A G G C A G T T A C A A C A T T G G T T C C3333c g t c a t g t a c a gc g t c a t g t a c a g55DNADNA55G C A G G C A G U U A C A A C A U U G G U U C C33mRNAmRNAN N Ala Val His Val Ala Val His V

6、al C C多肽链多肽链转录转录翻译翻译编码链编码链模板链模板链3 3、原料：、原料：四种磷酸核苷NTP,DNA中的T在RNA合成中变为U 4 4、合成过程、合成过程: : 连续，方向：方向：535 5、合成部位：、合成部位：细胞核内二、原核二、原核RNARNA聚合酶聚合酶 组成：组成：RNARNA聚合酶由聚合酶由5 5个亚个亚基构成，基构成，2 2为全为全酶（酶（分子量为分子量为480kD480kD ），）， 2 2为核心酶为核心酶 作用：识别作用：识别DNADNA分子中转分子中转录的起始部位。录的起始部位。 促进与模板链结合，并促进与模板链结合，并使使DNADNA双链打开双链打开17bp1

7、7bp。 催化催化NTPNTP的聚合，完成的聚合，完成一条一条RNARNA链的聚合反应。链的聚合反应。 识别转录终止信号，停止识别转录终止信号，停止聚合反应，参与转录水平聚合反应，参与转录水平的调控的调控 核心酶：能与核心酶：能与DNADNA链结合并启动转录，但没链结合并启动转录，但没有特异性，转录出来的可能不是一个完整的有特异性，转录出来的可能不是一个完整的基因序列基因序列决定基因转录的特异性决定基因转录的特异性亚基亚基 分子量分子量 每分子酶每分子酶中所含数目中所含数目 功能功能 36512 2 36512 2 150618 1 150618 1 与转录全过程有关与转录全过程有关 1556

8、13 1 155613 1 结合结合DNADNA模板模板 70263 1 70263 1 辨认起始位点辨认起始位点原核原核RNARNA聚合酶各个亚基的作用聚合酶各个亚基的作用特特 点点1.缺乏外切酶活性,无校对功能，错误率10-62.可被药物抑制（利福平） 人的RNA聚合酶对利福平不敏感。利用此特点可研制杀菌药物 三、真核三、真核RNARNA聚合酶聚合酶 真核较原核的酶复杂，已清楚的有RNA Pol, 组成和功能组成和功能：均由多亚基构成，聚合酶主要负责mRNA的合成； Pol主要负责rRNA的合成； Pol主要负责tRNA和5srRNA的合成 三种RNA聚合酶对转录抑制剂鹅膏覃碱的敏感性反应

9、不同种类种类 对鹅膏覃对鹅膏覃碱的反应碱的反应 耐受耐受极敏感极敏感中度敏感中度敏感 启动子：启动子：RNARNA聚合酶结合聚合酶结合DNADNA的部位，包括的部位，包括一些转录调控组件一些转录调控组件TTGACA盒子TATA盒子启动子区启动子区结构基因-10bp+1转录初级转录物RNA-35bp启动子启动子1 1、原核启动子：约、原核启动子：约55bp,55bp,分为起始点（分为起始点（start start sitesite）、结合部位、识别部位）、结合部位、识别部位 起始点：转录起始部位以起始点：转录起始部位以+1+1表示，转录的表示，转录的第第1 1个核苷酸常为嘌呤个核苷酸常为嘌呤-G

10、,A-G,A 结合部位：约结合部位：约6bp6bp组成组成, ,是高度保守区是高度保守区, ,共共有序列为有序列为5-TATAAT-3,5-TATAAT-3,位于起始点上游位于起始点上游-10-10。 识别部位：约识别部位：约6bp6bp组成组成, ,在在-35-35处处, ,为高度保为高度保守区守区, ,序列序列5-TTGACA-35-TTGACA-3。* * -35 -35和和-10-10都是大致位点都是大致位点2 2、真核启动子结构、真核启动子结构 RNA polRNA pol和和 RNA polRNA pol与与RNA polRNA pol所识别所识别的启动子不同，差异较大的启动子不同

11、，差异较大RNA polRNA pol TATA框：-25处含AT富集区, 共有序列TATA上游启动子成分：-75处含共有序列CAAT ,其它成分GC-box,八聚体等 增强子：距离较远，增加转录效率 TATA盒盒 CAAT盒盒 GC盒盒 增强子增强子 顺式作用元件顺式作用元件 结构基因结构基因-GCGC-CAAT-TATA转录起始转录起始真核生物启动子保守序列真核生物启动子保守序列转录过程-转录起始转录起始1.RNA1.RNA聚合酶与启动子的结合聚合酶与启动子的结合（亚基辨认亚基辨认-35-35区）区）2.2.DNADNA双链的打开双链的打开RNA polRNA pol （全酶移向（全酶移向

12、-10-10区区）3. 3. RNARNA链上链上合成第一个磷合成第一个磷酸二酯键酸二酯键5-ppp5-pppG Gp pN N-OH-3-OH-3亚基脱落亚基脱落转录过程 ( (二）延长二）延长 转录泡：是由转录泡：是由DNADNA模板链模板链,RNA,RNA聚合酶与新合聚合酶与新合成的转录本成的转录本RNARNA局部形成的结构局部形成的结构, ,它贯穿于延长过它贯穿于延长过程的始终。程的始终。 过程：在起始阶段形成第一个磷酸二酯键后，过程：在起始阶段形成第一个磷酸二酯键后，RNARNA聚合酶核心酶沿模板向下游移动，核苷酸之间聚合酶核心酶沿模板向下游移动，核苷酸之间以以3,53,5磷酸二酯键

13、相连，合成方向磷酸二酯键相连，合成方向5353，合成，合成的的RNARNA自自33末端逐步延长。合成出的末端逐步延长。合成出的RNARNA与与DNADNA形成形成杂交分子杂交分子, ,约约12bp12bp，因结合不紧很易脱离，因结合不紧很易脱离 RNA pol转录复合物：转录复合物：酶酶-DNA-RNA-DNA-RNA：转录泡转录泡RNA（三）终止（三）终止 合成移到终止信号时合成移到终止信号时, ,酶不滑动酶不滑动, ,聚合停聚合停止止, ,转录完成转录完成 特点：在转录终止点上游有一个可以使转特点：在转录终止点上游有一个可以使转录出的录出的RNARNA形成发卡结构的回文结构。形成发卡结构的

14、回文结构。 特点：终止部位含GC富集区与AT富集区,它们分别形成发卡结构和连续的U区，以终止转录。 （一）原核生物的转录终止（一）原核生物的转录终止1. 1. 依赖依赖因子因子的转录终止的转录终止2. 2. 不依赖不依赖因子因子的转录终止的转录终止因子因子1. 1. 识别结合识别结合富含富含C C的的RNARNA链链功能功能2. ATPase2. ATPase活性活性3. 3. 解螺旋酶活性解螺旋酶活性RNA RNA 聚合酶聚合酶因子附在因子附在RNARNA链上链上因子因子RNA RNA 链形成一个发夹结构，转链形成一个发夹结构，转录停止，录停止，因子利用因子利用ATPATP能滑行能滑行因子发

15、挥解螺旋酶活性，解开发夹和因子发挥解螺旋酶活性，解开发夹和RNA-DNARNA-DNA依赖依赖RhoRho因子的转录终止因子的转录终止TOHAAAUUUOHUUUOH不依赖不依赖因子因子的转录终止的转录终止四四 真核生物转录特点真核生物转录特点 启动子复杂启动子复杂, ,某些基因不含某些基因不含TATA boxTATA box，由起动序列，由起动序列参与基本转录的开始参与基本转录的开始 顺式作用元件顺式作用元件:真核生物中转录起始中起转录真核生物中转录起始中起转录调控作用的调控作用的DNADNA序列序列 -35-35区区 5 - 5 -TATA TATA (TATA(TATA盒盒) ) -70

16、 -70-110-110区区 CAATCAAT盒盒 GCGC盒盒（真核（真核TATATATA序列的位置不像原核序列的位置不像原核-35-35和和-10-10那样典型，那样典型，某些真核生物基因也可以没有某些真核生物基因也可以没有TATATATA序列）序列）转录因子转录因子与反式作用因子反式作用因子 转录因子转录因子与反式作用因子反式作用因子: 调节基因表达的蛋白为转录因子；它们调节基因表达的蛋白为转录因子；它们与特异的顺式作用元件相互作用与特异的顺式作用元件相互作用, ,影响另一影响另一基因的转录基因的转录TATATF II D TF II ATF II BRNA-pol II/TF II F

17、 TF II EPIC12345TATADNARNApolA DBEF转录起始复合物转录起始复合物结合顺序结合顺序真核转录的真核转录的转录终止序列，在转录终止序列，在33端之后有共同序列端之后有共同序列AATAAAAATAAA及多个及多个GTGT序列，序列，mRNAmRNA在转录终止序列处被切断在转录终止序列处被切断AATAAAAATAAAGTGTGTGGTGTGTG-AAUAAAAAUAAAGUGUGUGGUGUGUGAAUAAAAAUAAAGUGUGUGGUGUGUG酶切酶切加尾信号加尾信号GC丰富序列AATAAAAATAAAGTGTGTGGTGTGTG- AAUAAAAAUAAAGUGU

18、GUGGUGUGUG酶切酶切( (继续转录，继续转录，但但55端没端没有有“帽子帽子”，产物被降解）产物被降解）加尾加尾转录后的加工转录后的加工原核原核RNARNA不需加工，边转录边翻译不需加工，边转录边翻译真核真核RNARNA需要需要加工加工rRNArRNAtRNAtRNAmRNAmRNA55加加帽帽33加加尾尾 剪接剪接在转录过在转录过程中程中转录后进行转录后进行第三节第三节 真核生物转录后的加工真核生物转录后的加工 意义：转录生成的前体意义：转录生成的前体RNA,RNA,无生物学活性无生物学活性, ,需加工变为成熟、有活性的需加工变为成熟、有活性的RNA RNA 加工种类：剪切与剪接、末

19、端添加核苷酸、加工种类：剪切与剪接、末端添加核苷酸、修饰、修饰、RNARNA编辑编辑 一、一、mRNAmRNA前体的加工前体的加工 （一）生成特点：（一）生成特点： 原核原核 ：mRNAmRNA是多顺反子是多顺反子(polycistronic(polycistronic),),每分子每分子RNARNA中含几种蛋白中含几种蛋白质信息，质信息，RNARNA寿命短，转录没完时翻译即开寿命短，转录没完时翻译即开始始 例例: :乳糖操纵子，含乳糖操纵子，含Z,Y,AZ,Y,A三个基因三个基因, ,分分别编码半乳糖苷酶、透过酶及乙酰基转移别编码半乳糖苷酶、透过酶及乙酰基转移酶酶 真核：真核：单顺反子单顺反

20、子, ,一个一个mRNAmRNA仅编码一种蛋白质仅编码一种蛋白质 外显子外显子: : 在真核生物基因中编码蛋白质的序在真核生物基因中编码蛋白质的序列列 内含子内含子: :非编码蛋白的序列非编码蛋白的序列, ,因其插于外显子之间因其插于外显子之间又称插入序列又称插入序列, ,居间序列居间序列 hnRNAhnRNA: : 为为mRNAmRNA的前体的前体, ,转录物中外显子与内含转录物中外显子与内含子间隔排列，需经剪接加工后生成子间隔排列，需经剪接加工后生成mRNAmRNA （二）（二） mRNA前体加工过程前体加工过程 55末端帽子末端帽子 部位：核内部位：核内 33端多聚端多聚A A尾尾 部位

21、：核内部位：核内, ,胞质有酶也可进胞质有酶也可进行行 剪接作用剪接作用 部位：胞核部位：胞核 RNARNA编辑编辑 RNA编辑(某些mRNA的核苷酸序列,在生成转录产物后还需插入、删除或取代一些核苷酸残基,方能生成具有正确翻译功能的模板,遗传信息在mRNA水平上的改变过程，称为RNA编辑) 5加帽pi5pppG磷酸酶ppi5pGpppG5GpppG甲基化酶CH3mGpppGOHOH帽帽1 1帽帽0 0帽帽2 2NNNNOH2NCH3+OHHCH2HOP OPO P OPPPN1N2N3OOHOOHOOHOCH3OCH32OH79H甲基鸟苷5，5-三磷酸33加尾加尾AAUAAAAAAAAAAA

22、A.加尾加尾AATAAAGTGTGTG-AAUAAAGUGUGUGAAUAAAGUGUGUG酶切酶切转录的终止转录的终止加尾信号加尾信号GC丰富序列polyApolyA尾（约尾（约2020200200个个A A）A AA AA AA AA AA A断裂基因断裂基因：真核生物的基因由若干个编真核生物的基因由若干个编码区和非编码区互相隔开但又连续镶嵌而成码区和非编码区互相隔开但又连续镶嵌而成外显子（外显子（exonexon): ): 基因中出现在基因中出现在mRNAmRNA的序列的序列内含子（内含子（intronintron）：）： 基因中不出现于基因中不出现于mRNAmRNA而被剪接掉的序列而被

23、剪接掉的序列核内不均一核内不均一RNA RNA （hnRNAhnRNA）：真核生物中编码蛋白）：真核生物中编码蛋白质基因的初级转录本，包括质基因的初级转录本，包括55帽子、帽子、3poly(A)3poly(A)尾、外显子、内含子，经剪接加工成为尾、外显子、内含子，经剪接加工成为mRNAmRNA剪接 剪接剪接: :在细胞核内在细胞核内, hnRNA, hnRNA剪切掉内含子剪切掉内含子, ,将多个外将多个外显子连接为成熟显子连接为成熟mRNAmRNA的过程为剪接的过程为剪接 例例: :同一转录本同一转录本, , 在不同的组织在不同的组织, , 因剪接差异因剪接差异产生各自不同的产生各自不同的mR

24、NAmRNA 剪接特点剪接特点 ：剪接部位的结构为内含子末端的特定：剪接部位的结构为内含子末端的特定序列，分布在内含子的三个部位，序列，分布在内含子的三个部位，55端剪切点为端剪切点为GU;3GU;3端剪切点为端剪切点为AGAG；靠近；靠近33端含端含A A序列的分支序列的分支点点 mRNAmRNA的剪接：的剪接： hnRNAhnRNA被剪接体作用，剪除内含子、被剪接体作用，剪除内含子、连接外显子，产生成熟的连接外显子，产生成熟的mRNAmRNA的过程的过程外显子外显子内含子内含子DNADNAmRNAmRNA转录转录形成套索形成套索RNARNA，外显子靠近，外显子靠近剪接体剪接体去除套索去除套

25、索RNARNA，外显子连接，外显子连接成熟成熟mRNAmRNAmRNAmRNA的剪接的剪接套索结构套索结构外显子外显子外显子外显子内含子内含子内含子内含子55端断端断开开前一个外显子的前一个外显子的33末端末端攻击下后个外显子的攻击下后个外显子的5 5末末端端前后外显子的连接前后外显子的连接二、二、tRNAtRNA前体的加工前体的加工 1、切除多余的核苷酸：RNase p切除5端多余的核苷酸；Rnase D切除3端多余的核苷酸2、剪切内含子：核酸内切酶切除内含子,连接酶进行连接3、修饰与3末端加-CCA: 修饰包括甲基化,脱氨基,还原反应等，在核苷酸基转移酶催化下完成3末端添加CCA tRNA

26、tRNA的加工的加工内含子编码区内含子编码区内切核酸酶内切核酸酶外切核酸酶外切核酸酶P P P53-OH 3-OH 3DNADNA内含子内含子初级转录物初级转录物3 3 端加端加CCA-OHCCA-OH3P 除去内含子除去内含子（内切酶与连接酶（内切酶与连接酶）CCA-OHCCA-OH 3成熟成熟 tRNAtRNA5CCA-OHCCA-OH内含子内含子55和和33端的酶切端的酶切33加上加上CCACCA去掉内含子去掉内含子特异部位碱基的加工特异部位碱基的加工三、三、rRNArRNA前体的加工前体的加工 （一）特点：（一）特点： 1、rRNA拷贝多,原核5-10个拷贝;真核:果蝇260个拷贝;H

27、ela细胞1100个拷贝 2、rRNA基因之间以纵向串联的方式重复排列（二）加工过程 1、剪切作用：需核酸酶参与 2、甲基化修饰：修饰在碱基上 真核rRNA加工： 1. 5S自成体系加工少无修饰和剪接。 2. 45S加工中含剪切和甲基化修饰，需核酸酶核糖体核糖体RNARNA18S18S5.8S 28S5.8S 28S45S rRNA45S rRNA前体前体酶切酶切32S rRNA32S rRNA前体前体前前rRNArRNA 20S 20S酶切酶切28SrRNA28SrRNA5.8SrRNA5.8SrRNA18SrRNA18SrRNA核酶的发现核酶的发现 19821982年年CechCech在研究原生动物四膜虫的在研究原生动物四膜虫的26SrRNA26SrRNA的时的时候，发现它的一个内含子在除去了所有蛋白质后，候，发现它的一个内含子在除去了所有蛋白质后，剪接仍可完成，只需有鸟苷或鸟苷酸（但两者要剪接仍可完成，只需有鸟苷或鸟苷酸（但两者要有有3OH3OH），就能自我剪接），就能自我剪接 这些特殊的这些特殊的rRNArRNA的剪接不需任何蛋白质的参与即的剪接不需任何蛋白质的参与即可发生，说明可发生，说明RNA RNA 本身就有酶的催化作用。本身就有酶的催化作用。 因此把具有酶的催化活性的因此把具有酶的催化活性的RNARNA称为核酶称为核酶（ribozymeribozyme）