IRNA的转录后加工

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1、第二节第二节 RNA的转录后加工的转录后加工RNA成熟成熟 转录后加工（转录后加工（post-transcriptional processing一一 原核生物中原核生物中RNA的加工：的加工：pppA6500nt（二）原核生物（二）原核生物 tRNA前体加工：前体加工：1.tRNA前体两侧切断前体两侧切断(cutting)及修剪及修剪(trimming)：1）5 tRNA成熟酶成熟酶 RNase P RNase P 蛋白：蛋白：20 kDa RNA（M1RNA）：）：ribozymeRNase P是识别是识别RNA特定空间结构而非一级结构的核特定空间结构而非一级结构的核酸内切酶酸内切酶 2）

2、tRNA 3-端：切割端：切割 RNase F 成熟成熟 RNase D 2.tRNA 3-末端末端CCAOH 结构的形成：结构的形成：（1）自身含有）自身含有-CCAOH结构，结构，经过修剪后暴露。经过修剪后暴露。（2）由）由tRNA核苷酰转移酶催核苷酰转移酶催 化形成化形成-CCAOH：tRNA+2CTP+ATP tRNA-CCAOH+3PPi3.tRNA分子中核苷酸修饰分子中核苷酸修饰 和异构化：和异构化：例如：假尿嘧啶（例如：假尿嘧啶（）的）的 形成（形成（U糖苷键移位，糖苷键移位，N1 C5）切除切除tRNAtRNA前体两端多余的序列：前体两端多余的序列：5 5端切除几到端切除几到1

3、010个核苷酸。个核苷酸。b、末端添加：、末端添加：3-端添加端添加CCA序列。序列。c、修饰：形成稀有碱基如、修饰：形成稀有碱基如DH2 。RNAasePRNAasePRNAaseFRNAaseFRNAaseDRNAaseDACC核酸内切酶核酸内切酶的作用的作用 核苷酰转移酶核苷酰转移酶的作用的作用 核酸外切酶核酸外切酶的作用的作用 异构化酶异构化酶的作用的作用 （三）原核生物（三）原核生物 mRNA前体加工：前体加工：细菌的细菌的mRNA大多数不需要加工，边转录边翻译。大多数不需要加工，边转录边翻译。少数如核糖体蛋白少数如核糖体蛋白L10和和L7/L12和和RNA聚合酶的聚合酶的 和和 亚

4、基亚基 组成多顺反子转录产物，需要经组成多顺反子转录产物，需要经RNase III切割后分别翻译切割后分别翻译 细菌细菌mRNA的特点：的特点：多顺反子：一个多顺反子：一个mRNA可以翻译出不止一个蛋白产物可以翻译出不止一个蛋白产物 半衰期短：半衰期短：mRNA降解在转录开始后降解在转录开始后1min就开始了就开始了 mRNA平均半衰期为平均半衰期为2min（脊椎动物（脊椎动物3hr)5端无帽子结构，端无帽子结构，3端只有较短的端只有较短的polyA结构结构 起始密码上游起始密码上游712bp处有一个处有一个SD序列（序列（Shine-Dalgarno sequence)，与核糖体小亚基，与核

5、糖体小亚基16S rRNA 3端互补端互补二二 真核生物真核生物 RNA的一般加工：的一般加工：（一）真核生物（一）真核生物 rRNA前体加工：前体加工：真核生物真核生物 rRNA前体合成、加工及核糖体装配都在核仁中进前体合成、加工及核糖体装配都在核仁中进行。行。受核仁小分子受核仁小分子RNA（snoRNA）指导指导真核生物真核生物 rRNA基因无内含子，有也不被转录。基因无内含子，有也不被转录。5S rRNA基因簇基因簇 RNA聚合酶聚合酶III转录转录 加工加工 5S真核生物真核生物 rRNA基因成簇排列：基因成簇排列：32S(2.1 106）28S(1.7 106）45S 41S 5.8

6、S(5 10 4）20S(0.9 106）18S（0.65 106）（二）真核生物（二）真核生物 tRNA前体加工：前体加工：真核生物真核生物 tRNA基因也是成簇排列，由基因也是成簇排列，由RNA聚合酶聚合酶III转录。转录。真核生物真核生物tRNA基因：约基因：约1300个个 果蝇果蝇tRNA基因：约基因：约850个个 大肠杆菌大肠杆菌tRNA基因：约基因：约60个个5-tRNA成熟酶类似于原核生物成熟酶类似于原核生物RNase P（但其中的（但其中的RNA不是不是ribozyme），），3-端需要多种酶。端需要多种酶。真核生物真核生物tRNA自身不含有自身不含有-CCAOH结构，全部由结

7、构，全部由tRNA核苷酰转核苷酰转移酶催化合成。移酶催化合成。甲基化、假尿嘧啶化甲基化、假尿嘧啶化tRNA的初级产物的初级产物(，100Nt)成熟成熟 tRNA(，70-80Nt)加工加工内切酶内切酶外切酶外切酶连接酶连接酶（三）真核生物（三）真核生物 mRNA前体加工：前体加工：真核生物基因是真核生物基因是断裂基因断裂基因（interrupted gene）1977年年Roberts和和Sharp提出，提出，1993年年Nobel医学医学/生理学奖生理学奖真核生物真核生物mRNA为单顺反子，含有内含子。为单顺反子，含有内含子。内含子内含子（intron)：在：在RNA拼接时被切除的序列，不表

8、达拼接时被切除的序列，不表达 也称为也称为间隔序列间隔序列（intervening sequence,IVS)外显子外显子（exon)：成熟：成熟RNA中出现的序列部分中出现的序列部分真核编码蛋白的真核编码蛋白的mRNA内含子基因结构特征：内含子基因结构特征：GT-AG规律规律 即：即：mRNA内含子的内含子的 5 端都是端都是GU；而；而3 端都是端都是AG核内不均一核内不均一RNA（heterogenous nuclear RNA，hnRNA)：核内加工过程中核内加工过程中mRNA前体形成的分子量前体形成的分子量大小不一的中间物。也称为大小不一的中间物。也称为D-RNA。hnRNA半寿期多

9、数很短，几分钟至几小时。而细半寿期多数很短，几分钟至几小时。而细胞质中的胞质中的mRNA寿命较长，寿命较长，110hr2.真核生物真核生物mRNA加工的一般步骤：加工的一般步骤：（1）5 帽子的形成（帽子的形成（capping）:5 帽子帽子：真核生物：真核生物mRNA 5 末端特征结构，是在末端特征结构，是在mRNA 5 末端反向接上的一个甲基化的鸟苷酸。末端反向接上的一个甲基化的鸟苷酸。典型典型5 帽子结构：帽子结构：m7GpppNpN（Cap 0）m7GpppNmpN（Cap I）m7GpppNmpNmpN（Cap II）m7G：G碱基碱基7位甲基化；位甲基化；Nm：核糖：核糖2-OH甲

10、基化甲基化5 帽子功能：稳定帽子功能：稳定mRNA，不被，不被5 核酸外切酶水解；核酸外切酶水解；翻译起始的识别功能；翻译起始的识别功能；有助于有助于mRNA转运转运加加5帽帽子子的的方方法法 cap I 结构结构RNA三磷酸酶三磷酸酶鸟苷酰转移酶鸟苷酰转移酶鸟嘌呤鸟嘌呤7-甲基转移酶甲基转移酶2-O-甲基转移酶甲基转移酶（2）3 尾巴的形成（尾巴的形成（tailing）:3 尾巴尾巴：真核生物真核生物mRNA的的3端大都有端大都有20 200个腺苷酸构个腺苷酸构成的成的polyA长链。形成于核内加工时期。长链。形成于核内加工时期。作用：稳定作用：稳定3-端，端，mRNA 的的polyA尾巴越

11、长，可供降解的尾巴越长，可供降解的 时间越长，寿命越长。时间越长，寿命越长。与核内向细胞质转移有关。与核内向细胞质转移有关。不是所有真核生物蛋白不是所有真核生物蛋白mRNA都有都有polyA尾巴，如组蛋白尾巴，如组蛋白真核生物的真核生物的mRNA在在3端端存在保守的存在保守的加尾信号加尾信号（AAUAAA）RNase III识别加尾信号，识别加尾信号，在其下游在其下游1030 Nt处切断，处切断，mRNA脱落。脱落。由由多聚腺苷酸聚合酶多聚腺苷酸聚合酶加上加上20200Nt的的polyA尾巴。尾巴。3 尾巴的形成尾巴的形成:（3）mRNA的内部甲基化的内部甲基化：m6A，在，在hnRNA加工中

12、起识别作用，不是翻加工中起识别作用，不是翻译所必需。译所必需。（4）内含子的切除及）内含子的切除及RNA拼接：拼接：核内小分子核内小分子RNA与拼接体与拼接体三三.RNA拼接拼接：真核真核RNA的内含子切除以及拼接等方式是多样化的的内含子切除以及拼接等方式是多样化的 是基因表达调控的一个重要方面是基因表达调控的一个重要方面1）类型）类型I自我拼接自我拼接(group I self-splicing)2）类型）类型II自我拼接自我拼接(group II self-splicing)3）核）核mRNA的拼接体的拼接的拼接体的拼接(nuclear mRNA spliceosomal)4）核内）核内t

13、RNA前体的酶促拼接前体的酶促拼接(nuclear tRNA enzymatic)5）反式拼接（）反式拼接（trans-splicing)6）选择性拼接（）选择性拼接（alternative splicing)1）类型类型I自我拼接（自我拼接（group I self-splicing)：1983年，年，Cech T 发现。发现。1989年获得年获得Nobel化学奖化学奖嗜热四膜虫嗜热四膜虫26s rRNA前体（前体（413Nt），在成熟过程中无需），在成熟过程中无需酶的催化，但需酶的催化，但需5-GMP 和和Mg2+,是由其是由其IVS(内含子）内含子）自我催化完成的。自我催化完成的。5-G

14、MP35 OH G53(G-IVS)G Mg 2+Mg 2+L19-IVS(395nt)两次环化两次环化切除切除19nt532）类型类型II自我拼接自我拼接（group II self-splicing)1982，Altman S。1989年获得年获得Nobel化学奖化学奖II型内含子（型内含子（RNAase P的的M1RNA)在催化剪接反应时不需要在催化剪接反应时不需要鸟苷酸，但需要鸟苷酸，但需要Mg2+533A2-OH Mg 2+5OH3A2-OH3 Mg 2+53+A2-OH3OH3)核核mRNA拼接体拼接拼接体拼接 （nuclear mRNA splicesomal splicing)

15、真核生物真核生物 hnRNA的拼接是由核内小分子的拼接是由核内小分子RNA（snRNA）来承担。来承担。snRNA：100-300个个Nt的的RNA，U含量高的称为含量高的称为U系列系列 snRNA。其中除了其中除了U3以外，以外，U1 U6都参与都参与 hnRNA的加工。的加工。拼接体（拼接体（splicesome）：）：snRNA与蛋白构成核糖核蛋白与蛋白构成核糖核蛋白 （snRNP），并组装成为），并组装成为50-60S的椭球体。的椭球体。CAUUCAUAUGAUGU外显子外显子1外显子外显子2AAGUAUACU CA53内含子内含子U1U2分支点分支点拼接体拼接体 真核生物真核生物mR

16、NA的拼接过程的拼接过程 拼接体识别、结合拼接体识别、结合hnRNA内含子内含子5及及3区域区域 外显子靠近，形成套外显子靠近，形成套索索RNA(lariat RNA)两步转酯反应，切去两步转酯反应，切去内含子，连接外显子内含子，连接外显子4)核内核内tRNA前体的酶促拼接前体的酶促拼接（nuclear tRNA enzymatic splicing)催化酵母催化酵母tRNA前体拼前体拼接的酶识别的不是内接的酶识别的不是内含子的序列，而是特含子的序列，而是特定的二级结构定的二级结构5）反式拼接反式拼接：顺式拼接：分子内的拼接顺式拼接：分子内的拼接反式拼接反式拼接：生物体内存在的分子间的拼接方式

17、。较少见：生物体内存在的分子间的拼接方式。较少见 例如：锥虫的多种例如：锥虫的多种mRNA右侧内含子右侧内含子左侧内含子左侧内含子6 6）选择性拼接（选择性拼接（alternative splicing)：选择性拼接选择性拼接（alternative splicing)：在不同发育阶段或不同组织器官中，在不同发育阶段或不同组织器官中，mRNA以不同的以不同的方式拼接。方式拼接。同源蛋白同源蛋白：经选择性拼接得到的不同蛋白产物。：经选择性拼接得到的不同蛋白产物。例如：降钙素例如：降钙素 和和 降钙素基因相关肽降钙素基因相关肽 polyA polyA 脑中脑中 肾上腺肾上腺 1-2-3-4（降钙素

18、（降钙素）1-2-3-56（降钙素基因相关肽）（降钙素基因相关肽）exon123456 哺乳动物载脂蛋白哺乳动物载脂蛋白B（Apo B）：）：在肝脏正常合成在肝脏正常合成Apo B 100。而在小肠中，。而在小肠中，CU，导致，导致终止密码终止密码UAA出现，肽链合成提前终止，合成出现，肽链合成提前终止，合成Apo B 48。RNA编辑：改变编辑：改变RNA编码序列的方式编码序列的方式RNA编辑类型：多种编辑类型：多种 U的插入与删除：的插入与删除：指导指导RNA(guide RNA,gRNA)为模板的转酯反应。例如：为模板的转酯反应。例如：锥虫线粒体锥虫线粒体mRNA插入插入4个个U，校正了

19、基因，校正了基因-1移码突变移码突变 四四 RNA编辑编辑（RNA editing）与化学修饰：与化学修饰：35UUU-OHUU3UUUUU5OH35U第一次转酯第一次转酯第二次转酯第二次转酯 脑脑Glu受体亚基受体亚基mRNA：AI，多个多个Gln ArgRNA编辑意义：修正有害基因突变；编辑意义：修正有害基因突变；增加基因产物多样性；增加基因产物多样性；与组织发育与分化的有关的调控方式与组织发育与分化的有关的调控方式五五 RNA再编码（再编码（RNA recoding)RNA再编码：再编码：对对RNA编码序列阅读方式的改变编码序列阅读方式的改变主要方式：利用主要方式：利用校正校正tRNA。

20、（校正（校正tRNA：是变异的：是变异的tRNA，反密码子环碱基发生改，反密码子环碱基发生改变，或是决定变，或是决定tRNA特异性即个性的碱基发生改变，从特异性即个性的碱基发生改变，从而改变了译码规则，使错误的编码信息受到校正。消而改变了译码规则，使错误的编码信息受到校正。消除错义、无义和移码突变的影响。）除错义、无义和移码突变的影响。）改变反密码子或决定改变反密码子或决定tRNA特异性的碱基特异性的碱基 阅读二联体或四联体密码子方式，修正移码突变阅读二联体或四联体密码子方式，修正移码突变第三节第三节 RNA指导下的指导下的RNA和和DNA的合成的合成一一 RNA复制复制(RNA replic

21、ation)：主要存在于主要存在于RNA病毒中病毒中以以RNA为模板，合成互补为模板，合成互补RNA的过程。的过程。条件：条件：RNA复制酶催化（复制酶催化（RDRP，专一性极高），专一性极高）需要需要RNA模板、模板、4种核糖三核苷酸和种核糖三核苷酸和Mg2+复制进行的方向复制进行的方向5 3。1.噬菌体噬菌体Q RNA的复制：的复制：噬菌体噬菌体Q RNA：4500Nt,可编码可编码3-4个蛋白。基因有重叠。个蛋白。基因有重叠。外壳蛋白在转录时发生通读，外壳蛋白在转录时发生通读，则产生则产生A1蛋白。蛋白。噬菌体噬菌体Q RNA本身本身(+链链)是是mRNA，可以直接翻译。，可以直接翻译。

22、只有一个起始密码是开放的复只有一个起始密码是开放的复制酶制酶 亚基合成后，利用宿亚基合成后，利用宿主的成分装配复制酶。主的成分装配复制酶。2 噬菌体噬菌体Q 复制酶组成：复制酶组成：噬菌体噬菌体Q 复制酶专一性极高，只作用于自身复制酶专一性极高，只作用于自身RNA，对宿，对宿主主RNA 及其它及其它RNA无反应。并且强烈抑制核糖体与无反应。并且强烈抑制核糖体与RNA结合。结合。亚基亚基来源来源功能功能I（）宿主核糖体蛋白宿主核糖体蛋白S1与噬菌体与噬菌体Q RNA结合结合II（）噬菌体编码、合成噬菌体编码、合成聚合反应活性中心聚合反应活性中心III（）宿主细胞宿主细胞EF-Tu因子因子与底物结

23、合，识别模与底物结合，识别模板并选择底物板并选择底物IV（）宿主细胞宿主细胞EF-Ts因子因子稳定稳定 和和 亚基亚基首先酶吸附在首先酶吸附在Q RNA3 端，端，以以Q 正链为模板正链为模板合成负链；再以合成负链；再以负链负链为模板为模板合成大量合成大量正链，并合成成熟所需要的蛋白。正链，并合成成熟所需要的蛋白。需要需要HFI和和HFII速度速度35Nt/s不需不需HFI和和HFII特点：特点：（1 1）尽可能利用宿主成分，简化自身基因组。）尽可能利用宿主成分，简化自身基因组。（2 2）各种蛋白成分效率高，兼具多种功能：）各种蛋白成分效率高，兼具多种功能：3 病毒病毒RNA复制的主要方式：复

24、制的主要方式：（1）含正链含正链RNA的病毒的病毒：噬菌体：噬菌体Q、灰质炎病毒、灰质炎病毒 先合成复制酶及相关蛋白先合成复制酶及相关蛋白 RNA复制复制 蛋白合成蛋白合成装配装配（2）含负链含负链RNA及及复制酶复制酶的病毒的病毒：狂犬病病毒：狂犬病病毒 利用自身携带的复制酶利用自身携带的复制酶 合成合成正链正链RNA 合成合成病毒病毒蛋白蛋白（3）含双链及含双链及复制酶复制酶的病毒的病毒：呼肠孤病毒：呼肠孤病毒 以双链为模版以双链为模版 不对称转录出不对称转录出正链正链RNA 合成合成病毒病毒蛋白蛋白 RNA复制复制（4）致癌致癌RNA病毒病毒：一般含有两条相同正链：一般含有两条相同正链R

25、NA（二倍体）（二倍体）先经过逆转录先经过逆转录 合成合成DNA mRNA 蛋白蛋白二二 RNA 逆转录逆转录（reverse transcription）逆（反）转录：以逆（反）转录：以RNA为模板合成为模板合成DNA1 逆转录酶逆转录酶(reverse transcriptase)：依赖依赖RNA的的DNA聚合酶聚合酶 (RNA-dependent DNA polymerase,RDDP)、RNA指导的指导的DNA 聚合酶聚合酶 (RNA-directed DNA polymerase)1970年年Temin H.等发现逆转录酶等发现逆转录酶，证实前病毒学说。证实前病毒学说。1975年，获

26、得诺贝尔医学年，获得诺贝尔医学/生理学奖生理学奖2 逆转录酶的性质：逆转录酶的性质：需引物（需引物（tRNA)、模板和、模板和Mg2+等二价阳离子。等二价阳离子。按照按照53合成合成是多功能酶：是多功能酶：（1）具有）具有RNA指导的指导的DNA聚合酶活力（聚合酶活力（RDDP)（2）具有）具有DNA指导的指导的DNA聚合酶活力聚合酶活力(DDDP)（3）具有核糖核酸酶）具有核糖核酸酶H(RNase H，核酸外切酶，核酸外切酶)活性活性 (专一水解专一水解RNA-DNA杂交分子中的杂交分子中的RNA)以以mRNA为模板为模板(具有具有poly A尾巴，可以尾巴，可以 poly dT为引物为引物

27、)合成的合成的互补互补DNA cDNADDDP53 逆转录的基本过程：逆转录的基本过程：以以RNA为模板（无翻译功能）为模板（无翻译功能）RNA-DNA杂交体杂交体 RNase H水解去除水解去除RNA 以以cDNA为模板复制为模板复制DNA双链双链 利用自身长末端重复序列（利用自身长末端重复序列（long terminal repeat,LTR）整合）整合到宿主到宿主DNA 前病毒（前病毒（provirus）转录转录 翻译翻译3 两种不同的逆转录病毒（逆病毒）：两种不同的逆转录病毒（逆病毒）：（1）逆转录逆转录RNA病毒：病毒：HIV、致癌病毒、致癌病毒以以RNA为基因携带者：为基因携带者：

28、两条两条+链，链，5端以氢键结合，有端以氢键结合，有 5帽子、帽子、3-polyA尾巴，尾巴，5端附近带有一个宿主端附近带有一个宿主tRNA引物引物生活周期：生活周期：RNA（+）逆转录逆转录 DNA(-)RNA(+)蛋白蛋白负链负链DNA合成的引物：合成的引物：tRNA（2）乙型肝炎病毒（）乙型肝炎病毒（HBV）：）：以以DNA为基因携带者（带缺口的双链环状为基因携带者（带缺口的双链环状DNA）生活周期：生活周期：DNA()转录转录 RNA（+）逆转录逆转录 DNA(-)DNA()负链负链DNA合成的引物：蛋白合成的引物：蛋白两种病毒颗粒都携带逆转录酶两种病毒颗粒都携带逆转录酶三三 逆转座子

29、（逆转座子（retroposon)逆转座子：转座需要以逆转座子：转座需要以RNA为中间体，经逆转录再分散为中间体，经逆转录再分散 到基因组中的可移动因子，为真核基因组特有。到基因组中的可移动因子，为真核基因组特有。1 逆转座子类型：两大家族逆转座子类型：两大家族 (1)逆转录转座子（逆转录转座子（retrotransposon)：自身编码逆转录酶和自身编码逆转录酶和/或整合酶，包括病毒型和非传染性转或整合酶，包括病毒型和非传染性转座因子，带座因子，带/不带有不带有LTR，某些，某些有有3poly A。(2)自身不编码逆转录酶的转座子：自身不编码逆转录酶的转座子：无长末端无长末端LTR，无内含子

30、，但有，无内含子，但有3poly A，为，为RNA聚合酶聚合酶II或或III的转录后完全加工的产物，经逆转录产生的逆假基因。的转录后完全加工的产物，经逆转录产生的逆假基因。2 生物学意义：影响基因表达；介导基因重排；生物进化生物学意义：影响基因表达；介导基因重排；生物进化第四节第四节 RNA功能多样性：功能多样性：（1）RNA自身是遗传信息的携带者：自身是遗传信息的携带者：RAN病毒病毒（2）RNA在遗传信息表达中起着决定性的作用在遗传信息表达中起着决定性的作用:mRNA的信息中介作用、的信息中介作用、rRNA参与组成核糖体、参与组成核糖体、tRNA搬运氨基酸搬运氨基酸（3）RNA具有催化功能

31、：具有催化功能：M1RNA等等ribozyme（4）多种小分子）多种小分子RNA（snRNA、scRNA）及其蛋白复合物）及其蛋白复合物 参与参与RNA的加工和修饰；参与转录水平调节的加工和修饰；参与转录水平调节（5）对基因表达和细胞功能具有调节作用：）对基因表达和细胞功能具有调节作用：反义反义RNA(antisense RNA):含有与靶含有与靶mRNA序列互补而与之结合，对基因表达有序列互补而与之结合，对基因表达有调节功能的调节功能的RNA片段。因为是由基因的反义链转录形成片段。因为是由基因的反义链转录形成而得名。而得名。因可与因可与mRNA结合抑制翻译过程从而表现出对基因结合抑制翻译过程

32、从而表现出对基因的抑制。也称为干扰的抑制。也称为干扰mRNA的互补的互补RNA（interfering complementary RNA，mic RNA）见：见：P569，P490 tmRNA:一半结构类似一半结构类似tRNA，并携带一个，并携带一个Ala；另一半可作为；另一半可作为mRNA翻译出一个十肽，兼有翻译出一个十肽，兼有tRNA和和mRNA的功能。的功能。识别识别3端残缺的端残缺的mRNA，使其翻译产物带上标志，使其翻译产物带上标志（异常十一肽尾部）。（异常十一肽尾部）。RNA干扰干扰(RNA interference,RNAi):一些小一些小RNA（双链）能关闭有关基因的表达，导致（双链）能关闭有关基因的表达，导致基基因沉默（因沉默（gene silence)（6）RNA在生物进化中具有重要意义：在生物进化中具有重要意义：RNA起源学说起源学说