生物化學課件：11 RNA生物合成

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1、第十一章第十一章 RNA生物合成生物合成CHAPTER 11 RNA BIOSYNTHESIS2rRNAs(Ribosomal RNAs)75-80%：以核蛋白體的形式參與蛋白質(zhì)生物合成，以核蛋白體的形式參與蛋白質(zhì)生物合成，是蛋白質(zhì)合成的場所是蛋白質(zhì)合成的場所tRNAs（Transfer RNAs)10-25%：在蛋白質(zhì)生物合成過程中轉(zhuǎn)運氨基酸在蛋白質(zhì)生物合成過程中轉(zhuǎn)運氨基酸mRNAs (Messenger RNAs)2-3%：作為蛋白質(zhì)合成的直接模板作為蛋白質(zhì)合成的直接模板hnRNAs（heterogeneous nuclear RNAs）mRNA的未成熟前體的未成熟前體snmRNAs（sm

2、all non-messenger RNA）snRNA,siRNA，miRNA 參與參與RNA前體的加工及基因表達調(diào)控前體的加工及基因表達調(diào)控 RNA種類及作用種類及作用3RNA生物合成生物合成轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄（Transcription）:DNA指導的指導的 RNA合成合成RNA復制復制（RNA replication）:RNA指導的指導的 RNA合成合成DNA 轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄 RNA前體前體 加工加工 成熟成熟RNA 反轉(zhuǎn)錄反轉(zhuǎn)錄DNA復制復制RNA復制復制DNA RNA 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄翻譯翻譯4第一節(jié)第一節(jié) 轉(zhuǎn)錄作用轉(zhuǎn)錄作用Section 1 Transcription 轉(zhuǎn)錄作用轉(zhuǎn)錄作用（DNA

3、-dependent RNA synthesis）TranscriptionRNADNA 在在RNA聚合酶催化下，以聚合酶催化下，以DNA為模板，為模板，以以4 4種三磷酸核苷（種三磷酸核苷（ATP,GTP,CTP,UTP）為原料進行的為原料進行的RNA聚合反應。聚合反應。5參與轉(zhuǎn)錄的物質(zhì)參與轉(zhuǎn)錄的物質(zhì)模板模板:DNA酶酶:RNA聚合酶聚合酶(RNA polymerase,RNA-pol)原料原料:NTP(ATP,GTP,CTP,UTP)無機離子：無機離子：Mg2，Mn2其他蛋白質(zhì)因子其他蛋白質(zhì)因子第一節(jié)第一節(jié) 轉(zhuǎn)錄體系轉(zhuǎn)錄體系6轉(zhuǎn)錄時轉(zhuǎn)錄時DNA與與RNA的堿基配對規(guī)律：的堿基配對規(guī)律：DN

4、A A G C T RNA U C G A一、轉(zhuǎn)錄模板一、轉(zhuǎn)錄模板 堿基配對的穩(wěn)定性堿基配對的穩(wěn)定性 G/C A/T A/U7兩條鏈都是模板嗎？兩條鏈都是模板嗎？DNA復制：全程復制復制：全程復制轉(zhuǎn)錄：有選擇性轉(zhuǎn)錄：有選擇性8 DNA片段轉(zhuǎn)錄時，雙鏈片段轉(zhuǎn)錄時，雙鏈DNA中只有一條鏈作為中只有一條鏈作為轉(zhuǎn)錄的模板，這種轉(zhuǎn)錄方式稱為轉(zhuǎn)錄的模板，這種轉(zhuǎn)錄方式稱為不對稱轉(zhuǎn)錄不對稱轉(zhuǎn)錄不對稱轉(zhuǎn)錄不對稱轉(zhuǎn)錄（asymmetric transcription）95UCAGCUCGCUGCUAAUGGCC3RNA transcripttranscription coding strand template

5、strand5TCAGCTCGCTGCTAATGGCC33AGTCGAGCGACGATTACCGG5模板鏈模板鏈（template strand）編碼鏈編碼鏈（coding strand）Double strand of DNA10編碼鏈編碼鏈模板鏈模板鏈DNA5.GCA GTA CAT GTC.33.c g t c a t g t a c a g.5mRNA轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄5.GCA GUA CAU GUC.3蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)翻譯翻譯N.Ala.Val.His.Val .C DNA模板、轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物模板、轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物mRNA 和氨基酸序列之間的關(guān)系和氨基酸序列之間的關(guān)系115 5 3 3 3 3 5 5 模板鏈

6、模板鏈編碼鏈編碼鏈編碼鏈編碼鏈模板鏈模板鏈結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄方向轉(zhuǎn)錄方向轉(zhuǎn)錄方向轉(zhuǎn)錄方向基因A基因B編碼鏈和編碼鏈和模板鏈模板鏈是一個相對的概念：是一個相對的概念：RNA轉(zhuǎn)錄的不對稱性轉(zhuǎn)錄的不對稱性12不對稱轉(zhuǎn)錄不對稱轉(zhuǎn)錄的含義：的含義：在在DNA雙鏈上，一股鏈可轉(zhuǎn)錄，另一股鏈不轉(zhuǎn)錄雙鏈上，一股鏈可轉(zhuǎn)錄，另一股鏈不轉(zhuǎn)錄 模板鏈并非永遠在同一條單鏈上。模板鏈并非永遠在同一條單鏈上。13轉(zhuǎn)錄模板的結(jié)構(gòu)特點轉(zhuǎn)錄模板的結(jié)構(gòu)特點（一）（一）.轉(zhuǎn)錄單位：轉(zhuǎn)錄分區(qū)段進行，能夠連續(xù)獨立轉(zhuǎn)錄單位：轉(zhuǎn)錄分區(qū)段進行，能夠連續(xù)獨立轉(zhuǎn)錄的一個轉(zhuǎn)錄的一個DNA片段稱為一個轉(zhuǎn)錄單位片段稱為一個轉(zhuǎn)錄單位Gene AGene

7、 BGene CGene DCoding strandTemplate strandDouble stand DNA14（二）、轉(zhuǎn)錄起始點（二）、轉(zhuǎn)錄起始點(start site)1 1上游上游下游下游5 53 3DNADNA上游上游(upstream):從轉(zhuǎn)錄起始點從轉(zhuǎn)錄起始點逆逆轉(zhuǎn)錄方向的區(qū)域轉(zhuǎn)錄方向的區(qū)域下游下游(downstream):從轉(zhuǎn)錄起始點從轉(zhuǎn)錄起始點順順轉(zhuǎn)錄方向的區(qū)域轉(zhuǎn)錄方向的區(qū)域 151 1、啟動子啟動子(promoter)：是位于轉(zhuǎn)錄起始點上游的一段是位于轉(zhuǎn)錄起始點上游的一段DNADNA序列，是序列，是RNARNA聚合酶的識別和結(jié)合部位聚合酶的識別和結(jié)合部位。在轉(zhuǎn)錄調(diào)控中

8、。在轉(zhuǎn)錄調(diào)控中起著重要作用。起著重要作用。（三）、與轉(zhuǎn)錄起始和終止有關(guān)的（三）、與轉(zhuǎn)錄起始和終止有關(guān)的DNA結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)15 3 3 5 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因調(diào)控序列調(diào)控序列RNA-pol16開始轉(zhuǎn)錄開始轉(zhuǎn)錄T T G A C AA A C T G T-35 區(qū)區(qū)(Pribnow box)T A T A A T Pu A T A T T A Py-10 區(qū)區(qū)1-30-5010-10-40-205 3 3 5 原核生物啟動子保守序列原核生物啟動子保守序列RNA-pol辨認位點辨認位點(recognition site)5 5 RNA聚合酶保護區(qū)聚合酶保護區(qū)結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因3 3 結(jié)合部位結(jié)合部位17 -

9、35區(qū)區(qū) -10區(qū)區(qū) +1trp T T G A C AN17T T A A C T N7 AtRNAtrp T T T A C AN16 T A T G A T N7 ALac T T T A C AN17T A T G T T N6 ArecA T T G A T AN16T A T A A T N7 Aara C T G A C GN18T A C T G T N6 A最大一致性最大一致性 T T G A C A T A T A A Tx/45 38 36 29 40 25 30 37 37 28 41 29 44被被RNA聚合酶保護的聚合酶保護的DNA區(qū)段堿基序列分析區(qū)段堿基序列分析1

10、8真核生物的啟動子真核生物的啟動子 真核生物的三種真核生物的三種RNA聚合酶，每一種都有自己聚合酶，每一種都有自己的啟動子類型。的啟動子類型。RNA聚合酶聚合酶的啟動子的啟動子 即即 mRNA基因的啟動子基因的啟動子，稱稱類啟動子類啟動子 19 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 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因-GCGC-CAAT-TATA轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始真核生物啟動子保守序列真核生物啟動子保守序列(cis-acting element)202、終止信號終止信號（stop signal）：在基因單位中，具有停止轉(zhuǎn)錄作用的部位在基因單位中，具有停止轉(zhuǎn)錄作用的部位,包括

11、包括GC富集區(qū)和富集區(qū)和AT富集區(qū)富集區(qū),也稱終止子。也稱終止子。(terminator)21二二 RNA聚合酶聚合酶 RNA polymerase全稱：全稱：依賴依賴DNA的的RNA聚合酶聚合酶（DNA-dependent RNA polymerase）簡稱：簡稱：RNA polDNARNARNA pol22The discovery of prokaryotic RNA polymerasesSevero OchoaArthur KornbergNobel Prize in Physiology or Medicine 1959for their discovery of the mech

12、anisms in the biological synthesis of ribonucleic acid and deoxyribonucleic acid23核心酶核心酶（core enzyme）全酶全酶（holoenzyme）（一）原核生物（一）原核生物RNA聚合酶聚合酶結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu):2 2 2436512 決定哪些基因被轉(zhuǎn)錄決定哪些基因被轉(zhuǎn)錄 150618 催化催化RNA鏈延伸鏈延伸 155613 結(jié)合結(jié)合DNA模板模板70263 辨認起始點辨認起始點（轉(zhuǎn)錄起始后脫落）（轉(zhuǎn)錄起始后脫落）亞亞基基分分子量子量功功 能能 11000 功能不明功能不明亞基數(shù)亞基數(shù)2 1 1 1 1 原核原核R

13、NA 聚合酶各亞基的作用聚合酶各亞基的作用25RNA聚合酶全酶在轉(zhuǎn)錄起始區(qū)的結(jié)合聚合酶全酶在轉(zhuǎn)錄起始區(qū)的結(jié)合 的存在保證原核生物的存在保證原核生物RNA聚合酶只能與啟聚合酶只能與啟 動子區(qū)而不是其它區(qū)域形成穩(wěn)定的二元復合物。動子區(qū)而不是其它區(qū)域形成穩(wěn)定的二元復合物。26TATAAT TTGACA-35+1+20ds DNA 1.識別轉(zhuǎn)錄起始點識別轉(zhuǎn)錄起始點 2.促使促使DNA雙鏈打開雙鏈打開17bp 3.催化催化NTP以以3,5磷酸二酯鍵相連，方向磷酸二酯鍵相連，方向53 4.識別轉(zhuǎn)錄終止信號識別轉(zhuǎn)錄終止信號原核原核RNA聚合酶具有多種功能聚合酶具有多種功能27 原核原核RNA聚合酶作用特點：

14、聚合酶作用特點：1.聚合速率慢，聚合速率慢，3085 nt/s（DNA合成合成250-1000nt/s）2.缺乏缺乏3 5外切酶活性，無校對功能，錯誤率高外切酶活性，無校對功能，錯誤率高 （10-4 10-5，DNA合成錯誤率合成錯誤率10-9 10-10）4.活性可被利福霉素抑制活性可被利福霉素抑制（與（與 亞基結(jié)合）亞基結(jié)合）利福霉素抗結(jié)核利福霉素抗結(jié)核3.不同的不同的 識別不同的啟動子。識別不同的啟動子。28（二）真核生物的（二）真核生物的RNA聚合酶聚合酶 定定 位位 核核 仁仁 核核 質(zhì)質(zhì) 核核 質(zhì)質(zhì)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物 45s-rRNA hnRNA 5s-rRNA,tRNA,snRNA

15、 對鵝膏蕈堿反應對鵝膏蕈堿反應 耐受耐受 極敏感極敏感 中度敏感中度敏感 種類種類 5.8SrRNA18SrRNA28SrRNAmRNAtRNA 5SrRNAsnRNA最終轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物最終轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物29Nobel Prize in Chemistry 2006Roger D.KornbergFor his studies of the molecular basis of eukaryotic transcription Father and Son30第二節(jié)第二節(jié) 轉(zhuǎn)錄過程轉(zhuǎn)錄過程 Section 2 Transcription Process轉(zhuǎn)錄過程可以分為三個階段：轉(zhuǎn)錄過程可以分為三個階段：1

16、.轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始（Initiation）2.轉(zhuǎn)錄延長轉(zhuǎn)錄延長（Elongation）3.轉(zhuǎn)錄終止轉(zhuǎn)錄終止（Termination）一一 原核生物的轉(zhuǎn)錄過程原核生物的轉(zhuǎn)錄過程二二 真核生物的轉(zhuǎn)錄過程真核生物的轉(zhuǎn)錄過程311.轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始（Initiation）一一 原核生物的轉(zhuǎn)錄過程原核生物的轉(zhuǎn)錄過程RNA聚合酶必須準確結(jié)合轉(zhuǎn)錄模板的起始區(qū)域聚合酶必須準確結(jié)合轉(zhuǎn)錄模板的起始區(qū)域DNA雙鏈解開，使其中的一條鏈作為轉(zhuǎn)錄的模板雙鏈解開，使其中的一條鏈作為轉(zhuǎn)錄的模板?轉(zhuǎn)錄起始需解決兩個問題轉(zhuǎn)錄起始需解決兩個問題RNA聚合酶聚合酶-識別識別DNA啟動子啟動子(35區(qū)區(qū))核心酶與啟動子結(jié)合核心酶與啟動

17、子結(jié)合(10區(qū)區(qū))DNA構(gòu)象改變，啟動構(gòu)象改變，啟動子子10區(qū)處打開雙鏈區(qū)處打開雙鏈DNA分子（約分子（約17bp)轉(zhuǎn)錄起始過程轉(zhuǎn)錄起始過程DNA構(gòu)象改變，啟動構(gòu)象改變，啟動子子10區(qū)處打開雙鏈區(qū)處打開雙鏈DNA分子（約分子（約17bp)轉(zhuǎn)錄開始，形成第一個轉(zhuǎn)錄開始，形成第一個3,5磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵（不需引物）（不需引物）核心核心酶沿模板向下游移動酶沿模板向下游移動（循環(huán)使用）（循環(huán)使用）341 1、轉(zhuǎn)錄不需要引物，、轉(zhuǎn)錄不需要引物，RNA聚合酶結(jié)合于轉(zhuǎn)錄聚合酶結(jié)合于轉(zhuǎn)錄 起始部位可直接合成起始部位可直接合成RNA；3 3、因子必須脫落，否則核心酶不滑動，因子必須脫落，否則核心酶不滑動，R

18、NA鏈不能延長；鏈不能延長；轉(zhuǎn)錄起始特點：轉(zhuǎn)錄起始特點：2 2、RNA聚合酶可擠入聚合酶可擠入DNA雙鏈間，不需其它酶雙鏈間，不需其它酶 來解旋、解鏈。來解旋、解鏈。35核心酶核心酶沿沿DNA模板鏈向下游方向滑動模板鏈向下游方向滑動 核心酶核心酶滑過的部位，滑過的部位，DNA鏈很快恢復雙螺旋結(jié)構(gòu)鏈很快恢復雙螺旋結(jié)構(gòu)RNA鏈延長，暫時形成鏈延長，暫時形成DNARNA雜交體（約雜交體（約8bp）RNA逐步脫離模板鏈逐步脫離模板鏈NTP以以3,5-磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵逐個相連形成逐個相連形成RNA鏈，方向鏈，方向5 32.轉(zhuǎn)錄延長轉(zhuǎn)錄延長（Elongation）36轉(zhuǎn)錄泡轉(zhuǎn)錄泡(transcript

19、ion bubble)由由DNA雙鏈（打開約雙鏈（打開約17bp17bp）,RNA聚合酶聚合酶與新合成的與新合成的RNA鏈鏈局部形成的結(jié)構(gòu)局部形成的結(jié)構(gòu).37原核生物轉(zhuǎn)錄過程中的羽毛狀現(xiàn)象原核生物轉(zhuǎn)錄過程中的羽毛狀現(xiàn)象 DNA RNA聚合酶聚合酶 RNA 核糖體核糖體3 5 383.轉(zhuǎn)錄終止轉(zhuǎn)錄終止（Termination）核心酶核心酶遇到遇到DNA模板的模板的終止信號終止信號核心酶核心酶不能不能繼續(xù)滑動繼續(xù)滑動核心酶從核心酶從模板模板DNA上脫落上脫落新合成的新合成的RNA鏈鏈脫落，轉(zhuǎn)錄終止脫落，轉(zhuǎn)錄終止39終止信號終止信號（stop signal）：在基因單位中，具有停止轉(zhuǎn)錄作用的部位在基

20、因單位中，具有停止轉(zhuǎn)錄作用的部位,包括包括GC富集區(qū)和富集區(qū)和AT富集區(qū)富集區(qū),也稱終止子。也稱終止子。u 不依賴不依賴因子因子u 依賴依賴因子因子原核轉(zhuǎn)錄終止方式：原核轉(zhuǎn)錄終止方式：(terminator)40u 兩類終止子有共同的序列特征：兩類終止子有共同的序列特征：在轉(zhuǎn)錄終止點之前有一段間斷的回文結(jié)構(gòu)。在轉(zhuǎn)錄終止點之前有一段間斷的回文結(jié)構(gòu)。u 兩類終止子堿基組成的不同點：兩類終止子堿基組成的不同點：不依賴不依賴因子因子 回文結(jié)構(gòu)富含回文結(jié)構(gòu)富含G-C G-C 下游富含下游富含A-TA-T 依賴依賴因子因子 G-CG-C含量較少含量較少 下游無特征下游無特征41轉(zhuǎn)錄方向轉(zhuǎn)錄方向3 3 5

21、TCGGGCGAGCCCGCCGCCCGAGCGGGCTAAAAAATTT TTT3 3 5 5 DNA模板鏈模板鏈編碼鏈編碼鏈AAAAAAUUUUUU5 CGCCCGAGCGGGCU5 TTTTTTDNA模板鏈模板鏈編碼鏈編碼鏈轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物3 u 不依賴不依賴因子因子 的終止子的終止子 42轉(zhuǎn)錄方向轉(zhuǎn)錄方向3 3 5 TAAGTAGATTCATCCTACTTAGATGAATAGCTACTCGATG3 3 5 5 DNA模板鏈模板鏈編碼鏈編碼鏈AGCTACUCGAUG5 CUACUUAGAUGAAU5 TCGATGDNA模板鏈模板鏈編碼鏈編碼鏈轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物3 u 依賴依賴因子因子 的終

22、止子的終止子 43輔助識別終止信號輔助識別終止信號誘使誘使RNA聚合酶構(gòu)象改變聚合酶構(gòu)象改變 具有解螺旋酶活性，釋放具有解螺旋酶活性，釋放RNA產(chǎn)物產(chǎn)物 因子因子（6聚體蛋白質(zhì)）聚體蛋白質(zhì)）：原核生物轉(zhuǎn)錄過程原核生物轉(zhuǎn)錄過程45多順反子多順反子(Polycistronic)：一個結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄生成一個結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄生成一個一個mRNA，編碼多條多肽鏈，編碼多條多肽鏈46二二 真核生物的轉(zhuǎn)錄過程真核生物的轉(zhuǎn)錄過程1.轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始（Initiation）起始過程比原核生物復雜起始過程比原核生物復雜上游調(diào)控序列復雜上游調(diào)控序列復雜啟動子啟動子Promoter增強子增強子Enhancer、靜息子靜息子

23、Silencer等等RNA聚合酶不直接與模板結(jié)合聚合酶不直接與模板結(jié)合轉(zhuǎn)錄前起始復合物轉(zhuǎn)錄前起始復合物 pre-initiation complex,PIC 需多種轉(zhuǎn)錄因子參與需多種轉(zhuǎn)錄因子參與47轉(zhuǎn)錄起始點上游區(qū)段轉(zhuǎn)錄起始點上游區(qū)段 編碼鏈編碼鏈模板鏈模板鏈其他調(diào)其他調(diào)節(jié)元件節(jié)元件增強子（增強子（+）靜息子（靜息子（-）CCAATTATA 基因基因 轉(zhuǎn)錄區(qū)轉(zhuǎn)錄區(qū)53調(diào)節(jié)表達調(diào)節(jié)表達 基礎(chǔ)表達（啟動子）基礎(chǔ)表達（啟動子）轉(zhuǎn)錄起始點轉(zhuǎn)錄起始點+1-40 -110 -2535基因調(diào)控區(qū)基因調(diào)控區(qū)mRNA順式作用元件順式作用元件(cis-acting element)48反式作用因子（反式作用因子（

24、trans-acting factor）能直接、間接辨認和結(jié)合順式作用元件的蛋白質(zhì)能直接、間接辨認和結(jié)合順式作用元件的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄因子 transcriptional factor,TF 反式作用因子中，直接或間接結(jié)合反式作用因子中，直接或間接結(jié)合RNARNA聚合酶聚合酶的，稱為的，稱為轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄因子(transcriptional factors,TF)。49由由RNA-Pol 催化轉(zhuǎn)錄的催化轉(zhuǎn)錄的PIC TFD-A-B-DNA復合物復合物ABD-TBPDTAFTATAHECTD-PPIC組裝完成組裝完成，TFH使使CTD磷酸化磷酸化50RNA-pol II大亞基大亞基CTD磷酸化磷

25、酸化TFIIH具有蛋白激酶活性具有蛋白激酶活性RNA 聚合酶向下游移動聚合酶向下游移動轉(zhuǎn)錄延長轉(zhuǎn)錄延長512.轉(zhuǎn)錄延長轉(zhuǎn)錄延長（Elongation）真核生物真核生物RNA-pol前移會遇上核小體前移會遇上核小體 核小體解聚和移位現(xiàn)象核小體解聚和移位現(xiàn)象 RNA-PolRNA-PolRNA-Pol核小體核小體轉(zhuǎn)錄方向轉(zhuǎn)錄方向525-AAUAAA-5 -AAUAAA-核酸酶核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAA GTGTGTG轉(zhuǎn)錄終止的修飾點轉(zhuǎn)錄終止的修飾點5 5 3 3 3 3 加尾加尾AAAAAAA 3 mRNA（三）轉(zhuǎn)錄終止（三）轉(zhuǎn)錄終止 和轉(zhuǎn)錄后修飾密切相關(guān)。和轉(zhuǎn)錄后修飾密切相

26、關(guān)。53單順反子單順反子(monocistronic),一個結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄生成一個結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄生成一個一個mRNAmRNA，編碼一條多肽鏈。，編碼一條多肽鏈。54第三節(jié)第三節(jié) 轉(zhuǎn)錄后的加工過程轉(zhuǎn)錄后的加工過程Section 3 RNA Processing剪切剪切(cleavage)和和剪接剪接(splicing)末端添加末端添加(terminal addition)核苷酸核苷酸化學修飾化學修飾(modification)RNA編輯編輯(RNA editing)將轉(zhuǎn)錄生成的前體將轉(zhuǎn)錄生成的前體RNA轉(zhuǎn)變?yōu)槌墒燹D(zhuǎn)變?yōu)槌墒斓?、有活性的的、有活性的RNA的過程的過程主要加工方式：主要加工方式：55一一

27、 mRNA前體的加工前體的加工（一）（一）mRNA生成特點（原核生成特點（原核&真核）真核）Processing of mRNAs Precursor原核生物：多順反子原核生物：多順反子mRNA(polycistronic mRNA)沒有核膜，轉(zhuǎn)錄和翻譯同時進行沒有核膜，轉(zhuǎn)錄和翻譯同時進行 不需復雜加工就表現(xiàn)出生物活性不需復雜加工就表現(xiàn)出生物活性真核生物：真核生物：單順反子單順反子mRNA(monocistronic mRNA)轉(zhuǎn)錄生成的是轉(zhuǎn)錄生成的是mRNA前體前體hnRNA 需要在細胞核加工成成熟的需要在細胞核加工成成熟的mRNA 565 5末端加帽末端加帽(5 cap)3 3末端加尾末端

28、加尾剪接作用剪接作用甲基化修飾甲基化修飾核苷酸核苷酸編輯編輯（二）真核生物（二）真核生物mRNA前體的加工前體的加工(3 polyA tail)575 5末端帽子的結(jié)構(gòu)末端帽子的結(jié)構(gòu):m7GpppNmp-7 7甲基鳥嘌呤甲基鳥嘌呤 7methyl guanylate 5 5的連接的連接 5 to 5 linkage 核糖核糖2 2位羥基甲基化位羥基甲基化 methylation of 2 carbon585 pppNp5 GpppNppppG ppi鳥苷酸鳥苷酸轉(zhuǎn)移酶轉(zhuǎn)移酶5 m7GpppNmp甲基轉(zhuǎn)移酶甲基轉(zhuǎn)移酶CH3-5 ppNp磷酸酶磷酸酶 Pi5末端帽子的生成末端帽子的生成:G/ACH

29、3595 5末端帽子的功能末端帽子的功能:m7GpppNmp-保護新合成的保護新合成的mRNA免被降解免被降解參與第一個內(nèi)含子的剪接參與第一個內(nèi)含子的剪接協(xié)助協(xié)助mRNA轉(zhuǎn)移至胞漿轉(zhuǎn)移至胞漿協(xié)助協(xié)助mRNA在核糖體的準確定位在核糖體的準確定位603 3末端多聚末端多聚A“尾尾”的生成的生成3 polyadenylationG-T rich轉(zhuǎn)錄終止修飾點轉(zhuǎn)錄終止修飾點613 3末端加多聚末端加多聚A“尾尾”：增加增加mRNA的穩(wěn)定性的穩(wěn)定性參與最后一個內(nèi)含子的剪接參與最后一個內(nèi)含子的剪接RNA nATPRNA(AMP)n+nPPi多聚多聚A聚合酶聚合酶功能：功能：62（三）（三）mRNA的剪接的

30、剪接（mRNA splicing）除去除去hnRNA中的內(nèi)含子，連接外顯子中的內(nèi)含子，連接外顯子。英國科學家，因發(fā)現(xiàn)斷裂英國科學家，因發(fā)現(xiàn)斷裂基因于基因于19931993年獲諾貝爾獎年獲諾貝爾獎美國科學家，因發(fā)現(xiàn)美國科學家，因發(fā)現(xiàn)mRNA的的剪接于剪接于19931993年獲諾貝爾獎年獲諾貝爾獎63真核生物的基因是一種斷裂基因，由編碼區(qū)和真核生物的基因是一種斷裂基因，由編碼區(qū)和非編碼區(qū)組成。外顯子與內(nèi)含子相間排列非編碼區(qū)組成。外顯子與內(nèi)含子相間排列mRNAExon1Exon2Exon3Intron1Intron2蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)DNA 64外顯子外顯子(exon)：在斷裂基因及初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物中出現(xiàn)，在

31、斷裂基因及初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物中出現(xiàn)，并表達為成熟并表達為成熟RNA的核酸序列。的核酸序列。內(nèi)含子內(nèi)含子(intron)：隔斷基因的線性表達，在剪接過程中隔斷基因的線性表達，在剪接過程中 被去除的核酸序列。被去除的核酸序列。DNA 轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄 hnRNA 加工加工 mRNA (結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因)(內(nèi)含子、外顯子內(nèi)含子、外顯子)(只有外顯子只有外顯子)mRNAExon1Exon2Exon3Intron1Intron2蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)DNA 65剪接作用剪接作用（mRNA splicing）剪切剪切hnRNA中內(nèi)含子序列，將各外顯子序列中內(nèi)含子序列，將各外顯子序列連接為成熟連接為成熟mRNA的過程。的過程。內(nèi)含

32、子內(nèi)含子5端剪切點端剪切點序列為：序列為：內(nèi)含子內(nèi)含子3端剪切點端剪切點序列為序列為:內(nèi)含子內(nèi)含子3 3端剪切點上游附近端剪切點上游附近A序列分支點序列分支點剪接部位的結(jié)構(gòu)特點：剪接部位的結(jié)構(gòu)特點：Upstream exon AGGUAAGU A (Py)nNCAGG Downstream exon5 Splice site3 Splice siteBranch siteGUAG66剪接原理剪接原理:套索套索(lariat)的形成及剪除的形成及剪除67套索套索(lariat)的形成及剪除的形成及剪除68剪接體參與剪接體參與mRNA前體的剪接前體的剪接（spliceosome）剪接體剪接體:Us

33、nRNP與與mRNA前體前體結(jié)合形成的復合物結(jié)合形成的復合物分類分類：U1，U2，U4，U5，U6UsnRNPUridine-rich small nuclear ribonucleoprotein核蛋白核蛋白snRNA69雞卵清蛋白雞卵清蛋白基因基因hnRNA首、尾修飾首、尾修飾hnRNA剪接剪接成熟的成熟的mRNA雞卵清蛋白基因及其轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后加工雞卵清蛋白基因及其轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后加工70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DNAmRNA71 同一個初級轉(zhuǎn)錄本，在不同組織中由于剪接作用的差同一個初級轉(zhuǎn)錄本，在不同組織中由于剪接作用的差異，可產(chǎn)生不同的成熟異，可產(chǎn)生

34、不同的成熟mRNA，導致翻譯生成不同的，導致翻譯生成不同的蛋白質(zhì)產(chǎn)物。蛋白質(zhì)產(chǎn)物?？勺兗艚涌勺兗艚樱ˋlternate splicing of mRNA）DNA 轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄 hnRNA 剪接剪接1 mRNA1 mRNA2 剪接剪接272Alternative processing of the calcitonin gene transcriptCalcitoninCGRPTranslation and posttranslational processing1 2 3 4 poly A1 2 3 5 6 poly ASplicing Splicing1 2 3 4 poly A1 2 3 4

35、5 6 poly A1 2 3 4 5 6Poly A site Poly A siteCleavage and polyadenylationPrimary transcriptThyroidBrain降鈣素基因相關(guān)肽降鈣素基因相關(guān)肽降鈣素降鈣素73RNA編輯編輯（RNA editing）遺傳信息在遺傳信息在RNA水平發(fā)生改變，由一個基因產(chǎn)生水平發(fā)生改變，由一個基因產(chǎn)生不止一種蛋白質(zhì)的加工方式。不止一種蛋白質(zhì)的加工方式。核苷酸插入、刪除或替換核苷酸插入、刪除或替換C脫氨脫氨U74甲基化作用甲基化作用（Methylation）甲基化位點甲基化位點真核生物真核生物mRNA分子中含甲基化核苷酸分子

36、中含甲基化核苷酸 hnRNA 5端帽子結(jié)構(gòu)端帽子結(jié)構(gòu) 非編碼區(qū)分子含非編碼區(qū)分子含12個個m6A需供體需供體SAM和甲基轉(zhuǎn)移酶參與和甲基轉(zhuǎn)移酶參與75二二 tRNA前體的加工前體的加工Processing of tRNAs Precursor剪接和剪切剪接和剪切3末端添加末端添加-CCA堿基修飾堿基修飾 76剪切剪切（cleavage）RNase P切除切除5端多余的核苷酸端多余的核苷酸 RNase D切除切除3端多余的核苷酸端多余的核苷酸RNasePRNaseD剪接剪接（splicing）:去除內(nèi)含子序列去除內(nèi)含子序列773末端添加末端添加-CCA核苷酸轉(zhuǎn)移酶核苷酸轉(zhuǎn)移酶 ATPADP78堿

37、基修飾堿基修飾（2）還原反應）還原反應 如：如：U DHU （3）核苷內(nèi)的轉(zhuǎn)位反應核苷內(nèi)的轉(zhuǎn)位反應 如如：U （4）脫氨反應）脫氨反應 如：如：A I（1 1）（1 1）（3 3）（2 2）（4 4）如：如：A Am（1）甲基化）甲基化G Gm79三三 rRNA前體的加工前體的加工Processing of rRNAs Precursor剪接剪接甲基化修飾甲基化修飾 rRNA基因多拷貝，串聯(lián)在基因多拷貝，串聯(lián)在DNA分子中分子中細菌：細菌：5-10 拷貝拷貝果蠅：果蠅：260 拷貝拷貝 人：人：1100 拷貝拷貝80Prokaryonic 30S rRNA precursor16S23S5St

38、tP16SP23SP5SPtPt5317S25S5SttRNaseRNaserRNArRNArRNAtRNAtRNA(一一)原核核糖體原核核糖體RNA的加工的加工8145S pre-rRNA41S pre-rRNA32S pre-rRNA 28S rRNA20S pre-rRNA 18S rRNA 5.8S 5S pre-rRNA 5S rRNAmethylation(二二)真核核糖體真核核糖體RNA的加工的加工82第三節(jié)第三節(jié) 核核 酶酶Section3 RIBOZYMES具有催化活性的具有催化活性的RNA核酶核酶 ribozyme核糖核酸酶核糖核酸酶 RNase水解核糖核酸鏈，化學本質(zhì)是蛋

39、白質(zhì)水解核糖核酸鏈，化學本質(zhì)是蛋白質(zhì)83 T.Cech等首先發(fā)現(xiàn)四膜等首先發(fā)現(xiàn)四膜蟲蟲rRNA前體具有自我剪前體具有自我剪接作用接作用(1982)核酶的發(fā)現(xiàn)核酶的發(fā)現(xiàn)S.Altman發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)RNaseP中的中的RNA可催化可催化tRNA的的加工加工(1983)1989年諾貝爾化學獎年諾貝爾化學獎84核酶類型核酶類型剪切型剪切型 催化自身催化自身RNA或異體或異體RNA分子剪去一段分子剪去一段 多核苷酸片段，功能類似于內(nèi)切核酸酶多核苷酸片段，功能類似于內(nèi)切核酸酶剪接型剪接型 切去自身切去自身RNA內(nèi)部一段多核苷酸片段，再內(nèi)部一段多核苷酸片段，再將剩余的兩個片段連接，功能類似于內(nèi)切核酸酶將剩余的兩

40、個片段連接，功能類似于內(nèi)切核酸酶與連接酶的聯(lián)合作用與連接酶的聯(lián)合作用其他類型其他類型G 3995 3 395四膜蟲四膜蟲rRNArRNA的自我剪接的自我剪接5 3 L-19 IVS具有催化活具有催化活性的片段性的片段3 G5 OH5 3 GOH41426SrRNAGOH5 3 E1E2I（鳥苷作為（鳥苷作為 輔助因子）輔助因子）86L-19 IVS 核酶核酶核苷酸轉(zhuǎn)移反應核苷酸轉(zhuǎn)移反應（核苷酸轉(zhuǎn)移酶）（核苷酸轉(zhuǎn)移酶）水解反應水解反應（磷酸二酯酶）（磷酸二酯酶）磷酸轉(zhuǎn)移反應磷酸轉(zhuǎn)移反應（磷酸轉(zhuǎn)移酶）（磷酸轉(zhuǎn)移酶）脫磷酸反應脫磷酸反應（酸性磷酸酶）（酸性磷酸酶）RNA限制性內(nèi)切反應限制性內(nèi)切反應（

41、RNA限制性內(nèi)切酶）限制性內(nèi)切酶）RNA聚合反應聚合反應（RNA聚合酶）聚合酶）(linear-19 intervening sequence)87核酶研究的意義核酶研究的意義:核酶的發(fā)現(xiàn)，為生命起源的討論提供新線索核酶的發(fā)現(xiàn)，為生命起源的討論提供新線索核酶的發(fā)現(xiàn)是對傳統(tǒng)酶學的挑戰(zhàn)核酶的發(fā)現(xiàn)是對傳統(tǒng)酶學的挑戰(zhàn) 88附附 錄錄89轉(zhuǎn)錄和復制的比較轉(zhuǎn)錄和復制的比較復制復制轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄原料原料dNTPNTP主要酶和因子主要酶和因子DNA聚合酶、拓撲異構(gòu)酶聚合酶、拓撲異構(gòu)酶解鏈酶、解鏈酶、DNA單鏈結(jié)合蛋白、單鏈結(jié)合蛋白、引物酶、引物酶、DNA連接酶連接酶RNA聚合酶、聚合酶、因子等因子等模板模板DNAD

42、NA鏈延長方向鏈延長方向5353方式方式半保留復制半保留復制不對稱轉(zhuǎn)錄不對稱轉(zhuǎn)錄配對方式配對方式A=T;G=CT=A；A=U;G=C產(chǎn)物產(chǎn)物DNARNA加工過程加工過程一般不需加工一般不需加工轉(zhuǎn)錄后加工分別形成成熟轉(zhuǎn)錄后加工分別形成成熟mRNA、tRNA和和rRNA90DNA聚合酶聚合酶反轉(zhuǎn)錄酶反轉(zhuǎn)錄酶RNA聚合酶聚合酶RNA復制酶復制酶模板模板DNARNADNARNA原料原料dNTPdNTPNTPNTP特點特點依賴依賴DNA的的DNA聚合酶聚合酶DDDP依賴依賴RNA的的DNA聚合酶聚合酶RDDP依賴依賴DNA的的RNA聚合酶聚合酶DDRP依賴依賴RNA的的RNA聚合酶聚合酶RDRP相同點相

43、同點都是在核苷酸之間形成磷酸二酯鍵都是在核苷酸之間形成磷酸二酯鍵延伸方向都是延伸方向都是53都是遵循堿基互補配對的原則都是遵循堿基互補配對的原則不同聚合酶的比較不同聚合酶的比較91真核生物與原核生物轉(zhuǎn)錄特點的比較真核生物與原核生物轉(zhuǎn)錄特點的比較 原核生物原核生物 真核生物真核生物 模板模板DNA 啟動子啟動子 啟動子增強子靜息子啟動子增強子靜息子RNA聚合酶聚合酶 1種，種，2 4種，種，pol,pol,pol，Mt轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始RNA聚合酶以轉(zhuǎn)錄前起始聚合酶以轉(zhuǎn)錄前起始復合物形式與啟動子結(jié)合復合物形式與啟動子結(jié)合因子識別啟動子因子識別啟動子,RNA聚聚合酶直接與啟動子結(jié)合合酶直接與啟動子結(jié)

44、合轉(zhuǎn)錄延長轉(zhuǎn)錄延長核心酶沿模板向核心酶沿模板向3端滑動端滑動 轉(zhuǎn)錄后加工轉(zhuǎn)錄后加工 不需要復雜加工不需要復雜加工 需要剪接需要剪接,末端添加末端添加,修飾修飾,編輯等編輯等聚合酶前行需核小體移位和解聚聚合酶前行需核小體移位和解聚92本章重點本章重點 轉(zhuǎn)錄體系轉(zhuǎn)錄體系 模板、原料、方向、方式、模板、原料、方向、方式、RNA聚合酶（原核、真核）聚合酶（原核、真核）轉(zhuǎn)錄過程轉(zhuǎn)錄過程 原核：起始、延長、終止原核：起始、延長、終止 真核與原核的異同真核與原核的異同 轉(zhuǎn)錄后加工轉(zhuǎn)錄后加工 mRNA，tRNA，rRNA加工加工 核酶核酶 概念概念 93 基本概念基本概念 不對稱轉(zhuǎn)錄不對稱轉(zhuǎn)錄 asymmetric transcription 模板鏈模板鏈 template strand 編碼鏈編碼鏈 coding strand 啟動子啟動子 promoter 外顯子外顯子 exon 內(nèi)含子內(nèi)含子 intron 轉(zhuǎn)錄泡轉(zhuǎn)錄泡 transcription bubble 單順反子單順反子 monocistronic mRNA 多順反子多順反子 polycistronic mRNA