第六讲RNA的生物合成与转录后加工.课件.ppt

1、 第六讲第六讲 RNARNA的生物合成的生物合成与转录后加工与转录后加工 执行生命功能、表现生命特征的主要物质是执行生命功能、表现生命特征的主要物质是蛋白质分子蛋白质分子。DNA贮存着决定生物特征的遗传信贮存着决定生物特征的遗传信息，只有通过蛋白质才能表达出它的生命意义，息，只有通过蛋白质才能表达出它的生命意义，直接决定蛋白质合成及蛋白质特征的不是直接决定蛋白质合成及蛋白质特征的不是RNA而而是是DNA，因而人们确定，因而人们确定DNA是遗传信息贮存者后是遗传信息贮存者后就推测就推测DNA是通过是通过RNA去决定蛋白质合成的去决定蛋白质合成的。50年代末年代末RNA聚合酶的发现聚合酶的发现开始

2、证实了这一推测。开始证实了这一推测。 以以DNA为模板合成为模板合成RNA的过程称为的过程称为转录转录（transcription）。转录是生物界）。转录是生物界RNA合成的主要合成的主要方式，是方式，是遗传信息即遗传信息即DNA向向RNA传递过程，也是基传递过程，也是基因表达的开始因表达的开始（图图6-1）。转录也是一种酶促的核苷）。转录也是一种酶促的核苷酸聚合过程，所需的酶叫做酸聚合过程，所需的酶叫做依赖依赖DNA的的RNA聚合酶聚合酶（DDRP）。转录产生初级转录物为）。转录产生初级转录物为RNA前体，它前体，它们必须经过加工过程变为成熟的们必须经过加工过程变为成熟的RNA，才能表现其，

3、才能表现其生物活性。生物活性。图图 6-1 DNA转录的基本过程转录的基本过程 主主 要要 内内 容容 RNA合成的酶学基础合成的酶学基础 RNA合成的基本过程合成的基本过程 RNA转录后的加工与修饰转录后的加工与修饰 真核和原核细胞内都存在有真核和原核细胞内都存在有DDRPDDRP，迄今发现的，迄今发现的DDRPDDRP的有以下特点：的有以下特点：以以DNADNA为模板为模板: : 在在DNADNA的两条多的两条多苷酸链中只有其中一条链作为模板，这条链叫做苷酸链中只有其中一条链作为模板，这条链叫做模板模板链链，又叫，又叫反义链反义链。DNADNA双链中另一条不做为模板的链双链中另一条不做为模

4、板的链叫做叫做编码链编码链，又叫，又叫有意义链有意义链，编码链的的序列与转录，编码链的的序列与转录本本RNARNA的序列相同，只是在编码链上的的序列相同，只是在编码链上的T T在转录本在转录本RNARNA为为U U，由于，由于RNARNA的转录合成是以的转录合成是以DNADNA的一条链为模板而的一条链为模板而进行的，所以这种转录方式又叫做进行的，所以这种转录方式又叫做不对称转录不对称转录。1、RNA合成的酶学基础合成的酶学基础5 G C A G T A C A T G T C3 3 c g t c a t g t a c a g5 5 G C A G U A C A U G U C3 N Al

5、a Val His Val C DNA转录转录mRNA翻译翻译肽肽DNA模板、转录产物模板、转录产物mRNA 和氨基酸序列之间的关系和氨基酸序列之间的关系编码链编码链模板链模板链5 5 3 3 3 3 5 5 模板链模板链编码链编码链编码链编码链模板链模板链结构基因结构基因转录方向转录方向转录方向转录方向都以都以四种三磷酸核苷四种三磷酸核苷酸酸的底物的底物为为原料；原料；都遵循都遵循DNADNA与与RNARNA之间的之间的碱基配对原碱基配对原则则，A=UA=U，T=AT=A，C=GC=G，合成与模板合成与模板DNADNA序列互补的序列互补的RNARNA链链；RNARNA链的延长方向是链的延长方

6、向是5 533的连续合成的连续合成；需要需要MgMg2+2+或或MnMn2+2+离子离子；并不需要引物并不需要引物。RNARNA聚合酶聚合酶缺乏缺乏3 355外切酶外切酶活性活性，所以没有校正功能。，所以没有校正功能。（1）RNA聚合酶所催化的反应聚合酶所催化的反应（2）大肠杆菌）大肠杆菌RNA聚合酶聚合酶表表 6-1 大肠杆菌大肠杆菌RNA聚合酶聚合酶 亚单位亚单位 分子量分子量亚单位数目亚单位数目功能功能 36512 36512 2 2 决定哪此基因决定哪此基因被转录被转录 1506181506181 1与转录全过程与转录全过程有关有关1556131556131 1结合结合DNADNA模板

7、模板 70263702631 1辨认起始点辨认起始点核心酶核心酶 (core enzyme)全酶全酶 (holoenzyme) RNARNA聚合酶聚合酶RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合聚合酶全酶在转录起始区的结合 亚基组成：亚基组成： 2 2w w = = 2 2w w + + 全酶全酶 核心酶核心酶 RNARNA聚合酶的组成聚合酶的组成 亚基亚基 解开前方的解开前方的DNADNA双螺旋、恢复双螺旋、恢复后面的后面的DNADNA双螺旋双螺旋 亚基亚基 催化磷酸二酯键的形成催化磷酸二酯键的形成 亚基亚基 与与DNADNA的非模板链结合的非模板链结合 核心酶：解开前方的核心酶：解开前方的DNAD

8、NA双螺旋、双螺旋、RNARNA链的延链的延伸、恢复后面的伸、恢复后面的DNADNA双螺旋双螺旋 亚基：识别亚基：识别DNADNA上转录的起始部位，从而引上转录的起始部位，从而引导全酶结合上去导全酶结合上去此外，每个此外，每个RNARNA聚合酶还含有聚合酶还含有2 2个个ZnZn离子。离子。（3）真核生物）真核生物RNA聚合酶聚合酶表表 6-2 真核生物的真核生物的RNA聚合酶聚合酶 种类种类分布分布合成的合成的RNARNA类型类型对对-鹅膏蕈鹅膏蕈碱的敏感性碱的敏感性 核仁核仁 rRNA rRNA 不敏感不敏感 核质核质hnRNAhnRNA低浓度敏感低浓度敏感核质核质tRNAtRNA，5S

9、RNA5S RNA高浓度敏感高浓度敏感MtMt线粒体线粒体线粒体线粒体RNAsRNAs不敏感不敏感真核生物真核生物RNARNA聚合酶的共同特征聚合酶的共同特征3 3种聚合酶都由种聚合酶都由2 2个大亚基，个大亚基，1212个以上的小亚基个以上的小亚基组成；组成；在在3 3种聚合酶之间，最大种聚合酶之间，最大2 2个亚基，个亚基，至少至少5 5个小亚个小亚基基的基因编码区具有同源性；的基因编码区具有同源性；4-74-7种小亚基为各种小亚基为各种种RNARNA聚合酶特有；聚合酶特有；都具有原核都具有原核RNA RNA 聚合酶核心聚合酶核心 2 2同源的亚基；同源的亚基；最大亚基与最大亚基与 相似，

10、次最大亚基与相似，次最大亚基与 相似；相似；RNA RNA 聚合酶的羧基末端结构域（聚合酶的羧基末端结构域（CTDCTD） RNA RNA 聚合酶聚合酶IIII最大亚基的羧基端最大亚基的羧基端, , 存存在着一种在着一种6 6个氨基酸的重复序列个氨基酸的重复序列: Tyr-: Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Ser, Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Ser, 在哺乳类中在哺乳类中重复重复5252次，在酵母中重复次，在酵母中重复2626次，称为次，称为CTDCTD。 转录起始时：转录起始时：SerSer、ThrThr的羟基非磷酸的羟基非磷酸化，易与化，易与DNADNA结合

11、；结合； 转录延伸时，磷酸化，松弛与转录延伸时，磷酸化，松弛与DNADNA的的结合。结合。2、转录的基本过程、转录的基本过程（图图6-2）（1）RNA合成的识别合成的识别 （2）RNA合成的起始与延伸过程合成的起始与延伸过程 （3） RNA合成的终止阶段合成的终止阶段图图6-2转录转录的主的主要过要过程程 原核生物：原核生物： Pribnow框和框和Sextama框（图框（图6-3） 真核生物：真核生物：TATA框和框和CAAT框（图框（图6-4）（1）转录的识别）转录的识别 启动子启动子图图6-3原核生物启动子的结构示意图原核生物启动子的结构示意图转录起点是指与新生转录起点是指与新生RNA链

12、第一个核苷酸链第一个核苷酸相对应相对应DNA链上的碱基，研究证实通常链上的碱基，研究证实通常为一个嘌呤。常把起点前面，即为一个嘌呤。常把起点前面，即5末端的末端的序列称为上游序列称为上游(upstream)，而把其后面即，而把其后面即3末端的序列称为下游末端的序列称为下游(downstream)。在。在描述碱基的位置时，一般用数字表示，起描述碱基的位置时，一般用数字表示，起点为点为+1，下游方向依次为，下游方向依次为+2、+3，上游方向依次为上游方向依次为-1、-2、-3。Pribnow 框：框： 10区，保守序列为区，保守序列为 TATAAT。Pribnow 框是框是RNA聚合酶的牢固结合位

13、点，聚合酶的牢固结合位点，简称结合位点。简称结合位点。细菌中常见两种启动子突变：细菌中常见两种启动子突变：启动子上升突变，提高转录活性；启动子上升突变，提高转录活性；启动子下降突变，降低转录水平。启动子下降突变，降低转录水平。 的存在保证原核生物的存在保证原核生物RNA聚合酶只能与启聚合酶只能与启 动子区而不是其它区域形成稳定的二元复合物。动子区而不是其它区域形成稳定的二元复合物。Sextama 框：框： 35区，保守序列为区，保守序列为TTGACA。Sextama 框是框是RNA聚合酶中聚合酶中 的识别位点，的识别位点， 也是也是RNA聚合酶的初始结合位点。聚合酶的初始结合位点。Pribno

14、w 框与框与Sextama 框之间的碱基序列框之间的碱基序列 并不重要，但两个序列之间的距离十分重要；并不重要，但两个序列之间的距离十分重要；天然启动子这段距离多为天然启动子这段距离多为1520bp，距离的，距离的 大小可能是决定启动子强度的因素之一。大小可能是决定启动子强度的因素之一。实验表明：两个序列之间的距离为实验表明：两个序列之间的距离为17bp时，时， 转录效率最高。转录效率最高。图图6-4真核生物的启动子序列真核生物的启动子序列 （2）转录的起始）转录的起始 转录起始需解决两个问题：转录起始需解决两个问题：RNA聚合酶必须准确地结合在转录模聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域。

15、板的起始区域。DNA双链解开，使其中的一条链作为双链解开，使其中的一条链作为转录的模板。转录的模板。4. 4. 1010区区DNADNA双链解开双链解开121217bp，形成开放的二，形成开放的二 元元启动子复合物（模板酶）。启动子复合物（模板酶）。 2. RNA2. RNA聚合酶全酶聚合酶全酶( ( 2 2) )与模板与模板3535序列结合，形序列结合，形成闭合的成闭合的二元闭合启动子复合物二元闭合启动子复合物。u 转录起始过程转录起始过程1. 因子辨认转录起始点（因子辨认转录起始点（-35区的区的TTGACA序列）序列）3. RNA聚合酶向聚合酶向10区转移，并与之牢固结合。区转移，并与之

16、牢固结合。 RNApol ( 2) - DNA - pppGpN- OH 3 转录起始复合物转录起始复合物:5 -pppG -OH + NTP 5 -pppGpN - OH 3 + ppi5. 5. 在在RNARNA聚合酶聚合酶亚基催化下形成第一个磷酸二亚基催化下形成第一个磷酸二酯键，形成三元复合物酯键，形成三元复合物（模板酶（模板酶RNARNA）。）。6. 当三元复合物中当三元复合物中RNA长长69个核苷酸时，个核苷酸时， 因子因子 从全酶解离下来，进入延长阶段。从全酶解离下来，进入延长阶段。 RNA聚合酶有两个核苷酸结合位点：聚合酶有两个核苷酸结合位点： 一个是起始核苷酸位点；一个是延长核

17、苷酸位点。一个是起始核苷酸位点；一个是延长核苷酸位点。一般只有嘌呤核苷酸填充了起始位点，才能形成一般只有嘌呤核苷酸填充了起始位点，才能形成第一个磷酸二酯键。第一个磷酸二酯键。 RNA合成的第一个核苷酸总有合成的第一个核苷酸总有GTP或或ATP，以，以GTP常见，此时常见，此时 因子从全酶因子从全酶解离下来，靠核心酶在解离下来，靠核心酶在DNA链上向下游链上向下游滑动，而脱落的滑动，而脱落的 因子与另一个核心酶结因子与另一个核心酶结合成全酶反复利用。合成全酶反复利用。 真核生物转录起始十分复杂，往往真核生物转录起始十分复杂，往往需要多种蛋白因子的协助，已经知道，需要多种蛋白因子的协助，已经知道，

18、在所有的细胞中有一类叫做在所有的细胞中有一类叫做转录因子转录因子的蛋白质分子，它们与的蛋白质分子，它们与RNARNA聚合酶聚合酶形形成转录起始复合物，共同参与转录起成转录起始复合物，共同参与转录起始的过程。始的过程。 真核生物基因中，有专门为蛋白质真核生物基因中，有专门为蛋白质编码的基因，这些基因由编码的基因，这些基因由RNARNA聚合酶聚合酶负责进行转录起始关键性作用。根据负责进行转录起始关键性作用。根据这些转录因子的作用特点可大致分为这些转录因子的作用特点可大致分为以下以下二类二类： 第一类为第一类为普遍转录因子普遍转录因子：它们与它们与RNARNA聚合酶聚合酶共同组成共同组成转录起始复合

19、物转录起始复合物，转录，转录才能在正确的位置上开始。普遍转录因子才能在正确的位置上开始。普遍转录因子是由多种蛋白质分子组成的，其中包括特是由多种蛋白质分子组成的，其中包括特异结合在异结合在TATATATA盒上的蛋白质，叫做盒上的蛋白质，叫做TATATATA盒盒结合蛋白结合蛋白，还有，还有形形成一组复合物叫做成一组复合物叫做转录转录因子因子DD。TFDTFD再与再与RNARNA聚合酶聚合酶结合完结合完成成转录起始复合物转录起始复合物的形成（的形成（图图6-56-5） 。图图6-5转录起始复合物的模式图转录起始复合物的模式图 第二类转录因子为组织细胞特异性转第二类转录因子为组织细胞特异性转录因子或

20、者叫录因子或者叫可诱导性转录因子可诱导性转录因子：这类：这类TF是在特异的组织细胞或是受到一些类固醇是在特异的组织细胞或是受到一些类固醇激素，生长因子或其它刺激后，开始表达激素，生长因子或其它刺激后，开始表达某些特异蛋白质分子时才需要的一类转录某些特异蛋白质分子时才需要的一类转录因子。因子。 RNA链的延长靠核心酶的催化，在起始复合物链的延长靠核心酶的催化，在起始复合物上第一个上第一个GTP的核糖的核糖3-OH上与上与DNA模板能配对的模板能配对的第二个三磷酸核苷酸起反应形成第二个三磷酸核苷酸起反应形成磷酸二酯键磷酸二酯键。聚合。聚合进去的核苷酸又有核糖进去的核苷酸又有核糖3-OH游离，这样就

21、可按模游离，这样就可按模板板DNA的指引，一个接一个地延长下去。因此的指引，一个接一个地延长下去。因此RNA链的合成方向也是链的合成方向也是5-3。由于。由于DNA链与合成的链与合成的RNA链具有反平行关系，所以链具有反平行关系，所以RNA聚合酶是沿着聚合酶是沿着DNA链链3-5方向移动方向移动。（3）转录的延伸）转录的延伸 整个转录过程是由整个转录过程是由同一个同一个RNA聚合聚合酶来完成的一个连续不断的反应酶来完成的一个连续不断的反应，转录，转录本本RNA生成后，暂时与生成后，暂时与DNA模板链形成模板链形成DNARNA杂交体，长度约为杂交体，长度约为12个碱基对个碱基对，形成一个形成一个

22、转录泡转录泡（图图6 6-6）。转录速度大）。转录速度大约是每秒钟约是每秒钟30-50个核苷酸，但并不是以个核苷酸，但并不是以恒定速度进行的。恒定速度进行的。图图6-6转录的延伸过程转录的延伸过程 1. 1. 亚基脱落，亚基脱落，RNARNA聚合酶核心酶变构，与模聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，沿着板结合松弛，沿着DNADNA模板前移；模板前移； 2. 2. 在核心酶作用下，在核心酶作用下，NTPNTP不断聚合，不断聚合，RNARNA链不链不断延长。断延长。3. 3. 碱基配对原则：碱基配对原则：A-UA-U，T-AT-A，G-CG-C4. 4. 延长中的转录复合物也叫转录泡。随着延长中的转

23、录复合物也叫转录泡。随着RNARNA 聚合酶前移，转录产物聚合酶前移，转录产物RNARNA不断移出转录泡，不断移出转录泡， 已转录完毕的已转录完毕的DNADNA双链又重新复合而不再打开。双链又重新复合而不再打开。5. 5. 原核生物的转录和翻译偶联进行。原核生物的转录和翻译偶联进行。(NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPi原核生物原核生物RNA转录的延长过程转录的延长过程图图 6-7 原核生物转录过程中的羽毛状现象原核生物转录过程中的羽毛状现象5 3 DNA核糖体核糖体RNARNA聚合酶聚合酶 依赖依赖因子的转录终止因子的转录终止 非依赖非依赖因子的转录终止因子的转录终止（4

24、 4）转录的终止和新生）转录的终止和新生RNARNA链的释放链的释放指指RNA聚合酶在聚合酶在DNA模板上停顿下模板上停顿下来不再前进，转录产物来不再前进，转录产物RNA链从转录复链从转录复合物上脱落下来。合物上脱落下来。 分类分类依赖依赖 因子的转录终止（因子的转录终止（图图6-8）1969年，年，Roberts发现了能控制转录终止的蛋白质，发现了能控制转录终止的蛋白质，即即因子。因子。 它由相同的它由相同的6个亚基组成六聚体，分子量个亚基组成六聚体，分子量200kD。 因子具有因子具有NTP酶活性和解螺旋酶活性，是促使酶活性和解螺旋酶活性，是促使转转录三元复合物录三元复合物解离的根本原因。

25、解离的根本原因。因子的因子的NTP酶活酶活性依赖于单链性依赖于单链RNA的结构。的结构。因子依赖性终止子含有一个因子依赖性终止子含有一个反向重复序列反向重复序列，使，使 RNA末端形成一个发夹结构，导致转录延宕，末端形成一个发夹结构，导致转录延宕，因因子得以发挥作用，终止转录。子得以发挥作用，终止转录。图图 6-8非依赖非依赖 因子的转录终止（因子的转录终止（图图6-9）DNA模板接近转录终止的区域内，有较密集模板接近转录终止的区域内，有较密集 的的A-T配对区或配对区或G-C配对区，且配对区，且G-C配对为回配对为回 文结构。文结构。 转录产物转录产物RNA的的3 -末端有若干个连续的末端有

26、若干个连续的U。连续连续U区的区的5 -端前方碱基形成茎环结构或发端前方碱基形成茎环结构或发 夹结构。这种二级结构是阻止转录继续向下夹结构。这种二级结构是阻止转录继续向下 游推进的关键。游推进的关键。转录方向转录方向3 3 5 TCGGGCGAGCCCGCCGCCCGAGCGGGCTAAAAAATTT TTT3 3 5 5 DNA模板链模板链编码链编码链AAAAAAUUUUUU5 CGCCCGAGCGGGCU5 TTTTTTDNA模板链模板链编码链编码链转录产物转录产物3 图图6-9 不依赖不依赖 因子的转录终止因子的转录终止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

27、构，转录停顿；聚合酶变构，转录停顿； 密集密集A-U 配对使转录复合物趋于解离，配对使转录复合物趋于解离，释放释放RNA。 5 pppG5 3 3 5 RNA-pol原核生物与真核生物转录的区别原核生物与真核生物转录的区别 原核生物原核生物 真核生物真核生物 RNA pol 一种一种 高度分工高度分工起始转录因子起始转录因子 没有没有 需要（各不同）需要（各不同）延长核小体影响延长核小体影响 没有没有 有有启动子以外序列启动子以外序列 没有没有 有且复杂有且复杂转录产物转录产物 多顺反子多顺反子 单顺反子单顺反子场场 所所 转录与翻译偶联转录与翻译偶联 不偶联不偶联 转录终止转录终止 两种终止

28、子两种终止子 不明确不明确 转录与复制的相似之处：转录与复制的相似之处： 都是酶促的核苷酸聚合过程；都是酶促的核苷酸聚合过程； 都以都以DNA为模板；为模板； 都需依赖都需依赖DNA的聚合酶；的聚合酶； 聚合过程都是核苷酸之间生成磷酸二酯键；聚合过程都是核苷酸之间生成磷酸二酯键； 都从都从5至至3 方向延伸成新链多聚核苷酸；方向延伸成新链多聚核苷酸； 都遵从碱基配对规律都遵从碱基配对规律 但转录忠实性要低于但转录忠实性要低于DNA复制复制。 转录与复制都受到严格的调控转录与复制都受到严格的调控 转录与复制的异同点转录与复制的异同点 转录和转录和复制的区别复制的区别 引物引物 有有 无无高度进行

29、性高度进行性 中途不停止中途不停止 可一段一段进行可一段一段进行A-U，T-A，G-CA-T，G-C配对配对mRNA，tRNA，rRNA子代双链子代双链DNA（半保留复制）半保留复制）产物产物RNA聚合酶（聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶聚合酶酶酶NTPdNTP原料原料模板链转录（不对称转录）模板链转录（不对称转录）两股链均复制两股链均复制模板模板转录转录复制复制A-U，T-A，G-CA-T，G-C配对配对mRNA，tRNA，rRNA子代双链子代双链DNA（半保留复制）半保留复制）产物产物RNA聚合酶（聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶聚合酶酶酶NTPdNTP原料原料模板链转录（不对称转

30、录）模板链转录（不对称转录）两股链均复制两股链均复制模板模板转录转录复制复制 3 3、转录后加工过程及其机制、转录后加工过程及其机制 mRNA的前体加工的前体加工 rRNA的前体加工的前体加工 tRNA的前体加工的前体加工 RNA的剪接和的剪接和RNA催化活性催化活性 RNA编辑编辑 真核细胞每种转录产物都是各种真核细胞每种转录产物都是各种RNA的前身，的前身， 即无活性，亦无功能。即无活性，亦无功能。 真核初级转录产物必须在胞核内经过适当加工，真核初级转录产物必须在胞核内经过适当加工， 使之变成具有活性的成熟使之变成具有活性的成熟RNA后，由胞核运至胞后，由胞核运至胞 质才能执行翻译功能。质

31、才能执行翻译功能。 真核细胞转录作用和翻译作用无论在空间上还真核细胞转录作用和翻译作用无论在空间上还 是时间上都是彼此分开进行的。是时间上都是彼此分开进行的。 原核细胞原核细胞mRNA不需加工，不需加工，tRNA和和rRNA加工。加工。 真核细胞与原核细胞转录产物的区别：真核细胞与原核细胞转录产物的区别： 3.1 3.1 mRNA的前体加工的前体加工 5 端形成端形成 帽子结构帽子结构(m7GpppNp ) 3 端加上端加上多聚腺苷酸尾巴多聚腺苷酸尾巴(poly A tail) 中部剪接中部剪接除去内含子除去内含子 链内部核苷酸的链内部核苷酸的甲基化甲基化hnRNA转变成转变成mRNA的加工过

32、程包括：的加工过程包括： 修饰的化学反应：修饰的化学反应： 5 -端的修饰在核内完成，且先于中段剪切。端的修饰在核内完成，且先于中段剪切。 5 帽子分帽子分Cap0、Cap1、Cap2。5 -端加上帽子结构端加上帽子结构(mGpppNp）5 pppN磷酸酶磷酸酶ppi5 pNpppGpi5 GpppN甲基化酶甲基化酶+CH3m7GpppN帽子帽子 0 结构结构图图5-9 帽子帽子 p161 mRNA帽子的生理功能：帽子的生理功能： 促进某些促进某些RNA的合成。的合成。 帽子结构参与翻译起始，帽帽子结构参与翻译起始，帽0结构是核糖体识别结构是核糖体识别 mRNA所必需的；核糖体上有帽结合蛋白。

33、所必需的；核糖体上有帽结合蛋白。 帽子结构增加帽子结构增加mRNA的稳定性，保护的稳定性，保护mRNA防防 止其受止其受5核酸外切酶的降解。核酸外切酶的降解。3 -端加上多聚腺苷酸尾巴端加上多聚腺苷酸尾巴(polyA) polyA的出现不依赖的出现不依赖DNA模板。模板。 加尾信号：加尾信号：3 -末端出现末端出现AAUAAA及下游的及下游的 GU丰富区。在两序列之间由特异的核酸内丰富区。在两序列之间由特异的核酸内 切酶切除多余的核苷酸，然后加上切酶切除多余的核苷酸，然后加上poly A。 尾部修饰和转录终止同时进行。尾部修饰和转录终止同时进行。 3 -端修饰也在核内完成，并先于端修饰也在核内

34、完成，并先于mRNA中段中段 的剪接。的剪接。 polyA的有无及长短是维持的有无及长短是维持mRNA作为翻译模作为翻译模 板的活性，以及增加板的活性，以及增加mRNA本身稳定性的因素。本身稳定性的因素。mRNA3 -端的多聚腺苷酸化可被冬虫夏草素端的多聚腺苷酸化可被冬虫夏草素 （ 3 -脱氧胸苷）所阻止；脱氧胸苷）所阻止； 即冬虫夏草素是多聚腺苷酸化的特异抑制剂。即冬虫夏草素是多聚腺苷酸化的特异抑制剂。 mRNA的甲基化的甲基化 真核生物真核生物mRNA分子中有许多甲基化的碱基，分子中有许多甲基化的碱基，主要是：主要是：N6-甲基腺嘌呤（甲基腺嘌呤（m6A）。）。3.2 rRNA前体的加工前

35、体的加工原核细胞与真核细胞的原核细胞与真核细胞的rRNA前体都需加工：前体都需加工： 大肠杆菌共有大肠杆菌共有7个转录单位，每个转录单位个转录单位，每个转录单位 由由16S rRNA、 23S rRNA、 5S rRNA及及 一个或几个一个或几个tRNA基因组成。基因组成。图图5-10 p163大肠杆菌大肠杆菌 rRNA 前体加工过程前体加工过程真核细胞真核细胞 rRNA 基因为串联重复序列：基因为串联重复序列： 由由18S rRNA、 28S rRNA、5.8S rRNA基因基因 组成一个转录单位，彼此被间隔区分开。组成一个转录单位，彼此被间隔区分开。每个重复单位之间的间隔每个重复单位之间的

36、间隔DNA序列不转录，称为序列不转录，称为非转录间隔序列非转录间隔序列。真核生物真核生物 5S rRNA基因也是成簇排列的，基因也是成簇排列的， 中间中间隔以不被转录的区域，它由隔以不被转录的区域，它由RNApol 转录，加转录，加工成熟后构成核糖体大亚基。工成熟后构成核糖体大亚基。不同生物的不同生物的 rRNA 前体大小不同：前体大小不同：哺乳动物为哺乳动物为45S；果蝇；果蝇38S；酵母；酵母37S；四膜虫；四膜虫35S18S5.8S28S18S-rRNA5.8S和和28S-rRNA内含子内含子45S转录产物转录产物剪剪 接接终产物终产物rDNA基因间隔基因间隔哺乳动物细胞哺乳动物细胞 r

37、RNA 前体加工过程前体加工过程tRNA前体前体RNA pol TGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNA3.3 tRNA前体的加工前体的加工原核与真核原核与真核tRNA基因大多成簇存在基因大多成簇存在 tRNA前体的加工包括：前体的加工包括： 剪切内含子剪切内含子 核酸外切酶修剪核酸外切酶修剪3 末端，逐个切去附加序列；末端，逐个切去附加序列； 加上加上CCA-OH的的3 末端，完成柄部结构。末端，完成柄部结构。 碱基修饰碱基修饰tRNA的加工酶系包括：的加工酶系包括：tRNA核苷酸转移酶、核苷酸转移酶、RNaseP、RNaseD、 RNase等。等。型：有型：有CCA 序列基因，原

38、核生物绝大部分；序列基因，原核生物绝大部分； 型：没有型：没有CCA序列基因，为真核生物。序列基因，为真核生物。tRNA基因有两种：基因有两种：原核生物与真核生物都有原核生物与真核生物都有tRNA核苷酸转移酶，核苷酸转移酶， 负责给负责给型型tRNA加上加上CCA3-OH末端，末端， 或修复发生损伤的或修复发生损伤的型型 tRNA 3-OH末端。末端。RNaseP、 RNaseD RNase连接酶连接酶剪切内含子剪切内含子：属于酶促反应，需要酶及属于酶促反应，需要酶及ATPATPADPtRNA核苷核苷酸转移酶酸转移酶加上加上CCA-OH的的3 末端，末端， 完成柄部结构。完成柄部结构。碱基修饰

39、碱基修饰（2）还原反应）还原反应 如：如：U DHU （3）核苷内的转位反应）核苷内的转位反应 如：如：U （4）脱氨反应）脱氨反应 如：如：A I 如：如：A Am（1）甲基化）甲基化（1 1）（1 1）（3 3）（2 2）（4 4）3.4 RNA的剪接的剪接真核不连续基因的初级转录产物中，外显子真核不连续基因的初级转录产物中，外显子 与内含子交替出现；与内含子交替出现；转录后把内含子切除而把外显子连接起来产转录后把内含子切除而把外显子连接起来产 生成熟生成熟RNA分子的过程，叫分子的过程，叫RNA剪接剪接 （RNA splicing）。）。内含子内含子5端与端与3端都存在保守序列，分别端都

40、存在保守序列，分别 称为称为5剪接点（剪接点（GU）和）和3剪接点（剪接点（AG）。）。rRNA的自我剪接的自我剪接 l 四膜虫四膜虫rRNA剪接由鸟苷酸发动第一次亲核剪接由鸟苷酸发动第一次亲核 攻击，经过两次连续的转酯反应，将两个攻击，经过两次连续的转酯反应，将两个 外显子连接起来，释放出线形内含子序列。外显子连接起来，释放出线形内含子序列。 l 释放出的线形内含子序列再经过两次连续的释放出的线形内含子序列再经过两次连续的 转酯反应，释放出转酯反应，释放出15 核苷酸和核苷酸和 4 核苷酸的核苷酸的 两个小片段，最终形成稳定的线形产物两个小片段，最终形成稳定的线形产物L-19。 （linea

41、r minus 19 intervening sequence）l L-19是四膜虫是四膜虫35S rRNA剪接的最终产物，剪接的最终产物， 仍具有酶的活性和特征。仍具有酶的活性和特征。pG-OH(ppG-OH, pppG-OH)U-OHGpUpGpA第一次转酯反应第一次转酯反应第二次转酯反应第二次转酯反应UpAGpU外显子外显子1内含子内含子外显子外显子2G-OHUpUpGpA剪接过程的二次转酯反应剪接过程的二次转酯反应RNA的催化功能的催化功能 l L-19具有酶的主要特征：专一性强，加快反具有酶的主要特征：专一性强，加快反 应速度，反应前后酶分子保持不变，这种由应速度，反应前后酶分子保持

42、不变，这种由 RNA构成的酶称之为核酶。构成的酶称之为核酶。l 核酶首先是美国核酶首先是美国 Colorado 大学大学Cech在研究在研究 四膜虫四膜虫rRNA剪接机制时发现的。剪接机制时发现的。 他一方面证明了四膜虫他一方面证明了四膜虫rRNA的剪接机制；的剪接机制； 另一方面证明了另一方面证明了L-19 分子的催化活性。分子的催化活性。l 继而在继而在1983年，耶鲁大学年，耶鲁大学Sidney Altamn 发现了第二个核酶，参与发现了第二个核酶，参与 tRNA 前体加工的前体加工的 RNaseP。1992年，加州大学的年，加州大学的Harry Noller 又证明了核糖体大亚基又证明

43、了核糖体大亚基rRNA的催化活性。的催化活性。 四膜虫四膜虫rRNA内含子的二级结构内含子的二级结构四膜虫四膜虫rRNA的剪接采用的剪接采用自我剪接自我剪接方式方式5 -端核苷酸序列端核苷酸序列核酶研究的意义核酶研究的意义 核酶的发现，对中心法则作了重要补充；核酶的发现，对中心法则作了重要补充； 核酶的发现是对传统酶学的挑战；核酶的发现是对传统酶学的挑战； 利用核酶的结构设计合成人工核酶利用核酶的结构设计合成人工核酶 。 人工设计的核酶人工设计的核酶粗线表示合成的核酸分子粗线表示合成的核酸分子细线表示天然的核酸分子细线表示天然的核酸分子X 表示一致性序列表示一致性序列箭头表示切断点箭头表示切断

44、点tRNA的剪接的剪接 tRNA分子的内含子首先由核酸内切酶（分子的内含子首先由核酸内切酶（RNase）剪去。最后由剪去。最后由RNA连接酶完成连接。连接酶完成连接。 mRNA的自我剪接的自我剪接 除去除去hnRNA中的内含子，将外显子连接。中的内含子，将外显子连接。l snRNP与与hnRNA结合成为结合成为剪接体剪接体，进行剪接；，进行剪接；l 参与参与mRNAmRNA剪切的剪切的snRNP包括包括U U1 1、U2 、U4 、U5 、U6 u 内含子上有内含子上有3个保守性序列个保守性序列剪接位点：剪接位点： 5 端起始序列端起始序列GU； 3 端端AG; 距距3 端端1840个核苷酸处

45、有一个个核苷酸处有一个“分支点分支点” ， 一定含一定含A， 由由A发动第一次转酯反应。发动第一次转酯反应。u 剪接过程是两次转脂反应。与剪接过程是两次转脂反应。与类内含子相似。类内含子相似。顺式和反式剪接顺式和反式剪接 l 内含子剪接一般都是发生在同一基因内，切内含子剪接一般都是发生在同一基因内，切 除内含子，相邻的外显子彼此连接，这种剪除内含子，相邻的外显子彼此连接，这种剪 接称为接称为顺式剪接（顺式剪接（cis-splicing）。）。l 反式剪接（反式剪接（trans-splicing）则是指发生在不则是指发生在不 同基因之间的外显子的剪接。同基因之间的外显子的剪接。l 反式剪接发现于

46、几种锥虫和线虫中。都是在反式剪接发现于几种锥虫和线虫中。都是在 mRNA 5 端存在前导序列，称端存在前导序列，称剪接前导剪接前导RNA （splicing leader RNA，sl RNA）。）。l sl RNA的反式剪接表现了核内剪接系统的进化。的反式剪接表现了核内剪接系统的进化。l 概念：概念：RNA编辑是指在转录产物编辑是指在转录产物RNA前前 体的编码区内发生核苷酸插入、丢失或转体的编码区内发生核苷酸插入、丢失或转 换等现象。换等现象。3.5 RNA编辑（编辑（mRNA editing）l 近年发现某些近年发现某些mRNA前体的核苷酸序列需加前体的核苷酸序列需加 以改编，才能变成正

47、确的有翻译活性的模板。以改编，才能变成正确的有翻译活性的模板。 mRNA的这种编辑作用广泛存在于原生动物及的这种编辑作用广泛存在于原生动物及 植物细胞的线粒体。植物细胞的线粒体。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CUCAAUAA6666位位l 哺乳动物哺乳动物载脂蛋白载脂蛋白-B基因基因的转录产物即存的转录产物即存 在在mRNA编辑作用。编辑作用。u RNA编辑的生物学意义：编辑的生物学意义： 校正作用；校正作用； 调控

48、翻译；如调控翻译；如Apo-B基因在肠道的表达。基因在肠道的表达。 扩充遗传信息：按照基因信息传递的理论，扩充遗传信息：按照基因信息传递的理论， 这种这种mRNA的编辑作用无疑是对传统分子的编辑作用无疑是对传统分子 生物学原理的挑战。生物学原理的挑战。u RNA编辑的四种类型：编辑的四种类型： 简单编辑：单碱基的转变；简单编辑：单碱基的转变； 插入编辑：插入单个核苷酸；插入编辑：插入单个核苷酸； 泛编辑：插入或丢失多个尿嘧啶核苷酸；泛编辑：插入或丢失多个尿嘧啶核苷酸； 多聚腺嘌呤编辑：在转录产物末端加多聚腺嘌呤编辑：在转录产物末端加 A。 转录是以转录是以DNADNA为模板合成为模板合成RNA

49、RNA的过程的过程, ,经过转录经过转录DNADNA分子中的贮存信息传递到分子中的贮存信息传递到RNARNA分子中分子中, ,再由再由mRNAmRNA做为模板合成蛋白质分做为模板合成蛋白质分子子, ,转录也是从转录也是从DNADNA的一个特定位置开始的的一个特定位置开始的, ,以以DNADNA分子中的一条链为模板分子中的一条链为模板, ,在在RNARNA聚合聚合酶作用下酶作用下, ,以四种单核苷酸为原料以四种单核苷酸为原料, ,合成方合成方向仍是向仍是5 533, ,完成完成RNARNA的合成的合成。小小 结结 大肠杆菌的大肠杆菌的RNARNA聚合酶由五个亚基构聚合酶由五个亚基构成成, ,22

50、构成核心酶，再加上构成核心酶，再加上因子因子是全酶。是全酶。RNARNA聚合酶识别并特异结合的聚合酶识别并特异结合的DNADNA一段区域叫做启动子，启动子的序列一段区域叫做启动子，启动子的序列中中-10-10区和区和-35-35区区很保守，决定了启动子很保守，决定了启动子的强度是转录正确起点的关键，真核生的强度是转录正确起点的关键，真核生物中位于物中位于-25-25的的TATATATA盒盒和和-75-75区域区域的元件的元件是控制真核生物是控制真核生物RNARNA的转录的关键。的转录的关键。 真核生物的真核生物的RNARNA聚合酶有聚合酶有、和和MtMt几种，它们分别催化几种，它们分别催化rR