《生物化學與分子生物學：第14章 RNA的生物合成》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《生物化學與分子生物學：第14章 RNA的生物合成（83頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。
1、第第 十十 四四 章章RNARNA的生物合成的生物合成RNA Biosynthesis 嚴格意義上，嚴格意義上，RNA的生物合成的生物合成 轉錄轉錄RNA的生物合成的生物合成 轉錄轉錄 RNA的復制的復制RNA的復制：以的復制：以RNA為模板生成為模板生成RNA，如冠狀病毒，如冠狀病毒轉錄轉錄 (transcription) 生物體以生物體以DNA為模板合成為模板合成RNA的過程的過程 轉轉錄錄RNADNA 參與轉錄的物質參與轉錄的物質原料原料: : NTP (ATP, UTP, GTP, CTP) 模板模板: : 解開成單鏈的解開成單鏈的DNA酶酶: : RNA聚合酶聚合酶(RNA poly
2、merase, RNA pol)其他蛋白質因子其他蛋白質因子原核生物轉錄的模板和酶原核生物轉錄的模板和酶Templates and Enzymes in Prokaryotic Transcription第一節(jié)第一節(jié)一、一、 原核生物轉錄的模板原核生物轉錄的模板 DNA分子上轉錄出分子上轉錄出RNA的區(qū)段，稱為的區(qū)段，稱為結構結構基因基因(structural gene)。 5GCAGTACATGTC 33 c g t g a t g t a c a g 55GCAGUACAUGUC 3NAla Val His Val C編碼鏈編碼鏈模板鏈模板鏈mRNA蛋白質蛋白質轉錄轉錄翻譯翻譯轉錄轉錄5G
3、CAGUACAUGUC 3轉錄轉錄mRNA5GCAGUACAUGUC 3轉錄轉錄5 5 3 3 3 3 5 5 模板鏈模板鏈編碼鏈編碼鏈編碼鏈編碼鏈模板鏈模板鏈結構基因結構基因轉錄方向轉錄方向轉錄方向轉錄方向不對稱轉錄不對稱轉錄(asymmetric transcription) 在在DNA分子雙鏈上某一區(qū)段，一股鏈用分子雙鏈上某一區(qū)段，一股鏈用作模板指引轉錄，另一股鏈不轉錄作模板指引轉錄，另一股鏈不轉錄 ； 編碼鏈并非永遠在同一條單鏈上。編碼鏈并非永遠在同一條單鏈上。 轉錄的選擇性轉錄的選擇性(NMP)n + NTP (NMP)n+1 + PPiRNA聚合酶通過在聚合酶通過在RNA的的3 -
4、羥基端加入羥基端加入核苷酸延長核苷酸延長RNA鏈，以鏈，以 合成合成RNA?？偟姆磻嚎偟姆磻憾⒍?、RNARNA合成由合成由RNA聚合酶催化聚合酶催化原核生物的原核生物的RNA聚合酶聚合酶三、三、RNARNA聚合酶結合到聚合酶結合到DNADNA的啟動序列上啟動轉錄的啟動序列上啟動轉錄Promoter：啟動序列啟動序列（原核）或啟動子（真核）（原核）或啟動子（真核）例：例： 乳糖操縱子乳糖操縱子(lac operon)的結構的結構 調控區(qū)調控區(qū)CAP結合位點結合位點啟動序列啟動序列操縱序列操縱序列 結構基因結構基因Z： -半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y： 透酶透酶A：乙酰基轉移酶：乙?；D移酶ZYA
5、OPDNARNA-pol原核生物一個轉錄區(qū)段可視為一個轉錄單位，稱原核生物一個轉錄區(qū)段可視為一個轉錄單位，稱為為操縱子操縱子(operon)，包括若干個，包括若干個結構基因結構基因及其上游及其上游(upstream)的的調控序列調控序列。 RNA聚合聚合酶保護法酶保護法開始轉錄開始轉錄T T G A C A-35 區(qū)區(qū)(Pribnow box)T A T A A T-10 區(qū)區(qū)1-30-5010-10-40-205 3 3 5 原核生物啟動序列中的保守序列原核生物啟動序列中的保守序列RNA-pol辨認位點辨認位點(recognition site) 原核生物的轉錄過程原核生物的轉錄過程Proc
6、ess of Transcription in Prokaryote 第二節(jié)第二節(jié) 一、轉錄起始需要一、轉錄起始需要RNARNA聚合酶全酶聚合酶全酶轉錄起始復合物轉錄起始復合物RNApol ( 2) - DNA - pppGpN- OH 3 5 -pppG -OH + NTP 5 -pppGpN - OH 3 + ppi轉錄起始需解決兩個問題：轉錄起始需解決兩個問題：RNA聚合酶必須準確地結合在轉錄模板的起始區(qū)域。聚合酶必須準確地結合在轉錄模板的起始區(qū)域。DNA雙鏈解開，使其中的一條鏈作為轉錄的模板。雙鏈解開，使其中的一條鏈作為轉錄的模板。轉錄起始需要轉錄起始需要RNARNA聚合酶全酶聚合酶全
7、酶1. 亞基脫落，亞基脫落，RNApol聚合酶核心酶變構，聚合酶核心酶變構，與模板結合松弛，沿著與模板結合松弛，沿著DNA模板前移；模板前移； 2. 在在核心酶核心酶作用下，作用下，NTP不斷聚合，不斷聚合，RNA鏈鏈不斷延長。不斷延長。(NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPi二、原核生物轉錄的延伸階段二、原核生物轉錄的延伸階段轉錄空泡轉錄空泡(transcription bubble)：轉錄過程中，轉錄過程中，RNA聚合酶及其所覆蓋的聚合酶及其所覆蓋的DNA雙鏈以及合成的雙鏈以及合成的RNA共同共同構成的復合物構成的復合物,又稱為又稱為轉錄復合物轉錄復合物。RNA-pol
8、（核心酶）（核心酶） DNA RNA5 3 DNA原核生物轉錄延長時蛋白質的翻譯同時進行原核生物轉錄延長時蛋白質的翻譯同時進行核糖體核糖體RNARNA聚合酶聚合酶依賴依賴Rho ()因子的轉錄終止因子的轉錄終止非依賴非依賴Rho因子的轉錄終止因子的轉錄終止RNA聚合酶在聚合酶在DNA模板上停頓下來不再前進，模板上停頓下來不再前進，轉錄產(chǎn)物轉錄產(chǎn)物RNA鏈從轉錄復合物上脫落下來。鏈從轉錄復合物上脫落下來。 分類分類三、原核生物的轉錄終止三、原核生物的轉錄終止依賴依賴因子的轉錄終止因子的轉錄終止DNA模板上靠近終止處，有些特殊的堿模板上靠近終止處，有些特殊的堿基序列，轉錄出基序列，轉錄出RNA后，
9、后，RNA產(chǎn)物形成特殊產(chǎn)物形成特殊的的莖環(huán)（莖環(huán)（stem-loop)stem-loop)或發(fā)夾或發(fā)夾(hairpin)(hairpin)結構來終止結構來終止轉錄。轉錄。非依賴非依賴 因子的轉錄終止因子的轉錄終止莖環(huán)莖環(huán)(stem-loop)結構終止轉錄結構終止轉錄莖環(huán)結構使轉錄終止的機理莖環(huán)結構使轉錄終止的機理 使使RNA聚合酶變構，轉錄停頓；聚合酶變構，轉錄停頓； 使轉錄復合物趨于解離，使轉錄復合物趨于解離，RNA產(chǎn)物釋放。產(chǎn)物釋放。5 pppG5 3 3 5 RNA-pol( ( 2 2) ) 亞基識別啟動序列，進入延伸階段后，亞基識別啟動序列，進入延伸階段后， 亞基脫離，由核心酶催化合
10、成亞基脫離，由核心酶催化合成mRNAmRNA、rRNArRNA和和tRNAtRNA。原核的轉錄終止有兩種方式：原核的轉錄終止有兩種方式：因子依賴因子依賴終止和非終止和非因子依賴終止因子依賴終止真核生物真核生物RNARNA的生物合成的生物合成RNA Biosynthesis in Eukaryote 第三節(jié)第三節(jié) 一、真核生物有三種一、真核生物有三種RNA聚合酶聚合酶 種類種類對鵝膏蕈堿對鵝膏蕈堿的反應的反應45S-rRNAhnRNA5S-rRNAtRNAsnRNA耐受耐受極敏感極敏感中度敏感中度敏感轉錄產(chǎn)物轉錄產(chǎn)物真核生物有三種真核生物有三種RNA聚合酶聚合酶 三種真核三種真核RNA聚合酶聚合
11、酶都由兩個不同的大亞基都由兩個不同的大亞基和和12個小亞基構成個小亞基構成 RNARNA聚合酶聚合酶最大亞基（最大亞基（RBP1RBP1）的羧基末端有）的羧基末端有一段共有序列為一段共有序列為Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-SerTyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Ser（YSPTSPSYSPTSPS） 的重復片段序列，稱為的重復片段序列，稱為CTDCTD，是該酶，是該酶起始起始RNARNA轉錄所必需的。轉錄所必需的。CTDCTD：轉錄起始復合物裝配期非磷酸化，轉錄：轉錄起始復合物裝配期非磷酸化，轉錄起始、延伸時磷酸化，轉錄終止時去磷酸化。起始、延伸時磷酸化，轉錄終
12、止時去磷酸化。羧基末端結構域羧基末端結構域( (Carboxyl-terminal domain, CTD ) )“for his studies of the molecular basis of eukaryotic transcription”Roger Kornberg是是“第一第一個構建出分子水平上真核個構建出分子水平上真核生物轉錄圖像的人生物轉錄圖像的人”l但一個基因可以轉錄產(chǎn)生許多但一個基因可以轉錄產(chǎn)生許多RNA拷貝，拷貝，而且而且RNA最終是被降解和替代，所以轉錄產(chǎn)最終是被降解和替代，所以轉錄產(chǎn)生錯誤生錯誤RNA對細胞的影響遠比復制產(chǎn)生錯誤對細胞的影響遠比復制產(chǎn)生錯誤DNA對細
13、胞的影響小。對細胞的影響小。RNA聚合酶缺乏校讀聚合酶缺乏校讀(proofreading)功能功能l 轉錄發(fā)生的錯誤率比復制發(fā)生的錯誤率高。轉錄發(fā)生的錯誤率比復制發(fā)生的錯誤率高。二、轉錄起始需要啟動子、二、轉錄起始需要啟動子、RNARNA聚合酶聚合酶和轉錄因子的參與和轉錄因子的參與真核生物的轉錄起始上游區(qū)段比原核生物真核生物的轉錄起始上游區(qū)段比原核生物多樣化，轉錄起始時，多樣化，轉錄起始時，RNA-pol不直接結合模不直接結合模板板，其起始過程比原核生物復雜。，其起始過程比原核生物復雜。轉錄起始點轉錄起始點TATA盒盒CAAT盒盒GC盒盒 增強子增強子順式作用元件順式作用元件(cis-acti
14、ng element)（一）（一）轉錄起始點上游區(qū)段具有核心啟動子序列轉錄起始點上游區(qū)段具有核心啟動子序列AATAAA切離加尾切離加尾 轉錄終止點轉錄終止點 修飾點修飾點 外顯子外顯子 翻譯起始點翻譯起始點內內含含子子 OCT-1 OCT-1：ATTTGCAT八聚體八聚體（二）（二） 轉錄因子轉錄因子 能直接、間接辨認和結合轉錄上游區(qū)段能直接、間接辨認和結合轉錄上游區(qū)段DNA的的蛋白質蛋白質，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)數(shù)百種，統(tǒng)稱為，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)數(shù)百種，統(tǒng)稱為反式作用因子反式作用因子(trans-acting factors)。 反式作用因子中，直接或間接結合反式作用因子中，直接或間接結合RNA聚合酶聚合酶的，則稱
15、為的，則稱為轉錄因子轉錄因子(transcriptional factors, TF)（狹義）。狹義）。 順式作用元件順式作用元件：指可影響自身基因表達活性的：指可影響自身基因表達活性的DNA序列序列, 包括啟動子、增強子等。包括啟動子、增強子等。參與參與RNA-pol轉錄的轉錄的TF 蛋白激酶活性，使蛋白激酶活性，使CTD磷磷酸化酸化TFHATPase57（ ） 34（ ）TFE解螺旋酶解螺旋酶30，74TFF促進促進RNA-pol結合及作結合及作為其他因子結合的橋梁為其他因子結合的橋梁33TFB穩(wěn)定穩(wěn)定TFD-DNA復合物復合物12，19，35TFA輔助輔助TBP-DNA結合結合TAF*結
16、合結合TATA盒盒TBP* 38TFD功功能能亞基組成，分子量亞基組成，分子量(kD)轉錄因子轉錄因子蛋白激酶活性，使蛋白激酶活性，使CTD磷磷酸化酸化TFHATPase57（ ） 34（ ）TFE解螺旋酶解螺旋酶30，74TFF促進促進RNA-pol結合及作結合及作為其他因子結合的橋梁為其他因子結合的橋梁33TFB穩(wěn)定穩(wěn)定TFD-DNA復合物復合物12，19，35TFA輔助輔助TBP-DNA結合結合TAF*結合結合TATA盒盒TBP* 38TFD功功能能亞基組成，分子量亞基組成，分子量(kD)轉錄因子轉錄因子基本組分基本組分TBPTBP，TFIIATFIIA、B B、E E、G G、F F和
17、和H HTBPTBP結合結合TATATATA盒盒轉錄起始定位；轉錄轉錄起始定位；轉錄起始和延長起始和延長輔激活因子輔激活因子TAFsTAFs和中介子和中介子在其他轉錄因子與在其他轉錄因子與RNARNA聚合酶結合中起聯(lián)結聚合酶結合中起聯(lián)結和中介作用和中介作用上游因子上游因子SP1SP1、ATFATF、CTFCTF等等啟動子上游元件啟動子上游元件協(xié)助基本轉錄因子，協(xié)助基本轉錄因子，提高轉錄效率和專一提高轉錄效率和專一性性（三）（三） 轉錄起始前復合物轉錄起始前復合物(pre-initiation complex, PIC) 真核生物真核生物RNA-pol不與不與DNA分子直接結分子直接結合，而需依
18、靠眾多的轉錄因子。合，而需依靠眾多的轉錄因子。 起始前復合物起始前復合物(pre-Initiation Complex , PIC）含）含RNA聚合酶及聚合酶及一套基本轉錄因子一套基本轉錄因子PIC組裝完成，組裝完成，TFH使使CTD磷酸化，磷酸化，啟動轉錄。啟動轉錄。（四）（四） 拼板理論拼板理論(piecing theory) 一個真核生物基因的轉錄需要若干轉錄因子。一個真核生物基因的轉錄需要若干轉錄因子?；驎粫粔蛴?？基因會不會不夠用？轉錄因子之間互相結合，生成有活性，有專一性轉錄因子之間互相結合，生成有活性，有專一性的復合物，再與的復合物，再與RNA聚合酶搭配而有針對性地結合、聚合
19、酶搭配而有針對性地結合、轉錄相應的基因。轉錄相應的基因。 真核生物轉錄延長過程與原核生物大致相真核生物轉錄延長過程與原核生物大致相似，但因有核膜相隔，沒有轉錄與翻譯同步的似，但因有核膜相隔，沒有轉錄與翻譯同步的現(xiàn)象。現(xiàn)象。 RNA-pol前移處處都遇上核小體。前移處處都遇上核小體。 轉錄延長過程中可以觀察到核小體移位和轉錄延長過程中可以觀察到核小體移位和解聚現(xiàn)象。解聚現(xiàn)象。 三、真核生物轉錄延長過程中沒有轉錄與翻三、真核生物轉錄延長過程中沒有轉錄與翻譯同步的現(xiàn)象譯同步的現(xiàn)象 RNA-PolRNA-PolRNA-Pol核小體核小體轉轉錄錄延延長長中中的的核核小小體體移移位位轉錄方向轉錄方向5 -
20、AAUAAA-5 -AAUAAA-核酸酶核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAA GTGTGTG轉錄終止的修飾點轉錄終止的修飾點5 5 3 3 3 3 加加polyApolyA，約，約200200個個A AAAAAAAA 3 mRNA四、真核生物的轉錄終止與加尾修飾同時進行四、真核生物的轉錄終止與加尾修飾同時進行真核生物真核生物RNARNA加工加工Post-transcriptional RNA Modification第四節(jié)第四節(jié)一、真核一、真核mRNA的的轉錄后加工轉錄后加工1. 5端加帽端加帽2. 3端加尾端加尾3. 剪接剪接4. RNA編輯編輯（一）前體（一）前體mRNA在在5
21、 末端加入帽子結構末端加入帽子結構 (m7GpppGp )1.1. 使使mRNAmRNA免受磷酸酶與核酸酶的攻擊，穩(wěn)定免受磷酸酶與核酸酶的攻擊，穩(wěn)定mRNAmRNA分子的一級結構。分子的一級結構。2.2. 提供核糖體識別位點提供核糖體識別位點，使，使mRNAmRNA能與核糖體能與核糖體小亞基結合，促進翻譯起始復合物的生成。小亞基結合，促進翻譯起始復合物的生成。3.3. 帽子結構對帽子結構對mRNAmRNA前體的剪接也非常重要。前體的剪接也非常重要。4.4. 促進促進mRNAmRNA從核內轉移到胞漿從核內轉移到胞漿（二）（二） 前體前體mRNA在在端特異點斷裂并加上多聚端特異點斷裂并加上多聚腺苷
22、酸尾腺苷酸尾CPSF：剪切和聚腺苷酸化特：剪切和聚腺苷酸化特異性因子異性因子CSF ：剪除刺激因子：剪除刺激因子CF： 剪除因子剪除因子 PAP：多聚腺苷酸聚合酶：多聚腺苷酸聚合酶PABP：多聚腺苷酸結合蛋：多聚腺苷酸結合蛋白白（三）前體（三）前體mRNA的剪接的剪接真核生物結構基因，由若干個真核生物結構基因，由若干個編碼區(qū)編碼區(qū)和和非非編碼區(qū)編碼區(qū)互相間隔開但又連續(xù)鑲嵌而成，去除非互相間隔開但又連續(xù)鑲嵌而成，去除非編碼區(qū)再連接后，可翻譯出由連續(xù)氨基酸組成編碼區(qū)再連接后，可翻譯出由連續(xù)氨基酸組成的完整蛋白質，這些基因稱為斷裂基因。的完整蛋白質，這些基因稱為斷裂基因。 斷裂基因斷裂基因(spli
23、t gene)BAC編碼區(qū)編碼區(qū) A、B、C非編碼區(qū)非編碼區(qū)外顯子外顯子(exon)和內含子和內含子(intron) 外顯子外顯子(exon)在斷裂基因及其初級轉錄產(chǎn)物上出現(xiàn)，并在斷裂基因及其初級轉錄產(chǎn)物上出現(xiàn)，并表達為成熟表達為成熟RNA的核酸序列。的核酸序列。 內含子內含子(intron) 隔斷基因的線性表達而在剪接過程中被除隔斷基因的線性表達而在剪接過程中被除去的核酸序列。去的核酸序列。 Average number of exons per gene does vary with organism.釀酒酵母釀酒酵母果蠅果蠅哺乳動物哺乳動物雞卵清蛋白雞卵清蛋白基因基因hnRNA首、尾修飾
24、首、尾修飾hnRNA剪接剪接成熟的成熟的mRNA雞雞卵卵清清蛋蛋白白基基因因及及其其轉轉錄、錄、轉轉錄錄后后修修飾飾雞卵清蛋白成熟雞卵清蛋白成熟mRNA與與DNA雜交電鏡圖雜交電鏡圖DNAmRNA： 同一個同一個 pre-mRNA 采取至少兩種不同的剪采取至少兩種不同的剪接方式、產(chǎn)生兩種或多種編碼不完全相同接方式、產(chǎn)生兩種或多種編碼不完全相同的的mRNA分子，從而表達出兩種或多種蛋分子，從而表達出兩種或多種蛋白產(chǎn)物的剪接方式，也稱為白產(chǎn)物的剪接方式，也稱為可變性剪接可變性剪接?！癷n humans, 95% of multiexonic genes are alternatively spli
25、ced” 選擇性剪接選擇性剪接大鼠降鈣素基因轉錄物的選擇性加工大鼠降鈣素基因轉錄物的選擇性加工 降鈣素基因相關肽降鈣素基因相關肽（五）（五）RNA編輯（編輯（RNA editing) RNA編輯作用說明，基因的編碼序列經(jīng)過轉錄后編輯作用說明，基因的編碼序列經(jīng)過轉錄后加工，是可有多用途分化的，因此也稱為加工，是可有多用途分化的，因此也稱為分化加分化加工工(differential RNA processing)。mRNA的編輯的編輯(mRNA editing) 人類人類apo B基因基因 mRNA（14500個核苷酸）個核苷酸）肝臟肝臟apo B100（分子量為（分子量為500 000）腸道細胞
26、腸道細胞apo B48（分子量為（分子量為240 000）mRNA編輯編輯 1. 去除去除5端先導序列，端先導序列，2. 切除切除3末端多余核苷酸，核苷酸轉移酶催化加上末端多余核苷酸，核苷酸轉移酶催化加上 CCA-OH尾尾3. 稀有堿基的生成稀有堿基的生成4. 剪接除去內含子剪接除去內含子(見于部分真核見于部分真核tRNA)。三、真核三、真核rRNA的轉錄后加工的轉錄后加工轉錄轉錄45S - rRNA剪接剪接18S - rRNA5.8S和和28S-rRNArDNA內含子內含子內含子內含子28S5.8S18S具有酶促活性的具有酶促活性的RNA稱為核酶（稱為核酶（a catalytic RNA，RNA enzyme)。核酶核酶(ribozyme)
生物化學與分子生物學：第14章 RNA的生物合成
