四讲RNA生物合成课件.ppt

第四讲第四讲RNA的生物合成的生物合成RNA代谢代谢一、一、RNA合成的特征合成的特征二、原核生物二、原核生物RNA合成合成三、真核生物三、真核生物RNA的合成的合成四、原核与真核生物四、原核与真核生物mRNA的比较的比较目录五、内含子的剪接、编辑、再编码及化学修饰五、内含子的剪接、编辑、再编码及化学修饰RNA代谢代谢除了某些除了某些RNA病毒之外，所有病毒之外，所有RNA分子都来自于分子都来自于DNA基因组组DNA通过一个被称为转录的过程把贮存在双链通过一个被称为转录的过程把贮存在双链DNA分子中分子中的遗传信息转换到与模板的遗传信息转换到与模板DNA链相互补的链相互补的RNA单链上mRNA，编码了一个或多个蛋白质序列编码了一个或多个蛋白质序列tRNA，把，把mRNA上的遗传信息变为多肽中的氨基酸信息；上的遗传信息变为多肽中的氨基酸信息；rRNA，是合成蛋白质的工厂核糖体中的主要成份是合成蛋白质的工厂核糖体中的主要成份一、RNA合成的特征1、RNA的前体是四种核糖核苷三磷酸（的前体是四种核糖核苷三磷酸（rNTP）：）：ATP、GTP、CTP和和UTP2、RNA链的生长方向也是从链的生长方向也是从5 3，核苷三磷酸加到新生，核苷三磷酸加到新生链的链的3端，同时除去一分子焦磷酸而生成磷酸二酯键。

端，同时除去一分子焦磷酸而生成磷酸二酯键3、转录必需以一条、转录必需以一条DNA链作为模板，按照碱基互补原则链作为模板，按照碱基互补原则进行转录，因此进行转录，因此DNA中的中的A、G、C、T将被分别转录为将被分别转录为U、C、G、A有义链（或编码链）有义链（或编码链）：与：与mRNA序列相同的那条序列相同的那条DNA链反义链（或模板链）反义链（或模板链）：指根据碱基互补配对原则指导：指根据碱基互补配对原则指导RNA合成的合成的DNA链4、RNA聚合酶与聚合酶与DNA聚合酶不同，聚合酶不同，RNA聚合酶能起始一聚合酶能起始一条新链的合成，起始的核苷酸一般是嘌呤核苷三磷酸条新链的合成，起始的核苷酸一般是嘌呤核苷三磷酸5、转录有一定的起始、终止位点转录有一定的起始、终止位点转录起始点及有关位置表示方法：转录起始点及有关位置表示方法：转录起始点是指转录起始点是指mRNA开始转录的第一个碱基，此点通常用开始转录的第一个碱基，此点通常用+1表示，由此与转录方向相一致的下游序列的碱基位置用正表示，由此与转录方向相一致的下游序列的碱基位置用正值表示；与转录方向相反的上游序列的碱基位置用负值表示值表示；与转录方向相反的上游序列的碱基位置用负值表示。

30-20-10+1+10+20+30+40上游上游下游下游 1. RNApol的结构的结构 表表4-1 RNApol的结构的结构亚基亚基 亚基数亚基数 WM（KD） 功能功能 编码基因编码基因 全酶全酶 2 40 P识别、核心酶装配识别、核心酶装配 rpoA 465KD 1 155 rpoB 1 160 rpoC 催化中心催化中心 32-90 启动子特异选择启动子特异选择 rpoD核核心心酶酶全全酶酶二、原核生物RNA合成（一）（一） 原核生物原核生物RNA聚合酶（聚合酶（RNA polymerase) 因子不仅增加聚合酶对启动子的亲和力，还降低了它对非因子不仅增加聚合酶对启动子的亲和力，还降低了它对非专一位点的亲和力专一位点的亲和力 1. 定义定义 启动子是一段位于结构基因启动子是一段位于结构基因5端上游区的端上游区的DNADNA序列，能活序列，能活化化RNARNA聚合聚合酶酶，使之与模板，使之与模板DNADNA准确地准确地结结合并具有合并具有转录转录起始的特起始的特异性 启动子的位置，可在启动子的位置，可在+1上游，也可在上游，也可在+1下游（个别）下游（个别）二）启动子（二）启动子（promoter) 2. Promoter的结构的结构 可被可被RNA全酶保护的区域全酶保护的区域 -50 +20。

同源性序列：同源性序列： - 10 区、区、-35区区 有有同源性同源性；强启动子更保守强启动子更保守 Pribnow box -10区区， 100个测定启动子中个测定启动子中T46 T41 T40 T43 G43 N T80 A95 T45 A60 A50 T96 G37 富含富含A/T此序列突变，导致启动受阻或活力下降此序列突变，导致启动受阻或活力下降 - 35 区，区， 识别区识别区T82 T84 G78 A65 C54 A54 TTGACA16 19bpTATAAT59bp+1-35-10图图4 6 一个典型的启动子含有三个部分，由在一个典型的启动子含有三个部分，由在-35、-10 和和起始原点的共有序列组成起始原点的共有序列组成在原核生物中，35区与10区之间的距离大约是1619bp下降突变：如果把PribnowPribnow区区从TATAAT变成AATAAT就会大大降低其结构基因的转录水平上升突变：即增加区共同序列的同一性如：乳糖操纵子的启动子中，将其PribnowPribnow区从TATGTT变成TATATT，就会提高启动子的效率图图4 4 启动子的共有序列和启动子的共有序列和RNA聚合酶的结合部位。

聚合酶的结合部位 表表4-2 E.coli 不同不同 的识别序列（的识别序列（promote区）区） rpoD 70 通常通常 TTGACA 16-18bp TATAAT rpoH 32 热休克热休克 CCCTTGAA 13-15bp CCCGATNT rpoE E 热休克热休克 未知未知 未知未知 未知未知 rpoN 54 N利用利用 CTGGNA 66bp TTGCA fliA F 鞭毛鞭毛 CCAAA 15bp GCCGATAA Gene 因子因子 用途用途 - 35区区 间隔区间隔区 -10区区 1 RNA合成的起始合成的起始（1） RNApol全酶识别全酶识别 RNApol酶与启动子酶与启动子DNA双链相互作用并与之相结合的过双链相互作用并与之相结合的过程聚合酶与启动子结合形成封闭复合物此时，程聚合酶与启动子结合形成封闭复合物此时，DNA仍处仍处于双链状态伴随着于双链状态伴随着DNA构象上的重大变化，构象上的重大变化，封闭复合物封闭复合物变变为为开放复合物开放复合物2） pppA或或pppG起始 开放复合物与最初两个开放复合物与最初两个NTP相结合并在这两个核苷酸之相结合并在这两个核苷酸之间形成磷酸二酯键后转变为包括间形成磷酸二酯键后转变为包括RNA聚合酶、聚合酶、DNA和新生和新生RNA的三元复合物。

第一个碱基通常为嘌呤的三元复合物第一个碱基通常为嘌呤 通过启动子阶段（合成通过启动子阶段（合成6-9个核苷酸）个核苷酸）3） 因子脱落因子脱落（三）（三） RNA的酶促合成的酶促合成Figure 4 12 RNA polymerase passes through several steps prior to elongation. A closed binary complex is converted to an open form and then into a ternary complex. 图图4 12 在延伸以前，在延伸以前，RNA聚合聚合酶要通过若干步一个紧密的二酶要通过若干步一个紧密的二聚体复合物被转变成一种开放形聚体复合物被转变成一种开放形式，然后变成三聚体复合物式，然后变成三聚体复合物v RNA-DNA杂交区约杂交区约12bpv RNApol解链的解链的DNA的长度为的长度为17bp（1.6个螺旋）个螺旋）v 因子脱落后，因子脱落后，NusA蛋白（防止转录终止的调节因子）蛋白（防止转录终止的调节因子）与与RNApol结合作用（不牢固）结合作用（不牢固） 2 RNA链的延长链的延长图图4 16 RNA延伸的图解延伸的图解3RNA合成的终止合成的终止一旦一旦RNA聚合酶启动了基因转录，它就会沿着模板聚合酶启动了基因转录，它就会沿着模板53方向不停地移动，合成方向不停地移动，合成RNA链，直到遇到终止信号时链，直到遇到终止信号时才释放新生的才释放新生的RNA链，并与模板链，并与模板DNA脱离。

脱离研究研究RNA链终止时遇到最常见的问题是链终止时遇到最常见的问题是3端核苷酸的定端核苷酸的定位，因为活细胞内部根据终止信号正确终止的位，因为活细胞内部根据终止信号正确终止的RNA与一个经与一个经过剪接的过剪接的RNA在在3端没有两样，都是端没有两样，都是-OH基团模板基团模板DNA上上都有终止转录的特殊信号都有终止转录的特殊信号-终止子，每个基因或操纵子都有终止子，每个基因或操纵子都有一个启动子，一个终止子在新生一个启动子，一个终止子在新生RNA中出现发卡式结构会中出现发卡式结构会导致导致RNA聚合酶的暂停，破坏聚合酶的暂停，破坏RNA-DNA杂合链杂合链5端的正常端的正常结构寡聚结构寡聚U的存在使杂合链的的存在使杂合链的3端部分出现不稳定的端部分出现不稳定的rUdA区域区域1）依赖于依赖于因子的终止因子的终止因子是一个相对分子质量为因子是一个相对分子质量为2.0105的六聚体蛋白，它的六聚体蛋白，它能水解各种核苷三磷酸，实际上是一种能水解各种核苷三磷酸，实际上是一种NTP酶酶，同时具有解，同时具有解螺旋酶的活性螺旋酶的活性有人认为，在有人认为，在RNA合成起始以后，合成起始以后，因子即附着在新生因子即附着在新生的的RNA链上，靠链上，靠ATP水解产生的能量，沿着水解产生的能量，沿着53方向朝方向朝RNA聚合酶移动，到达聚合酶移动，到达RNA的的3-OH端后取代暂停在终止端后取代暂停在终止位点上的位点上的RNA聚合酶，它所具有的聚合酶，它所具有的RNA-DNA解螺旋酶活性解螺旋酶活性使转录产物使转录产物RNA从模板从模板DNA上释放，随后，转录复合体解上释放，随后，转录复合体解体，完成转录过程。

终止过程需要消耗能量体，完成转录过程终止过程需要消耗能量Figure 4 19 A rho-dependent terminator has a sequence rich in C and poor in G preceding the actual site(s) of termination. RNApol识别终止子，在转录此终止后合成速度减慢，识别终止子，在转录此终止后合成速度减慢，从从RNA5 移动至移动至RNApol处，使处，使RNA释放图（图4 19 ）图图4 19 依赖依赖rho的一种终止子在终止作用的实际位点前方有的一种终止子在终止作用的实际位点前方有一段富含一段富含C而极少含而极少含G的序列RNA聚合酶沿模板移动聚合酶沿模板移动因子依附在因子依附在RNA的的5端端因子沿因子沿RNA链运动，跟踪聚合酶链运动，跟踪聚合酶因子赶上在终止位点暂停的聚合酶因子赶上在终止位点暂停的聚合酶终止终止三元复合体解体三元复合体解体聚合酶在终止位点暂停聚合酶在终止位点暂停（2）不依赖于不依赖于因子的终止因子的终止若终止点上游存在一个富含若终止点上游存在一个富含GC碱基的二重对称区，碱基的二重对称区，由这段由这段DNA转录产生的转录产生的RNA容易形成容易形成发卡式结构发卡式结构；在终；在终止点前面有一段由止点前面有一段由4-8个个A组成的序列组成的序列，导致转录产物的，导致转录产物的3端为寡聚端为寡聚U。

这两种结构特征的存在同样决定了转录的这两种结构特征的存在同样决定了转录的终止在新生在新生RNA中出现发卡式结构会导致中出现发卡式结构会导致RNA聚合酶的聚合酶的暂停，破坏暂停，破坏RNA-DNA杂合链杂合链5端的正常结构寡聚端的正常结构寡聚U的的存在使杂合链的存在使杂合链的3端部分出现不稳定的端部分出现不稳定的rUdA区域图图4 18 RNA合成合成时。