核酸的生物学功能.ppt

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1、第14章 RNA的生物合成转录,（一）模板和酶（二）以 DNA为模板合成 RNA 的过程（三）以 RNA为模板合成 RNA 的过程（四）RNA 的转录后加工,（一）模板和酶,1.转录模板 2.RNA 聚合酶 3.酶与模板的辨认结合,1.转录模板,基因中双链 DNA 中仅有一股链被转录。把被转录的一股链称为模板链（template strand）或称反义链（anti-sense strand），另一股链因与合成的 RNA 有相同的编码而称为编码链（coding strand）或称有意义链（sense strand）。生成的 mRNA与模板链是互补的，与编码链完全相同，只是其中以 U 代替了 T。

2、,3,5,1.RNA 聚合酶,（1）原核生物的 RNA 聚合酶（2）真核生物的 RNA 聚合酶,RNA 聚合酶催化底物合成时形成磷酸二酯键。合成的方向是 53：即 RNA 聚合酶是沿着模板链的 3 5 方向移动。RNA 聚合酶需要的条件：（1）模板 双链 DNA 或单链 DNA 均可作模板；（2）活化的底物 需要 4 种三磷酸的核苷酸，ATP、GTP、UTP 及 CTP 为反应底物；（3）二价金属离子 主要是 Mg2+和 Mn2+。,RNA 聚合酶,PPi,由RNA聚合酶催化的链延长反应的机制,R,H,O,OH,H,HO,H,2,C,碱基,H,H,O,H,O,OH,H,HO,H,2,C,碱基,

3、H,H,O,H,O,OH,H,H,2,C,碱基,H,H,-,O,P,O,O,O,R,D,N,A,板,链,模,D,N,A,板,链,模,O,-,O,O,O,P,-,-,P,O,O,O,O,P,O,-,O,H,O,OH,H,HO,H,2,C,碱基,H,H,（1）原核生物的 RNA 聚合酶,大肠杆菌的 RNA 聚合酶（450Ku）它由 4 种，5个亚基组成。整个酶的亚基组成是2，称为 全酶。没有亚基的 RNA 聚合酶称为核心酶。全酶的作用是识别起始，而核心酶的作用是延长转录及辨认转录终止。,各亚基的作用,亚基 决定哪些基因被转录；亚基 与转录过程有关（催化）；亚基 结合 DNA 模板（开链）；亚基 辨

4、认起始点，参与解开 DNA 双链，找到模板链。,（2）真核生物的 RNA 聚合酶,在真核生物中则有 3 种类型的 RNA 聚合酶。RNA 聚合酶:定位核仁，转录18S、5.8S 和 28S rRNA。RNA 聚合酶:定位核原生质，转录 mRNA 前体和 hnRNA。RNA 聚合酶:定位核原生质，转录 tRNA 和 5S RNA。,RNA 聚合酶含有两个核苷酸结合位点,起始部位 结合底物 ATP 或 GTP，所以被转录的模板 DNA 第一个碱基通常是TTP（胸腺嘧啶）。转录与复制不同，不需要引物，因而合成的 RNA 第一个核苷酸常常是 5pppA 或 5pppG。延伸部位 结合下一个核苷酸底物。

5、,酶与模板的辨认结合,转录是不连续、分区段进行的。每一转录区段可视为一个转录单位，包括若干个结构基因及其上游（upstream）的调控序列。RNA 聚合酶结合到特异 DNA 序列上（调控序列中，称为启动子，promoter）。,转录起始时，RNA 聚合酶结合在被转录的 DNA 区段上，结合的特定部位称为启动子（promoter）。它是 20 至 200 个碱基的特定顺序。通常将 DNA上被转录的第一个碱基以十1 代表；第二个为 十2。十1 之前的碱基为 1，第二个为-2，。启动子的位置在被转录碱基之前所以顺序号均为负。习惯上也将+1 以下的转录方向称“下游”，-1 以上称“上游”，启动子在转录

6、单位的上游区。,启 动 子,原核生物的启动子,存在两个共同的顺序：-10 顺序 也称为 Pribnow 顺序（pribnow box）,基本顺序：TATAATG。被看作是双螺旋打开,形成启动复合物的区域。-35 顺序 被认为是酶结合的起始部位。,RNA po与 35 区辨认结合后，酶向下游移动，到达 10 区，酶已跨入了转录起始点，形成相对稳定的酶DNA复合物，就可以开始转录。,反义链（模板链）3,5,有意义链（编码链）5,3,A,原核生物启动子模式图,存在两个共同的顺序：-25 区 有 TATA 盒，又称为 Hogness盒，基本上都由A、T 碱基所组成，其功能与聚合酶的定位有关，DNA 双

7、链在此解开，并决定转录的起始位点。-75区 有CAAT盒，其一致的序列为GGTCAATCT，CAAT 盒与转录的起始频率有关。除启动子外，真核生物基因组中还有一个称为增强子（enhancer）的序列，它能极大地促进启动子的转录活性。,真核生物的启动子,能在很远距离（大于几kb）对启动子产生影响；无论位于启动子上游或下游都能发挥作用。,增强子作用的主要特点,（二）以DNA为模板合成RNA的过程,1.原核生物的转录 2.真核生物的转录,（1）转录起始,当 RNA 聚合酶的亚基找到其识别位点时，全酶就与启动子的-35 区序列结合形成一个封闭的启动子复合物。在这一区段，酶与模板的结合很松弛，酶随即移向

8、-10 区，并跨入了转录起始点，形成开放的启动子复合物。底物 ATP 或 GTP 与RNA 聚合酶起始部位结合，延伸部位结合下一个核苷酸。生成第一个磷酸酯键之后，因子从全酶解离下来，核心酶在 DNA 链上向下游滑动，进入延长阶段。,1.原核生物的转录,（2）转录延长,转录延长的化学反应，在原核生物和真核生物之间没有太多的区别，只是催化的 RNA 聚合酶不同。转录的延长在“转录泡”上进行，转录泡（transcription bubble）是一个含有核心酶、DNA 和新生 RNA 的区域，在这个区域里含有一段解链的 DNA“泡”。在转录泡里，杂交链中生成的 RNA 3-OH 不断结合新进来的核糖核

9、苷三磷酸，使链不断延长。,转录示意图(1),恢复螺旋,解螺旋,转录示意图(2),编码链,模板链,转录时，DNA 双链中约有 17 个 bp 被解开。原核生物延长速率大约是每秒钟 50 个核苷酸，转录泡移动 170nm 的距离。在“泡”里新合成的 RNA 与模板 DNA 链形成一杂交的双螺旋，此段双螺旋长约 12 bp。在 RNA 聚合酶沿着 DNA 模板移动的整个过程中形成的 RNA-DNA 杂交链的长度及 DNA 未解开的区域长度均保持不变。这表明：在 RNA 聚合酶后面的 DNA 重新形成螺旋的速率和前面螺旋被酶解开的速率是一样的。,RNA 聚合酶没有核酸外切酶活性，不能对进入RNA 链的

10、核苷酸进行校正，所以转录的错误频率是每 104 或 105 中有 1 个错误，是 DNA 复制中错误的 105 倍。这种准确性虽较 DNA 复制低，但由于 RNA 转录产物很多，极少数有缺陷的转录产物不会产生有害的影响。,转录的错误频率,说明在同一DNA模板上，有多个转录同时在进行。在RNA链上观察到的小黑点是多聚核糖体，即一条mRNA链连上多个核糖体，可见转录尚未完成，翻译已在进行。真核生物有核膜把转录和翻译隔成不同的细胞内区间，因此没有这种现象。,在电子显微镜下观察原核生物的转录现象,DNA双链,正在生长的RNA链,（3）转录终止,RNA 聚合酶，遇到 DNA 中的转录终止信号终止子（te

11、rminator）时，RNA聚合酶不再前进，转录产物 RNA 链从转录复合物上脱落下来，就是转录终止。,其一：是富含 GC，转录产物极易形成二重对称性结构；其二：是紧接 GC 之后有一串 A（大约6个）。因此，按此模板转录出来的 RNA 以几个 U 残基而结束，极易自身互补，形成发夹状结构。该结构可使 RNA聚合酶减慢移动或暂停 RNA 的合成。,原核生物模板终止子的显著特点,模板链,编码链,A.,B.,2.真核生物的转录,上游 DNA 序列，统称为顺式作用元件。能直接或间接辨认、结合转录上游区段 DNA的蛋白质，统称为反式作用因子。转录因子 真核生物转录往往需要多种蛋白因子的协助，这些蛋白因

12、子统称为转录因子，它们与 RNA聚合酶形成转录起始复合物，共同参与转录起始的过程。,（1）转录起始,（2）转录终止,目前，真核生物转录终止过程仍不清楚。,转录示意图（1）,转录泡,恢复螺旋,解螺旋,转录示意图(2),编码链,模板链,（三）以RNA为模板合成RNA的过程,在有些生物中，RNA 可以是遗传信息的基本携带者，并能通过自我复制合成出与其自身相同的分子。如某些 RNA 病毒，（+链-链+链RNA复制产物，具有感染作用）正常兔的网织红细胞也存在一种 RNA 复制酶。,（四）RNA的转录后加工,1.mRNA 的转录后加工 2.tRNA 的转录后加工 3.rRNA 的转录后加工 4.核酶,在一

13、些病毒中存在基因重叠的现象。,A 基因,B,C,D,E,J,F,G,H,K,基 因 重 叠,真核生物许多基因是不连续的，或称断列基因（split gene），即一个完整的基因被一个或多个插入的片段所间隔。这些插入片段可有几百乃至上千个碱基，它们不编码任何蛋白质分子或成熟的 RNA。把这些插入而不编码的序列称为内含子（intron），而把被间隔的编码蛋白质的基因部分称为外显子（extron）。,不连续基因,DNA 的转录所转录的基因信息包括内含子和外显子部分。因而转录出来的所有 RNA 都必须经过加工，除去其中的内含子，并经复杂的修饰才能成为成熟的各种 RNA，如其中的 mRNA 成熟后才能成为

14、合成蛋白质的模板。,1.mRNA的转录后加工,（1）原核生物 mRNA 的转录后加工（2）真核生物 mRNA 的转录后加工,原核生物的 mRNA 通常不用修饰，因生成的 mRNA 高度不稳定，当 mRNA 的 3 末端合成尚未完成时，5 末端已经开始降解。就是说 mRNA 的转录和翻译是同步发生的，mRNA 仅仅合成一部分时，翻译就开始了。,（1）原核生物 mRNA 的转录后加工,（2）真核生物的mRNA的转录后加工,真核生物的 mRNA 的转录后，先加上“帽子”和接上“尾巴”，后除去内含子。真核生物 mRNA 前体物的剪切加工，包括内含子的剪除、留下的片段拼接为成熟 mRNA 等过程，故称为

15、 RNA 剪接（RNA splicing）。整个剪接过程完成后，5 端的“帽子”和 3 端的“尾巴”并不丢失。,真核生物mRNA前体的剪接过程,2.tRNA的转录后加工,（1）原核生物的 tRNA转录后加工（2）真核生物的 tRNA转录后加工,原核生物 tRNA 的成熟过程较为复杂，包括切割与核苷酸的修饰。多数 tRNA 的前体约比成熟分子大 20，在 5 和 3 端都含有多余的顺序。有些 tRNA 基因的转录前体很大，它包含两个或更多的由内含子分隔的 tRNA 顺序。有些 tRNA 前体在 3 端没有 CCA 基，在成熟过程中需要加一个 CCA（氨基酸结合部位）。所有 tRNA 分子中都含有

16、百分率很高的所谓“稀有碱基”，这些稀有碱基的形成是在转录后与切割同时完成的。,（1）原核生物的tRNA转录后加工,（2）真核生物的 tRNA 转录后加工,3.rRNA的转录后加工,（1）原核生物的 rRNA 转录后加工（2）真核生物的 rRNA 转录后加工,大肠杆菌的 rRNA 是由 3 种 rRNA 丛集在一起形成一个转录单位，彼此由间隙区（内含子）分隔开来。现在证明，在间隙区中还存在着 tRNA。这些 rRNA 和 tRNA 基因同时转录，形成一个长的RNA 分子。在原核生物中，加工修饰与转录是同时进行的，因此在细胞内从来不存在完整的前体分子。,（1）原核生物的 rRNA 转录后加工,原核

17、 rRNA 前体的加工,甲基化,6500个核苷酸,核酸内切酶RNase、P,核酸外切酶,在典型的动物细胞，核仁之中有一段几百个拷贝的 DNA 顺序（核糖体 DNA 或 rDNA）编码 18s、5.8s 和 28s rRNA 分子。5s rRNA 基因位于核仁之外，处在另一个转录单位中，基因长 24 000 个拷贝。所有的 rRNA 转录物都需要加工，过程与原核相似，即剪切 5 和 3 末端和切除转录物中不需要的区域。,（2）真核生物的 rRNA 转录后加工,真核rRNA前体的加工,4.核 酶,概念 把有酶促活性的 RNA 命名为核酶（ribozyme）。发现 1982 年塞克（TCech）及其

18、同事发现四膜虫 rRNA 的前体长4.6kb，必须除去一段 414bp 的内含子，才能产生成熟的 26s rRNA。只需核苷酸存在下，RNA就能剪接自身或自我剪切（自己接合），即RNA分子本身具有高度的专一性和催化活性。,核酶的催化机理,（1）3-OH 的产生（2）414 核苷酸的内含子释放（3）15 核苷酸片段的释放（4）395 核苷酸环的形成（5）环的打开,G-P,G,G,G-OH,早期 RNA 世界,在脱氧核糖核酸和蛋白质出现之前，生命进化的早期存在着一个 RNA的世界，这些 RNA 分子集信息编码和催化功能于一身。经过亿万年的衍变进化，开始合成蛋白质。由于蛋白质有 21种氨基酸侧链，比 RNA 的4个碱基更具多样性，于是逐步替代 RNA 形成催化活性更高的酶。由RNA 衍变，出现反转录开始形成脱氧核糖核酸。由于脱氧核糖核酸的双螺旋比单链的 RNA 更稳定，因此替代 RNA 成为遗传信息稳定的贮藏所，成为今天专司遗传信息编码的载体。,思考题,1.简述转录的起始、延长和终止过程。2.简述RNA聚合酶的组成及其作用。3.试述原核生物与真核生物启动子结构和功能的异同。4.RNA转录后加工有几种常见形式？5.真核生物mRNA转录后加工包括哪些内容？6.什么是核酶？其发现有何重要意义？,