第二章RNA的生物合成.pptx

第二章第二章RNA生物合成（转录）生物合成（转录）（RNA Biosynthesis）从从DNA到到RNARNA生物合成过程的实质生物合成过程的实质RNA的生物合成过程实质上是一个的生物合成过程实质上是一个酶促反应过程，将贮存于酶促反应过程，将贮存于DNA双链中的双链中的遗传信息，按照碱基互补配对原则转化遗传信息，按照碱基互补配对原则转化为单链为单链RNA分子的过程。分子的过程。mRNA的特征1、原核生物、原核生物mRNA的特征；的特征；1）半衰期短；）半衰期短；2）多以多顺反子的形式存在；）多以多顺反子的形式存在；3）其他特征：）其他特征：2、真核生物、真核生物mRNA的特征；的特征；1）以单顺反子形式存在；）以单顺反子形式存在；2）5有帽子结构；有帽子结构；3）3有有poly（A）序列。）序列。RNA聚合酶聚合酶1、原核生物、原核生物RNA聚合酶：聚合酶：1）只有一种，能合成所有的）只有一种，能合成所有的mRNA，rRNA和和tRNA分子。分子。2）组成及功能：）组成及功能：2、真核生物、真核生物RNA聚合酶：有三种。聚合酶：有三种。转录的特点转录的特点真核生物真核生物RNA聚合酶及转录因子聚合酶及转录因子转转录录过过程程：起起始始：（启启动动子子），延延长长，终止终止转录后的加工：剪切，添加及修饰转录后的加工：剪切，添加及修饰原核生物基因的转录原核生物基因的转录 第一节参加RNA合成的酶类与蛋白因子一DNA指导的RNA聚合酶（DNAdirectedRNApolymerase，DDRP）是RNA合成中最主要的酶类,RNA聚合酶催化如下反应：1.双链DNA中的一条链作为RNA合成的模板。2四种核糖核苷三磷酸（即ATP、GTP、CTP和UTP）是该酶的底物。3需要二价金属离子，如Mg2+和Mn2+。n(NTP)pppN(pN)n+(n-1)PPiDNARNA聚合酶4.4.不对称转录不对称转录(asymmetrictranscription)在在DNA分子双链上某一区段，一股链用作分子双链上某一区段，一股链用作模板指引转录，另一股链不转录模板指引转录，另一股链不转录；模板链并非永远在同一条单链上。模板链并非永远在同一条单链上。二、二、RNA聚合酶聚合酶1 1、原核生物的、原核生物的RNA聚合酶聚合酶2、真核生物RNA聚合酶的种类和性质种类I型（或A）II型（或B）III型（或C）线粒体（Mt型）分子量5.5105610561056.46.8104分布核仁核质核质线粒体转录产物5.8S、18S、mRNA前体tRNA前体线粒体RNA28SrRNA前体5SrRNA对利福平不敏感不敏感不敏感敏感的敏感性对鹅膏蕈碱不敏感非常敏感敏感不敏感的敏感性3转录因子转录因子分类I型转录因子（transcriptionfactorsI，TFl）能够促进RNA聚合酶l参与的转录过程。Il型转录因子（TFll）促进RNA聚合酶ll参与的转录过程.包括TFIIA，B，D，E，F，H等。III型转录因子（TFIII）促进RNA聚合酶III参与的转录过程。真核生物基因转录过程还需要一些蛋白质因子参与，这些因子能结合到DNA的特殊序列并且与RNA聚合酶结合,促进转录,这些蛋白因子称转录因子转录因子（transcriptionfactors)三终止蛋白终止蛋白能与RNA聚合酶结合，阻止RNA聚合酶越过终止信号而使转录终止。第二节真核生物基因的转录过程一转录的特点RNA的合成与DNA的合成有相似之处，其合成的方向均为53,聚合反应均是通过核苷酸之间形成的3,5-磷酸二酯键，使核苷酸链延长，同时释放出焦磷酸。RNA链中3,5-磷酸二酯键的形成RNA合成不同于DNA合成之处主要有：1.RNA1.RNA聚合酶不需要引物。聚合酶不需要引物。2.RNA2.RNA聚合酶没有核酸酶的活性，在聚合酶没有核酸酶的活性，在RNARNA合成过程合成过程 不起校对作用。不起校对作用。3 3转转录录是是不不对对称称的的，即即仅仅用用DNADNA双双链链中中某某一一条条链链作作 为模板进行转录。有时是这条链的某区段，有时是为模板进行转录。有时是这条链的某区段，有时是 另一条链的某区段具有模板作用。通常将模板链称另一条链的某区段具有模板作用。通常将模板链称 为反意义链，将其互补链称为有意义链或编码链。为反意义链，将其互补链称为有意义链或编码链。4 4转录后转录后DNADNA模板成分无改变。模板成分无改变。5.5.对于一个基因组来讲，转录只发生在一部分基因，对于一个基因组来讲，转录只发生在一部分基因，而且每一个基因的转录都受到相对独立的控制。而且每一个基因的转录都受到相对独立的控制。二、真核生物基因的转录过程二、真核生物基因的转录过程（一）转录的基本过程（一）转录的基本过程转转录录过过程程可可分分为为四四个个阶阶段段：启启动动子子的的选选择择、转录起始、转录起始、RNA链的延长和终止。链的延长和终止。1起始阶段（起始阶段（initiation）启动子启动子（promoter）是DNA上的特殊的序列，它包括一些保守顺序，其中最重要的顺序称TATA(box)盒子。转录起点转录起点转录起点转录起点是指与新生是指与新生RNA链第一个核苷链第一个核苷酸相对应的酸相对应的DNA链上的碱基，研究证实链上的碱基，研究证实通常为一个嘌呤。通常为一个嘌呤。RNA聚合酶从转录起点开始沿着模板前聚合酶从转录起点开始沿着模板前进，直到终止子为止，转录出一条进，直到终止子为止，转录出一条RNA链。链。启动子启动子(promoter)：与与RNA聚合酶结合聚合酶结合的模板的模板DNA上的部位，称为上的部位，称为启动子启动子(promoter)。真核启动子区示意图转录起始点以“+1”表示，在其上游的核苷酸序列以“”表示。启动子区框内表示与转录有关的保守顺序。CAAT盒子GC盒子TATA盒子启动子区结构基因25bp+1转录初级转录物RNA加工m7GpppAAAAn成熟的mRNA增强子真核生物的一些启动子顺序真核生物的一些启动子顺序增强子增强子增强子增强子(enhancer)是能强化转录起始的是能强化转录起始的DNA序列。序列。增强子增强子不是启动子的一部分，但能不是启动子的一部分，但能增强或促进转录的起始。当除去增强子增强或促进转录的起始。当除去增强子时时,会大大降低基因的转录水平；将增强会大大降低基因的转录水平；将增强子插入到子插入到DNA分子的任何部位分子的任何部位,都能保持都能保持基因的正常转录。基因的正常转录。转录单元转录单元转录单元是一段从启动子开始至终止子转录单元是一段从启动子开始至终止子结束的结束的DNA序列。序列。2.RNA链的延长（elongation）（A)RNA聚合酶复合物识别DNA模板上的启动子序列，并与其结合。（B）RNA聚合酶在转录因子的辅助下，将双链DNA解开一段，形成转录泡。在聚合酶的作用下以NTP为底物，与模板链的碱基互补开始合成RNA。（C）RNA聚合酶继续合成RNA，以U替代T，A-U、C-G配对。（D）随着RNA链的延长，RNA聚合酶沿着模板链不断滑动，直到遇到终止信号合成则停止。DNA双螺旋重新形成。图13-4RNA链的延长-OH-OH-OHPPPPPPPPPbcda3.RNA合成的终止（termination）RNA生成后，暂时与DNA模板链形成DNA-RNA杂交体（长度约12个碱基对），此杂交体结合不紧密，RNA很容易从模板DNA上脱落。于是，DNA模板链与编码链又重新形成双链。DNA模板上的终止信号是由于DNA特殊的结构而起作用，此处DNA多存在着反向重复顺序。此区域容易形成发夹形结构，有助于转录的终止。5-GCCGCCAG-CTGGCGGC-33-CGGCGGTC-GACCGCCG-5DNA反向重复顺序（二）几种RNA的合成特点1mRNA的合成BEHAFRNA聚合酶IITATATFIID45bp+1+30bpDNAmRNA转录前起始复合体RNA聚合酶II与其转录因子组成转录前起始复合物。深色的大圆表示RNA聚合酶II与DNA模板相结合，其它小圆表示各种II型转录因子。按其组成顺序排列为：D、A、B、F、Pol（pol代表RNA聚合酶II）、E、H。覆盖DNA模板大约70bp.2.rRNA的合成rRNA基因位于染色体的特殊区域称核仁组织者（nucleolarorganizer）。每一个转录单位包括28S，5.8S及18SrRNA。RNA聚合酶I识别位于非转录间隔区上的启动子，其序列大约位于-40到+10和-150到-110。TFI结合到启动子上，导致RNA聚合酶I识别启动子。当RNA聚合酶I达到下一个转录单位的启动子时，前一转录便在非转录间隔区终止。3.tRNA的合成+1+47+47+1+96+96+121+121RNA聚合酶IIITFIIIATFIIIARNA聚合酶III与其转录因子转录因子IIIA（TFIIIA）首先与DNA模板的特定部位相结合。然后RNA聚合酶III与该因子结合，并启动转录。图上的数字为聚合酶及转录因子与DNA模板结合的核苷酸的位置。第三节第三节 转录后核糖核酸的加工过程转录后核糖核酸的加工过程几乎所有真核生物RNA转录的初级产物都需经过一系列变化后才能生成具有生物活性的RNA分子。这一系列变化过程称为转录后的RNA加工(RNAprocessing)。加工过程包括核苷酸部分水解、连接反应、末端核苷酸“戴帽”、“接尾”，以及核苷的修饰。1.剪接剪接(splicing)2.剪切剪切(cleavage)3.修饰修饰(modification)4.添加添加(addition)RNARNA转录后的加工的转录后的加工的几种主要的加工方式：几种主要的加工方式：一、信使RNA的加工 真核生物mRNA的前体是核不均一核不均一RNA（heterogenousnuclearRNA,hnRNA），其核苷酸顺序中约有5075%不出现在成熟的mRNA中。此部分在转录产物的加工过程中被切除。被切除的部分称为内含子内含子（intron）。内含子是不编码蛋白质的核苷酸序列。末被切除的部分称外显子外显子(exon)，是编码蛋白质的部分。mRNA的拼接机制一些小核核蛋白（snRNP）与RNA前体形成拼接体（spliceosome）。U1RNA和U2RNA分别为snRNP的组份。U1RNA的核苷酸序列与mRNA前体内含子中的GU顺序（称连接供体位点）相配对。U2RNA识别内含子3端连接受体位点。拼接体利用ATP做能量，除去内含子。拼接体U1U2P P PG3mP P PG3mUCCAUACAUAAUGAUGUAGRNA535供体连接处3受体连接处外显子外显子内含子UACUACAAGGUAUGUmRNA5帽端的结构5端第一个核苷酸是7-甲基鸟嘌呤核苷三磷酸,第二个和第三个核苷酸的核糖2羟基甲基化。mRNA加工:5端帽子结构DNA转录单位RNA聚合酶IIm7Gpppm7Gpppm7Gpppm7Gpppm7Gppp剪切及加入3多聚AAAAnAAAnAAAnAAAnCH3CH3甲基化修饰RNA拼接转移到胞浆成熟mRNA细胞核细胞浆外显子1内含子外显子2RNA初级转录物成熟的mRNAmRNA的加工过程示意图二.核糖体RNA的加工核糖体RNA基因转录及甲基化前rRNA45S28S5.8S18S35切割前rRNA41S前rRNA32S前rRNA20S切割切割28SrRNA5.8SrRNA18SrRNArRNA的加工过程示意图内含子编码区3外切核酸酶P P P53-OH3RNA酶PDNA内含子初级转录物初级转录物3端加CCA-OHCCA-OH3P除去内含子（内切核酶与连接酶）CCA-OH3P成熟成熟tRNA5转录tRNA的加工示意图的加工示意图tRNA的初级转录物被RNaseP和3外切核酸酶切除部分核苷酸。CCA-OH末端是由tRNA核苷酸转移酶催化加入的。内含子被内切酶除去后，经连接酶连接为成熟的tRNA。三.转移RNA的加工核苷酸转移酶一一.原核生物原核生物RNA聚合酶聚合酶原核生物原核生物RNA聚合酶是多亚基的酶。从大肠杆菌聚合酶是多亚基的酶。从大肠杆菌提取的提取的RNA聚合酶有聚合酶有六六个亚基组成个亚基组成，分子量为，分子量为500KD。两个。两个亚基，一个亚基，一个亚基，和一个亚基，和一个亚基组成核心酶亚基组成核心酶（coreenzyme），），核心酶（核心酶（2）能进行转录，但能进行转录，但是没有是没有RNA合成的特异性。第六个蛋白质亚基称合成的特异性。第六个蛋白质亚基称因因子，这六种亚基构成全酶（子，这六种亚基构成全酶（holoenzyme）,在体内及体在体内及体外只有外只有全酶（全酶（2）才能特异的合成才能特异的合成RNA。因因子参与识别特异的启动子。原核生物子参与识别特异的启动子。原核生物RNA聚合酶能被聚合酶能被利福平（利福平（rifampicin）所抑制）所抑制。利福平与。利福平与亚基相结合，亚基相结合，从而抑制酶的活性。从而抑制酶的活性。第四节第四节 原核生物的转录原核生物的转录亚基组成：亚基组成：2 2w w=2 2w w+全酶全酶 核心酶核心酶核心酶：核心酶：解开前方的解开前方的DNADNA双螺旋、双螺旋、RNARNA链的延伸链的延伸、恢复后面的、恢复后面的DNADNA双螺旋双螺旋 亚基：亚基：识别识别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。原核生物原核生物RNARNA聚合酶聚合酶编码链编码链AACTGTATATTA模板链模板链TTGACATATAAT35DNA转录起始点Probnow盒子启动子3510+1转录区53RNA原核生物转录的启动子原核生物转录的启动子二.原核生物的转录过程原核生物启动子的两个保守区域原核生物启动子的两个保守区域转录起始需要解决的两个问题：转录起始需要解决的两个问题：转录起始需解决两个问题：转录起始需解决两个问题：1.RNA聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域。聚合酶必须准确地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。双链解开，使其中的一条链作为转录的模板。2.DNA双链解开双链解开1.RNA聚合酶全酶聚合酶全酶(2)与模板与模板结合结合3.在在RNA聚合酶作用下发生第一次聚合反应，聚合酶作用下发生第一次聚合反应，形成转录起始复合物形成转录起始复合物RNApol(2)-DNA-pppGpN-OH3 转录起始复合物转录起始复合物:5-pppG-OH+NTP5-pppGpN-OH3+ppi转录起始过程：转录起始过程：转录延长转录延长1.亚基脱落，亚基脱落，RNApol聚合酶核心酶变构，聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，沿着与模板结合松弛，沿着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不断聚合，不断聚合，RNA链链不断延长。不断延长。(NMP)n+NTP(NMP)n+1+PPi原核生物原核生物RNA转录过程图示转录过程图示转录泡转录泡:是指是指RNA聚合酶在聚合酶在亚基引导下识别并结合到启动亚基引导下识别并结合到启动子上子上,然后然后DNA双链被局部解开双链被局部解开,形成的解链区。形成的解链区。依赖依赖Rho()因子的转录终止因子的转录终止非依赖非依赖Rho()因子的转录终止因子的转录终止转录终止转录终止指指RNA聚聚合合酶酶在在DNA模模板板上上停停顿顿下下来来不不再再前前进进，转转录录产产物物RNA链链从从转转录录复复合合物物上上脱脱落下来。落下来。分类分类RNA转录的终止转录的终止(因子不依赖性的因子不依赖性的)A：DNA模板有特殊的序列，富含GC和AT区，反转重复顺序（阴影所示）。B：RNA转录物可形成茎、环结构。ABRNA聚合酶PPPPPP5因子ATPADPPi转录终止转录终止 因子的作用因子的作用因子是由6个亚基组成的蛋白质，它具有ATP酶和解螺旋酶的活性，能将RNA-DNA杂交双链解开，使RNA脱离模板，从而终止RNA转录。起始位点PPPPPP终止位点RNADNA3535NTPPPP PPP酶酶酶酶酶酶的释放与循环识别起始位点3553与酶结合RNA聚合酶NTPPPPPPP转录开始RNA链延长与RNA结合RNA、及酶的释放PPPP PP原核原核RNA的转录过程的转录过程(循环过程）循环过程）圆圈表示RNA聚合酶的核心酶部分（2）。因子参与识别特异的启动子，它与核心酶一起结合到DNA模板的起始位置上。以NTP为原料，全酶催化RNA的合成。当RNA链延长到大约10核苷酸时，因子从全酶上脱离，参与另外一次循环。核心酶沿着DNA模板移动，继续延长RNA链。当RNA聚合酶遇到了终止信号不能再继续前进，便在因子作用下与模板链脱离，RNA合成终止。核心酶参与另外一次循环。rRNA基因转录和剪刀前rRNA23S23SrRNA前rRNA16S16SrRNA剪刀原核生物原核生物rRNA的加工示意图的加工示意图转录后的加工原原核核生生物物转转录录与与翻翻译译过过程程是是偶偶联联的的。即即mRNA在在转转录录过过程程中中即即进进行行翻翻译译。原原核核生生物物mRNA初初级级转转录录物物没没有有内内含含子子，故故没没有有剪剪接接过过程程。核核糖糖体体RNA转转录录时时即即刻刻被被剪剪切切成成23S及及16S rRNA。tRNA也也进进行行一一些些剪剪接接及修饰。及修饰。三、RNA的复制有有些些病病毒毒或或噬噬菌菌体体的的基基因因组组是是由由RNA而而不不是是由由DNA组组成成的的。病病毒毒进进入入宿宿主主细细胞胞后后，还还可可以以进进行行复复制制生生成成RNA。催催化化此此种种RNA复复制制的的酶酶为为RNA复复制制酶酶，是是一一 种种 RNA指指 导导 的的 RNA聚聚 合合 酶酶(RNA directed RNA polymerase)。RNA复复制制酶酶催催化化的的合合成成反反应应是是以以RNA为为模模板板，由由53方方向向进进行行RNA链链的的合合成成。反反应应机机理理与与DNA作作模模板板合成合成RNA反应相似。反应相似。RNA复复制制酶酶仅仅对对特特异异的的病病毒毒RNA起起作作用用，对对宿宿主主细细胞胞的的RNA一一般般不不进进行行复复制制。为为此此，当当病病毒毒侵侵入入宿宿主主细胞后，病毒的细胞后，病毒的RNA能大量复制。能大量复制。DNA复制和转录的区别复制和转录的区别补充几个重要概念单顺反子mRNA：只编码一种蛋白质的mRNA多顺反子mRNA：编码多种蛋白质的mRNA，是一组相邻或相互重叠基因的转录产物。操纵子：是指在原核细胞中，密切相关的基因以多顺反子mRNA的方式进行转录，整个体系被置于一个启动子的控制之下，这种密切相关的基因称为操纵子。本章重点与难点本章重点与难点重点：掌握重点：掌握RNARNA生物合成方式、酶类及合生物合成方式、酶类及合成后加工，成后加工，RNARNA合成后加工的意义，合成后加工的意义，RNARNA合合成的起始与终止、成的起始与终止、RNARNA的复制。的复制。难点：难点：RNARNA合成的起始与终止；真核生物合成的起始与终止；真核生物RNARNA转录后加工。转录后加工。作业作业:1.比较比较DNA和和RNA在结构上的异同点。在结构上的异同点。2.试述试述RNA的种类、合成特点及后加工过的种类、合成特点及后加工过程。程。3.DNA复制和转录的区别。复制和转录的区别。