大学课程生物化学RNA的生物合成课件.ppt

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1、第十六章,RNA的生物合成RNA Biosynthesis ( Transcription ),第十六章RNA的生物合成,主 要 内 容,一、原核生物转录的模板和酶二、原核生物转录过程三、真核生物转录过程四、真核生物RNA的加工和讲解,主 要 内 容一、原核生物转录的模板和酶,本章重点,一、掌握转录的概念和特点。二、掌握转录模板，酶，主要转录因子。三、掌握原核生物转录的过程，了解原核 生物转录的过程。四、掌握真核生物mRNA的加工修饰。,本章重点一、掌握转录的概念和特点。,RNA合成,DNA指导的RNA合成，为生物体内的主要合成方式。RNA指导的RNA合成常见于病毒，是逆转录病毒以外的RNA病

2、毒在宿主细胞以病毒的单链RNA为模板合成RNA的方式。,RNA合成DNA指导的RNA合成，为生物体内的主要合成方式,转录 (transcription) 是生物体以DNA为模板合成RNA的过程 。,转录产物除mRNA、rRNA 和tRNA外，在真核细胞内还有snRNA、miRNA等非编码RNA。,转录 (transcription) 是生物体以DNA为模板,转录 (transcription) 以DNA双链中一股单链为模板、四种NTP为原料、按碱基配对原则指导RNA合成的过程。即把DNA的碱基序列抄录成RNA的碱基序列，这种遗传信息的转移称为转录。,转录 (transcription),复制和

3、转录的异同点,DNA两股链,DNA单链,dNTP,NTP,DNA-pol,RNA-pol,半保留复制半不连续复制双向复制,不对称转录,mRNA,tRNA,rRNA,子代双链DNA,C-G, G-C,T-A, A-U,A-T,C-G,不需要,需要,5 3,5 3,复制和转录的异同点复 制转 录模 板原 料酶特 点产 物配,原核生物转录的模板和酶Templates & Enzymes in prokaryotic transcription,第一节,原核生物转录的模板和酶第一节,参与转录的物质：,原料: NTP (ATP, UTP, GTP, CTP) 模板: DNA酶 : RNA聚合酶(RNA

4、polymerase, RNA-pol)其他蛋白质因子及Mg2+和Mn2+等,合成方向53，核苷酸间的连接方式为 3，5-磷酸二酯键。,参与转录的物质：原料: NTP (ATP, UTP, GT,一、模板,模板链(template strand，有意义链或Watson链)：DNA双链中按碱基配对规律能指引转录生成RNA的一股单链。编码链(coding strand，反义链或Crick链)，与模板链互补的另一条单链。(用此链书写DNA序列),模板：以DNA编码基因中的一条单链作为合成RNA 的模板。,一、模板模板链(template strand，有意义链或W,编码链,模板链,5 G C A G

5、 T A G C T 3,3 c g t c a t c g a 5,DNA,5 G C A G U A G C U 3,RNA,N Ala Vla His C,多肽链,转录,翻译,编码链模板链,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,不对称转录(asymmetric transcription)： 在DNA分子双链上，一股链用作模板指引转录，另一股链不转录；其二是模板链并非总是在同一单链上。,结构基因,53模板链编码链编码链模板链结构基因转录方向转录方向不对,二、 RNA聚合酶（ RNA-pol）,（一）RNA聚合酶能从头启动RNA链的合成,全称：DNA依赖

6、的RNA聚合酶,( NMP )n + NTP ( NMP ) n+1 + PPi,RNA,延长的RNA,作用：,1 NTP 与DNA模板的碱基配对后，催化 形成磷酸二酯键而合成RNA2 解开DNA双链,二、 RNA聚合酶（ RNA-pol）（一）RNA聚合酶能从,RNA聚合酶不需要引物就能直接启动RNA链的延长。RNA聚合酶和双链DNA结合时活性最高，但是只以双链DNA中的一股DNA链为模板。 RNA聚合酶和DNA的特殊序列启动子(promoter)结合后，就能启动RNA合成。,RNA聚合酶不需要引物就能直接启动RNA链的延长。,原核生物RNA聚合酶, + 2 2 因子 核心酶 全酶 辨认起始

7、点 转录延长 转录起始,（五聚体）,：决定要转录的基因种类：催化聚合 ：结合模板：辨认起始点,利福平或利福霉素能与亚基结合而抑制转录。,原核生物RNA聚合酶 +,核心酶 (core enzyme),全酶 (holoenzyme),转录起始阶段,转录延长阶段,核心酶全酶转录起始阶段转录延长阶段,RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合,RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合,三、RNA聚合酶结合到DNA的启动子上启动转录,转录是不连续、分区段进行的。,RNA聚合酶首先识别并结合DNA模板上 的调控序列（真核生物还需转录因子参与）。,三、RNA聚合酶结合到DNA的启动子上启动转录 转录是不连续,操纵子(op

8、eron): 由DNA上若干个编码基因及其上游的调控序列组成的转录单位。,操纵子(operon): 由DNA上若干个编码基因及其上游的,启动子：位于编码基因上游的调控序列中能与RNA聚合酶结合的DNA区域。,-35bp -10bp TTGACA TATAAT ( 因子辨认位点) (结合位点),原核生物由全酶中的 因子辨认启动子,启动子的保守序列,（Pribnow盒）,启动子：位于编码基因上游的调控序列中能与RNA聚合酶结合的D,RNA聚合酶保护法,RNA聚合酶保护法,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

9、 T A T T A Py,-10 区,RNA-pol辨认位点(recognition site),RNA聚合酶保护法研究转录起始区,开始转录T T G A C A-35 区(Pribnow b,原核生物的转录过程The Process of Transcription in Prokaryote,第二节,原核生物的转录过程第二节,1 . 转录的起始 对DNA进行解链、解旋 识别转录启动子2. 转录的延长 核心酶在模板链上滑行3. 转录的终止,1 . 转录的起始,转录的特点,不对称转录 延长方向5 3 不需要引物 有特定起点与终止位点,转录的特点 不对称转录,RNA聚合酶必须准确地结合在转录模

10、板的起始区域。DNA双链解开，使其中的一条链作为转录的模板。,一、转录起始,转录起始需解决两个问题：,RNA聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域。一、转录起始,转录起始过程：,1. 全酶中的 因子辨认启动子；2. 全酶与启动子结合3. DNA 解链（范围小：171 bp）,转录起始过程：1. 全酶中的 因子辨认启动子；,4. 在转录起始点开始转录； (不需要引物)5. 生成第一个磷酸二酯键后(即头两个NTP聚合后) 因子脱落。,5-pppG -OH + NTP 5-pppGpN - OH 3 + ppi,转录起始复合物:,RNApol (2) - DNA - pppGpN- OH 3,4.

11、 在转录起始点开始转录；5-pppG -OH +,E.coli的转录起始和延长,E.coli的转录起始和延长,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,3. 碱基配对稳定性：G CA = TA =U,二、 转录延长1. 亚基脱落，RNApol聚合酶核心酶变,大肠杆菌的转录泡局部结构示意,RNA聚合酶 DNA RNA 覆盖40bp 解链17bp 杂化8bp,大肠杆菌的转录泡局部结构示意RNA聚合酶 DNA R,三、原核生物

12、转录延长与蛋白质的翻译同时进行,在同一DNA模板上，有多个转录同时在进行；转录尚未完成，翻译已在进行。,三、原核生物转录延长与蛋白质的翻译同时进行53DNA核糖,大学课程生物化学RNA的生物合成课件,依赖因子的转录终止非依赖因子的转录终止,四、转录终止,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。,依据是否需要蛋白质因子的参与，原核生物转录终止分为：,依赖因子的转录终止四、转录终止RNA聚合酶在DNA模板上停,六聚体蛋白质对poly C的结合力最强，易与富含 C 的RNA 3 端结合，使RNA聚合酶构象改变，而停止转录； 。 解螺旋酶(helicase)和A

13、TP酶活性的活性。,（一）依赖因子的转录终止,因子：,六聚体蛋白质（一）依赖因子的转录终止因子：,因子的作用原理：,因子的作用原理：,RNA聚合酶转录停顿,DNA模板链5末端的终止区,RNA 3末端特殊序列 + polyU,转录,形成特定的茎环结构(发夹),促使杂化双链拆离,A=U不稳定,难以形成DNA-RNA杂化双链,（二） 非依赖 因子的转录终止,RNA聚合酶DNA模板链5末端的终止区RNA 3末端特殊,茎环结构使转录终止的机制,使RNA聚合酶变构，转录停顿；RNA链上的多聚U使RNA/DNA杂化短链的碱基配对不稳定的，也是使RNA产物释放。,茎环结构使转录终止的机制使RNA聚合酶变构，转

14、录停顿；,茎环结构,模板链终止区,AAAAAAAA UUUUUUUU,AAAAAAAA,UUUUU,UUU,-OH 3,poly U,RNA,DNA,DNA,DNA,RNA,RNA,茎环结构模板链终止区AAAAAAAAAAAA AAAA,真核生物RNA的生物合成The Biosynthesis of Eukaryote RNA,第三节,真核生物RNA的生物合成第三节,一、 真核生物RNA聚合酶,真核生物具有3种不同的RNA聚合酶:,RNA聚合酶（RNA Pol）RNA聚合酶（RNA Pol）RNA聚合酶（RNA Pol ）,一、 真核生物RNA聚合酶真核生物具有3种不同的RNA聚合酶,真核生物

15、的RNA聚合酶,真核生物的RNA聚合酶种类转录产物rRNA的前体45,真核生物RNA聚合酶,结构比原核复杂，所有真核生物的RNA聚合酶都有两个不同的大亚基和十几个小亚基；RNA聚合酶最大亚基的羧基末端有一段共有序列为Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Ser的重复序列片段，称为羧基末端结构域（CTD），对转录是必需的。,真核生物RNA聚合酶结构比原核复杂，所有真核生物的RNA聚合,原核与真核一、转录起始： 差 异二、转录延长： 相 似三、转录终止： 差 异,真核生物无典型操纵子结构；上游调控序列中含有启动子核心序列 TATA盒；RNA聚合酶不能直接识别结合启动子；需要多种转录因子介

16、导RNA聚合酶与启动子结合。,二、转录起始,真核生物无典型操纵子结构；二、转录起始,（用负值计数核苷酸）,转录单位,顺序作用元件(包括启动子等),（用正值计数核苷酸）,含终止序列,上游 转录起始点 下游,调控序列,1个编码基因,终止信号,（用负值计数核苷酸）转录单位顺序作用元件（用正值计数核苷酸）,顺式作用元件(cis-acting element)：调控转录起始的DNA序列。 如：TATA盒、GC盒、增强子等,1.顺式作用元件: 转录起始前的上游区段,顺式作用元件(cis-acting element)：调控转,调控区,编 码 基 因,顺式作用元件,调控转录的DNA序列,调控区编 码 基 因

17、顺式作用元件调控转录的DNA序列,2. 转录因子,反式作用因子(trans-acting factors): 能直接、间接辨认和结合转录上游区段 DNA的蛋白质。,转录因子(transcriptional factors, TF):反式作用因子中，直接或间接结合RNA 聚合酶的的蛋白质。,顺式作用元件需与反式作用因子相互作用才能发挥功能。,2. 转录因子 反式作用因子(trans-acting fa,参与RNA-pol转录的TF的作用,参与RNA-pol转录的TF的作用转录因子功能TFDT,3. 转录起始前复合物(pre-initiation complex, PIC),真核生物RNA-pol

18、不与DNA分子直接结合，而需依靠众多的转录因子。,3. 转录起始前复合物(pre-initiation com,TFF,A,B,由RNA-Pol 催化转录,H,E,TBP,TAF,TATA,A,B,TBP,TAF,TATA,H,E,转录起始前复合物,D 结合TATAA 辅助D与酶结合B 稳定复合物HEH使酶滑动, 激酶F 促进酶结合,协同解链,POL-TFFAB由RNA-Pol 催化转录 PO,拼板理论(piecing theory),启动一个基因的转录需要3 5个转录因子，启动不同的基因采用数个不同的转录因子组合即可保证转录的准确性。,为了保证转录的准确性，不同基因需不 同转录因子。人类基因

19、约有2. 2.5万个。,起始转录因子可能只有300多个。,拼板理论(piecing theory)为了保证转录的准确性,三 、转录延长,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。,三 、转录延长真核生物转录延长过程与原核生物大致相似，但因有,RNA-Pol,RNA-Pol,RNA-Pol,核小体,转录延长中的核小体移位,转录方向,RNA-PolRNA-PolRNA-Pol核小体转录延长中的,四、转录终止,真核生物的转录终止，是和转录后修饰密切相关的。聚腺苷酸(poly A

20、)尾巴结构，在转录后加进去。转录不是在poly A的位置上终止，而是超出数百个乃至上千个核苷酸后才停顿。转录终止的修饰点：在模板链的5端常含AATAAA、GT序列。RNA聚合酶滑过DNA修饰点后，转录的RNA链在修饰点被切断，随即加入3 端poly A 尾。,四、转录终止真核生物的转录终止，是和转录后修饰密切相关的。,5-AAUAAA-,5 -AAUAAA-,核酸酶,-GUGUGUG,RNA-pol,AATAAA GTGTGTG,转录终止的修饰点,5,5,3,3,3加尾,AAAAAAA 3 mRNA,转录终止, 和转录后修饰密切相关。,5-AAUAAA-5 -AAUAAA,真核生物RNA的加工

21、和降解 The Processing and Degradation of Eukaryotic RNA,第四节,真核生物RNA的加工和降解 第四节,一、mRNA转录后加工,加帽加尾hnRNA进行剪接,hnRNA（不均一核RNA杂化核RNA (hetero-nuclear RNA),真核生物核内的初级mRNA， mRNA的前体。,一、mRNA转录后加工 加帽 hnRNA（不均一核RNA杂化,（一）5-末端加入“帽”结构,大多数真核mRNA的5-末端有7-甲基鸟嘌呤的帽结构。这个真核mRNA加工过程的起始步骤由两种酶，加帽酶(capping enzyme)和甲基转移酶(methyltransfe

22、rase)催化完成。,（一）5-末端加入“帽”结构大多数真核mRNA的5-末端,帽结构,帽结构,帽结构的生成过程,帽结构的生成过程,帽结构的意义：,可以使mRNA免遭核酸酶的攻击；也能与帽结合蛋白质复合体(cap-binding complex of protein)结合，并参与mRNA和核糖体的结合，启动蛋白质的生物合成。,帽结构的意义：可以使mRNA免遭核酸酶的攻击；,5-AAUAAA-,5 -AAUAAA-,核酸酶,-GUGUGUG,RNA-pol,AATAAA GTGTGTG,转录终止的修饰点,5,5,3,3,3加尾,AAAAAAA 3 mRNA,（二）3-端加上多聚腺苷酸尾,5-AA

23、UAAA-5 -AAUAAA,尾部修饰是和转录终止同时进行的过程。poly A的有无与长短，是维持mRNA作为翻译模板的活性，以及增加mRNA本身稳定性的因素。poly A长度为100至200个核苷酸之间。,尾部修饰是和转录终止同时进行的过程。,真核生物的编码基因是由几个编码区(外显子)和非编码区(内含子)相互间隔组成。,断裂基因(splite gene),编码区 A、B、C、D,非编码区,（三）前体mRNA的剪接,真核生物的编码基因是由几个编码区(外显子)和非编码区(内含子,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：断裂基因表达后，在剪接为成熟RNA过程

24、中被除去的核酸序列。,mRNA剪接（mRNA splicing）去除初级转录物上的内含子，把外显子连接为成熟RNA的过程称为。,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,鸡卵清蛋白成熟mRNA与DNA杂交电镜图,DNA,mRNA,鸡卵清蛋白成熟mRNA与DNA杂交电镜图DNAmRNA,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,鸡卵清蛋白基因hnRNA首、尾修饰hnRNA剪接成熟的mRN,内含子5-端与 snRNA中U1配对内含子3-端与 snRNA中U2配对,剪接过程（常见方式）,snRNP与hnRNA结合成

25、为剪接体,小分子核糖核蛋白(RNP),核小RNA (snRNA)： U1、2、4、5、6,内含子5-端与 snRNA中U1配对剪接过程（常见方式）s,UACUACA - AG,UG,U4,U5,U6,E1,E2,U1,U2,UACUACA - AG,UG,U6,E1,E2,U1、U4、U5, 内含子弯曲成套索状，相邻的外显子相互靠拢；, U2与U6 形成催化中心,UACUACA - AGUGU4U5U6E1E2U1U2UA,前体mRNA分子有剪切和剪接两种模式,剪切指的是剪去某些内含子后，在上游的外显子3-端直接进行多聚腺苷酸化，不进行相邻外显子之间的连接反应。剪接是指剪切后又将相邻的外显子片

26、段连接起来，然后进行多聚腺苷酸化。,前体mRNA分子有剪切和剪接两种模式 剪切指的是剪去某些内含,前体mRNA分子可发生可变剪接,许多前体mRNA分子经过加工只产生一种成熟的mRNA，翻译成相应的一种多肽；有些则可剪切或（和）剪接加工成结构有所不同的mRNA，这一现象称为可变剪接（alternative splicing），又称选择性剪接。,前体mRNA分子可发生可变剪接 许多前体mRNA分子经过加工,大学课程生物化学RNA的生物合成课件,大鼠降钙素基因转录本的可变剪接,大鼠降钙素基因转录本的可变剪接,RNA编辑（RNA editing）：有些基因的蛋白质产物的氨基酸序列与基因的初级转录物序列

27、并不完全对应，mRNA上的一些序列在转录后发生了改变。,（四）mRNA编辑,RNA编辑（RNA editing）：有些基因的蛋白质产物的,APOB基因的mRNA在肝和肠黏膜编码不同多肽链,APOB基因的mRNA在肝和肠黏膜编码不同多肽链,二、真核rRNA转录后加工,转录,45S - rRNA,剪切,18S - rRNA,真核生物rRNA基因在染色体上呈串联基因单位重复排列。,二、真核rRNA转录后加工转录45S - rRNA剪切18S,大学课程生物化学RNA的生物合成课件,三、真核生物tRNA转录后加工,1）切除5-端前导序列和中部内含子2） 3-末端加上CCA-OH3）修饰生成稀有碱基,三、

28、真核生物tRNA转录后加工1）切除5-端前导序列和中部,tRNA前体,RNA pol ,tRNA前体RNA pol TGGCNNAGTGCGGTT,RNAaseP、内切酶,RNAaseP、内切酶,tRNA核苷酸转移酶、连接酶,ATP,ADP,tRNA核苷酸转移酶、连接酶ATPADP,碱基修饰,（3）,（2）,（4）,碱基修饰（2）还原反应 如：U DHU （3）核苷内的,四、RNA催化一些真核和原核基因内含子的自剪接,1982年美国Thomas Cech发现四膜虫的rRNA加工存在自我催化现象；以后发现在tRNA 、mRNA(线粒体、叶绿体)加工时也存在自我剪接； 核酶：在自然界具有催化功能的

29、RNA称为。,四、RNA催化一些真核和原核基因内含子的自剪接 1982年美,I和II型内含子的剪切,I和II型内含子的剪切,五、RNA在细胞内的降解有多种途径,正常转录物和异常转录物的降解途径有一定差异。前者包括依赖于脱腺苷酸化的mRNA降解和不依赖于脱腺苷酸化的mRNA 降解；后者包括无义介导的mRNA 降解、无终止降解、无停滞降解和核糖体延伸介导的降解等。,五、RNA在细胞内的降解有多种途径正常转录物和异常转录物的降,（一）依赖于脱腺苷酸 化的mRNA降解,（一）依赖于脱腺苷酸,（二）无义介导的mRNA降解,无义介导的mRNA降解：真核细胞mRNA的异常剪接可能会产生无义的终止密码子，由此产生的mRNA降解，是广泛存在的mRNA质量监控的重要机制。含有提前终止密码子（premature translational-termination codon, PTC）的mRNA会被选择性清除。,（二）无义介导的mRNA降解无义介导的mRNA降解：真核细胞,