生物化学之RNA的生物合成

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1、第 十 一 章RNA的 生 物 合 成（ 转 录 ）RNA Biosynthesis, Transcription 转 录 (transcription) 生 物 体 以 DNA为 模 板 合 成 RNA的 过 程 。 转 录 RNADNA 复 制 和 转 录 的 区 别 A-U， T-A， G-CA-T， G-C配 对 mRNA， tRNA， rRNA子 代 双 链 DNA（ 半 保 留 复 制 ）产 物 RNA聚 合 酶 （ RNA-pol）DNA聚 合 酶酶 NTPdNTP原 料 模 板 链 转 录 （ 不 对 称 转 录 ）两 股 链 均 复 制模 板 转 录复 制 ， ，配 对 ，

2、，子 代 双 链（ 半 保 留 复 制 ）产 物 聚 合 酶 （ ）聚 合 酶酶原 料 模 板 链 转 录 （ 不 对 称 转 录 ）两 股 链 均 复 制模 板 转 录复 制 参 与 转 录 的 物 质原 料 : NTP (ATP, UTP, GTP, CTP) 模 板 : DNA酶 : RNA聚 合 酶 (RNA polymerase, RNA-pol)其 他 蛋 白 质 因 子 模 板 和 酶Templates and Enzymes第 一 节 一 、 转 录 模 板 结 构 基 因 ： DNA分 子 上 转 录 出 RNA的 区 段 。5GCAGTACATGTC 33 c g t g

3、a t g t a c a g 55GCAGUACAUGUC 3NAla Val His Val C编 码 链模 板 链mRNA蛋 白 质转 录翻 译 DNA双 链 中 按 碱 基 配 对 规 律 能 指 引 转 录 生 成 RNA的 一 股 单 链 ， 称 为 模 板 链 (template strand)，也 称 作 有 意 义 链 或 Watson链 。相 对 的 另 一 股 单 链 是 编 码 链 (coding strand)，也 称 为 反 义 链 或 Crick链 。 不 对 称 转 录 (asymmetric transcription) 在 DNA分 子 双 链 上 某 一

4、区 段 ， 一 股 链 用 作 模板 指 引 转 录 ， 另 一 股 链 不 转 录 ； 模 板 链 并 非 永 远 在 同 一 条 单 链 上 。53 35模 板 链编 码 链 编 码 链模 板 链结 构 基 因转 录 方 向 转 录 方 向 二 、 RNA聚 合 酶 (RNA-pol)（ 一 ） 原 核 生 物 的 RNA聚 合 酶 36512 决 定 哪 些 基 因 被 转 录 150618 催 化 功 能 155613 结 合 DNA模 板 70263 辨 认 起 始 点亚 基 分 子 量 功 能DNA dependent RNA polymerase (DDRP) 核 心 酶 (co

5、re enzyme) 全 酶 (holoenzyme) 亚 基 的 功 能 ： 辨 认 转 录 的 起 始 点核 心 酶 可 以 进 行 转 录 ， 但 不 能 在 特 定的 起 始 点 上 开 始 转 录 。 RNA聚 合 酶 全 酶 在 转 录 起 始 区 的 结 合 原 核 生 物 的 RNA聚 合 酶 都 受 一 类 结 核 菌 药 物 利 福平 或 利 福 霉 素 的 特 异 性 抑 制 http:/ http:/ http:/ 亚 基目 前 发 现 多 种 因 子v常 规 基 因 表 达 采 用 的 是 70（ 分 子 量 70kD）v热 休 克 反 应 ：细 菌 中 :当 细 菌

6、 受 到 热 应 激 ， 则 由 32启 动 另 一 套 转 录 ，所 生 成 的 产 物 称 为 热 休 克 蛋 白 （ Hsp） ， Hsp编码 的 基 因 称 为 热 休 克 基 因 （ hsp）真 核 生 物 中 也 存 在 热 休 克 基 因 只 是 功 能 各 异 。 （ 二 ） 真 核 生 物 的 RNA聚 合 酶 种 类 对 鹅 膏 蕈 碱的 反 应 45S-rRNA hnRNA 5S-rRNAtRNAsnRNA耐 受 极 敏 感 中 度 敏 感转 录 产 物RNA聚 合 酶 II可 认 为 是 真 核 生 物 中 最 活 跃 的 RNA聚 合 酶 三 、 模 板 上 酶 的

7、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 (operon)， 包 括 若 干 个 结 构 基因 及 其 上 游 (upstream)的 调 控 序 列 。 53 35结 构 基 因调 控 序 列 RNA-pol启 动 子 (promoter)： RNA聚 合 酶 结 合 模 板 DNA的 部 位 RNA聚 合 酶保 护 法 http:/ http:/ http:/ 开 始 转 录T T G A C AA A C T G T-35 区 (Pribnow box)T A T A A T Pu A T A T T A Py-1

8、0 区 1-30-50 10-10-40 -205 3 3 5 原 核 生 物 启 动 子 保 守 序 列RNA-pol辨 认 位 点(recognition site) 5 5RNA聚 合 酶 保 护 区 结 构 基 因3 3 TATA盒 CAAT盒 GC盒 增 强 子 顺 式 作 用 元 件 结 构 基 因-GCGC-CAAT-TATA 转 录 起 始真 核 生 物 启 动 子 保 守 序 列 转 录 过 程The Process of Transcription 第 二 节 （ 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

9、 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 。一 、 原 核 生 物 的 转 录 过 程 http:/ http:/ 阳 性 病 医 院 http:/ http:/ 2. DNA双 链 解 开1. RNA聚 合 酶 全 酶 (2)与 模 板 结 合 RNApol (2) - DNA - pppGpN- OH 3转 录 起 始 复 合 物 :3. 在 RNA聚 合 酶 作 用 下 发 生 第 一 次 聚 合 反 应 ， 形成 转 录 起 始 复 合 物5-pppG -OH + NTP 5-pppGpN -

10、 OH 3 + ppi转 录 起 始 过 程 （ 二 ） 转 录 延 长1. 亚 基 脱 落 ， RNApol聚 合 酶 核 心 酶 变 构 ，与 模 板 结 合 松 弛 ， 沿 着 DNA模 板 前 移 ； 2. 在 核 心 酶 作 用 下 ， NTP不 断 聚 合 ， RNA链不 断 延 长 。(NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPi 转 录 空 泡 (transcription bubble)：RNA-pol （ 核 心 酶 ） DNA RNAhttp:/ 53 DNA原 核 生 物 转 录 过 程 中 的 羽 毛 状 现 象核 糖 体RNARNA聚 合 酶 （ 三 ）

11、 转 录 终 止指 RNA聚 合 酶 在 DNA模 板 上 停 顿 下 来 不 再前 进 ， 转 录 产 物 RNA链 从 转 录 复 合 物 上 脱 落 下来 。 分 类 A T P1. 依 赖 Rho因 子 的 转 录 终 止Rho因 子 对 RNA上 的 poly C 结 合 能 力 强Rho因 子 有 ATP酶 活 性 和 解 螺 旋 酶 活 性 与 RNA转 录 产 物 结 合 ， 使 得 Rho因 子 和 RNA聚 合 酶 都可 发 生 构 象 变 化 ， 从 而 使 RNA 聚 合 酶 停 顿 ， 解 螺旋 酶 活 性 使 得 DNA/RNA杂 化 双 链 拆 离 ， 利 于 产

12、 物 从转 录 复 合 物 中 释 放Rho因 子 转 录 终 止 的 作 用 ： 2. 非 依 赖 Rho因 子 的 转 录 终 止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 。 5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3 RNA 5TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT. 3 DNA UUUU. UUUU.茎 环 (stem-

13、loop)/发 夹 (hairpin)结 构 使 RNA聚 合 酶 变 构 ， 转 录 停 顿 ； DNA和 RNA各 自 形 成 自 己 的 局 部 双 链 ， 使 杂 化 链更 加 不 稳 定 ， 以 致 转 录 复 合 物 趋 于 解 体 。接 着 的 一 串 寡 聚 U， 则 更 是 促 进 RNA新 链 从 模 板上 脱 落 的 促 进 因 素 。5pppG5 3 35RNA-pol茎 环 结 构 使 转 录 终 止 的 机 理 二 、 真 核 生 物 的 转 录 起 始（ 一 ） 转 录 起 始真 核 生 物 的 转 录 起 始 上 游 区 段 比 原 核 生 物多 样 化 ， 转

14、 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 。 转 录 起 始 点TATA盒CAAT盒GC盒 增 强 子顺 式 作 用 元 件 (cis-acting element)1. 转 录 起 始 前 的 上 游 区 段 AATAAA切 离 加 尾 转 录 终 止 点 修 饰 点 外 显 子 翻 译 起 始 点 内含子 OCT-1 OCT-1： ATTTGCAT八 聚 体 2. 转 录 因 子 能 直 接 、 间 接 辨 认 和 结 合 转 录 上 游 区 段DNA的 蛋 白 质 ， 现 已 发 现 数 百 种 ， 统 称 为 反式

15、 作 用 因 子 (trans-acting factors)。 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 (transcriptional factors, TF)。 参 与 RNA-pol 转 录 的 TF 蛋 白 激 酶 活 性 ， 使 CTD磷酸 化TF H ATPase57（ ） 34（ ）TF E 解 螺 旋 酶30， 74TF F 促 进 RNA-pol 结 合 及 作为 其 他 因 子 结 合 的 桥 梁33TF B 稳 定 TF D-DNA复 合 物12， 19， 35TF A 辅 助 TBP-DNA结 合

16、TAF* 结 合 TATA盒TBP* 38TF D 功 能亚 基 组 成 ， 分 子 量 (kD)转 录 因 子 蛋 白 激 酶 活 性 ， 使 磷酸 化 （ ） （ ） 解 螺 旋 酶， 促 进 结 合 及 作为 其 他 因 子 结 合 的 桥 梁 稳 定 复 合 物， ， 辅 助 结 合结 合 盒 功 能亚 基 组 成 ， 分 子 量转 录 因 子 3. 转 录 起 始 前 复 合 物(pre-initiation complex, PIC) 真 核 生 物 RNA-pol不 与 DNA分 子 直 接 结 合 ，而 需 依 靠 众 多 的 转 录 因 子 。 POL-TF F A B由 R

17、NA-Pol 催 化 转 录 的 PIC POL-TF F H ETBP TAFTF D- A- B-DNA复 合 物TATA A BTBP TAFTATA H E CTD- PPIC组 装 完 成 ， TF H使 CTD磷 酸 化 4. 拼 板 理 论 (piecing theory) 一 个 真 核 生 物 基 因 的 转 录 需 要 3至 5个 转录 因 子 。 转 录 因 子 之 间 互 相 结 合 ， 生 成 有 活性 ， 有 专 一 性 的 复 合 物 ， 再 与 RNA聚 合 酶 搭配 而 有 针 对 性 地 结 合 、 转 录 相 应 的 基 因 。 （ 二 ） 转 录 延 长

18、真 核 生 物 转 录 延 长 过 程 与 原 核 生 物 大 致 相似 ， 但 因 有 核 膜 相 隔 ， 没 有 转 录 与 翻 译 同 步 的现 象 。 RNA-pol前 移 处 处 都 遇 上 核 小 体 。 转 录 延 长 过 程 中 可 以 观 察 到 核 小 体 移 位 和解 聚 现 象 。 RNA-Pol RNA-PolRNA-Pol核 小 体转录延长中的核小体移位 转 录 方 向 （ 三 ） 转 录 终 止 和 转 录 后 修 饰 密 切 相 关 。 5-AAUAAA-5 -AAUAAA- 核 酸 酶-GUGUGUG RNA-polAATAAA GTGTGTG转 录 终 止

19、的 修 饰 点5 533 3加 尾AAAAAAA 3 mRNA 真 核 生 物 的 转 录 后 修 饰Post-transcriptional Modification第 三 节 几 种 主 要 的 修 饰 方 式1. 剪 接 (splicing) 2. 剪 切 (cleavage)3. 修 饰 (modification) 4. 添 加 (addition) 一 、 真 核 生 物 mRNA的 转 录 后 加 工（ 一 ） 首 、 尾 的 修 饰 5端 形 成 帽 子 结 构 (m7GpppGp ) 3端 加 上 多 聚 腺 苷 酸 尾 巴 (poly A tail) 5 pppGp 5 G

20、pppGppppG ppi 鸟 苷 酸转 移 酶5 m 7GpppGp甲 基 转 移 酶SAM 帽子结构的生成 5 ppGp磷 酸 酶 Pi 真 核 生 物 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 ， 去 除 非编 码 区 再 连 接 后 ， 可 翻 译 出 由 连 续 氨 基 酸 组 成的 完 整 蛋 白 质 ， 这 些 基 因 称 为 断 裂 基 因 。 断 裂 基 因 (splite gene)CA B D编 码 区 A、 B、 C、 D 非 编 码 区（ 二 ） mRNA的 剪 接 1. hnRNA 和 sn

21、RNA 核 内 的 初 级 mRNA称 为 杂 化 核 RNA (hetero-nuclear RNA, hnRNA) snRNA (small nuclear RNA)核 内 小 RNA核 内 的 蛋 白 质 小 分 子 核 糖 核 酸 蛋 白 体（ 并 接 体 , splicesome）snRNA hnRNA 剪 接 的 场 所 2. 外 显 子 (exon)和 内 含 子 (intron) 外 显 子 在 断 裂 基 因 及 其 初 级 转 录 产 物 上 出 现 ，并 表 达 为 成 熟 RNA的 核 酸 序 列 。 内 含 子 隔 断 基 因 的 线 性 表 达 而 在 剪 接 过

22、程 中 被除 去 的 核 酸 序 列 。 鸡 卵 清 蛋 白基 因hnRNA首 、 尾 修 饰hnRNA剪 接成 熟 的 mRNA 鸡卵清蛋白基因及其转录 、转录后修饰 鸡 卵 清 蛋 白 成 熟 mRNA与 DNA杂 交 电 镜 图DNA mRNA 3. 内 含 子 的 分 类 根 据 基 因 的 类 型 和 剪 接 的 方 式 ， 通 常 把 内 含子 分 为 4类 。 I： 主 要 存 在 于 线 粒 体 、 叶 绿 体 及 某 些 低 等真 核 生 物 的 rRNA基 因 ；II： 也 发 现 于 线 粒 体 、 叶 绿 体 ， 转 录 产 物 是mRNA； III： 是 常 见 的

23、形 成 套 索 结 构 后 剪 接 ， 大 多数 mRNA基 因 有 此 类 内 含 子 ； IV： 是 tRNA基 因 及 其 初 级 转 录 产 物 中 的 内 含子 ， 剪 接 过 程 需 酶 及 ATP。 4. mRNA的 剪 接 除 去 hnRNA中 的 内 含 子 ， 将 外 显 子 连 接 。snRNP与 hnRNA结 合 成 为 并 接 体 UACUACA - AGUG U4U5U6 E1 E2U1 U2 UACUACA - AGUGU6 E1 E2U1、 U4、 U5 pG-OH(ppG-OH, pppG-OH) U-OH GpUpGpA 第 一 次 转 酯 反 应第 二 次

24、 转 酯 反 应UpA GpU外 显 子 1 内 含 子 外 显 子 2G-OHUpUpGpA剪 接 过 程 的 二 次 转 酯 反 应 5. mRNA的 编 辑 (mRNA editing) 人 类 apo B基 因 mRNA（ 14500个 核 苷 酸 ）肝 脏apo B100（ 分 子 量 为 500000） 肠 道 细 胞apo B48（ 分 子 量 为 240000）mRNA编 辑 二 、 tRNA的 转 录 后 加 工tRNA前 体RNA pol TGGCNNAGTGC GGTTCGANNCCDNA RNAaseP、内 切 酶 tRNA核 苷 酸 转 移 酶 、连 接 酶ATP A

25、DP 碱 基 修 饰（ 2） 还 原 反 应 如 ： U DHU （ 3） 核 苷 内 的 转 位 反 应 如 ： U （ 4） 脱 氨 反 应 如 ： A I 如 ： A Am（ 1） 甲 基 化（ 1）（ 1） （ 3）（ 2） （ 4） 三 、 rRNA的 转 录 后 加 工 转 录 45S - rRNA剪 接18S - rRNA 5.8S和 28S-rRNA rDNA内 含 子 内 含 子 28S5.8S18S 基 因 间 隔 四 、 核 酶具 有 酶 促 活 性 的 RNA称 为 核 酶 。核 酶 (ribozyme) 四 膜 虫 rRNA内 含 子 的 二 级 结 构四 膜 虫 rRNA的 剪 接 采 用 自 我 剪 接 方 式5-端 核 苷 酸 序 列 最 简 单 的 核 酶 二 级 结 构 槌 头 状 结 构(hammerhead structure)底 物 部 分 通 常 为 60个 核 苷 酸 左 右同 一 分 子 上 包 括 有 催 化部 份 和 底 物 部 份 催 化 部 份 和 底 物 部 份 组成 锤 头 结 构 除 rRNA外 ， tRNA、 mRNA的 加 工 也 可 采 用 自 我剪 接 方 式 。 核 酶 研 究 的 意 义