RNA转录与转录后加工.doc

第7章 RNA转录与转录后加工1 本章主要内容1) 转录的基本概念2) 大肠杆菌RNA聚合酶及其转录3) 真核生物的RNA聚合酶及其转录4) RNA的转录后加工和反转录2 教学目的和要求通过本章学习，掌握转录的基本概念，原核转录的主要参与者（RNA聚合酶和启动子）以及原核转录的过程（起始、延伸和终止）。1) 掌握真核转录的三种主要RNA聚合酶、所转录的基因类型和参与转录过程各种因子等。2) 了解不同前体RNA的加工机制。3) 了解反转录的特点3 重点难点1) 转录2) 大肠杆菌RNA聚合酶、原核转录的过程3) 真核生物的RNA聚合酶、真核转录过程、转录因子4) RNA的转录后加工、反转录4 教学方法与手段讲授与交流互动相结合，采用多媒体教学。5 授课内容1) RNA转录概述2) 细菌基因的转录3) 真核生物的转录4) RNA的转录后加工5) RNA的反转录第一节 RNA转录概述 一、 信使的发现 1955年Brachet用洋葱根尖和变形虫进行实验： 若加入RNA酶，则蛋白质合成就停止； 若再加入来自酵母的RNA，又可合成蛋白质。 这表明什么？ 同年Goldstein和Plaut用同位素标记变形虫RNA前体 发现标记的RNA在核内。 标记追踪实验：经过一段时间又发现被标记的RNA在细胞质中， 这表明什么？ 1956年E. Volkin和 L.Astrachan： 用同位素脉冲一追踪标记 表明T2噬菌体新合成的RNA的碱基比和自身的DNA碱基比相似，而和细菌的碱基比不同。T2感染细菌时注入的是DNA，而在细胞里合成的是RNA。 这表明什么？ 最令人信服的证据是Hall.B.D和Spiegeman,S的DNA-RNA的杂交实验： 将T2噬菌体感染E.coli后产生的RNA分离出来，分别与T2和E.coli的DNA进行分子杂交。 结果这种RNA只能和T2的DNA形“杂种”链，而不能和E.coli的DNA进行杂交。Jacob和Monod预言:（1）这种“ 信使”应是一个多核苷酸；（2）其分子平均不小于5105bp,足以携带一个基因的遗传信息；（3）它们至少是暂时连在核糖体上；（4）其碱基组成反映了DNA的序列；（5）它们能高速更新。 Jacob和Monod将它定名为: 信使RNA (Messenger RNA) 或mRNA。二、 几个基本概念 转录(transcription):是指以DNA为模板，在依赖于DNA的RNA聚和酶催化下，以4种rNTP（ATP、CTP、GTP和UTP）为原料，合成RNA的过程。 在有些病毒中，RNA也可以指导合成RNA。 转录是基因表达的第一步，也是最关键的一步。三、 RNA合成的基本特点 1960年Weiss,S,B等发现RNA聚合酶(RNA Pol)。其特点是：（1）以核糖核苷三磷酸（rNTR）为底物；（2）以DNA为模板；（3）按5-3方向合成；（4）无需引物的存在能单独起始链的合成；（5）第一个引入的rNTP是以三磷酸形式存在；（6）在体内DNA双链中仅一条链作为模板；（7）RNA的序列和模板是互补的。确定有义链 1963 J.Marmur和Doty Spiegelnan区分有义链。采用枯草杆菌的SP8噬菌体为材料，SP8 DNA 双链有“ 轻”、“ 重”差异明显。 现在将作为转录模板的DNA单链称为模板链或反义链（antisen strand）， 非模板链称为有义链（sense strand）或编码链。 在体外DNA的两条链都可作为RNA合成的模板。 怎样用实验证实mRNA的合成总是延着5- 3方向进行的？ E.coli在 0C时需13秒钟才能加上一个核苷酸，但在37C每秒就可加上40个核苷酸; 利用这个差别以14C来标记U, 在0C培养E.coli，。 提取这种正在伸长的mRNA分子,发现 14C标记首先出现在伸长的3端，因此可以证明合成是延着5-3方向进行的。四、 RNA合成和DNA复制的区别(1) 转录时只有一条DNA链为模板，而复制时两条链都可作为模板；(2) DNA-RNA杂合双链不稳定，RNA合成后释放，而DNA复制叉形成后一直打开，新链和母成子链；(3) RNA合成不需引物,而DNA复制需引物；(4) 转录的底物是rNTP，复制的底物是dNTP；(5) 聚合酶系不同。第二节 细菌基因的转录 一、 细菌的RNA聚合酶1. 全酶 (Holo Enzyme)和核心酶(Core Enzyme) (1) 全酶（Holo Enzyme） 用于转录的 依靠空间结构与DNA模板结合 (与核心酶结合后引起的构象变化) 专一性地与DNA序列(启动子)结合 结合常数：1014mol 半衰期：数小时 （107mol 1秒以下） 转录效率低，速度缓慢（ 的结合 ）（2）核心酶（Core Enzyme） 作用于转录的延伸过程（终止） 依靠静电引力与DNA模板结合（蛋白质中碱性基团与DNA的磷酸根之 间） 非专一性的结合（与DNA的序列无关） 结合常数：1011mol 半衰期：60秒E.Coli RNApol 的亚基组成core enzyme （3）全酶的组装过程 此外，新发现的一种亚基的功能尚不清楚。2. 各亚基的特点和功能（1） 因子 因子可重复使用 修饰RNApol构型 使Holo Enzyme 识别启动子的Sextama Box(35区), 并通过与模板链结合E.coli中不同的s因子可识别不同的启动子（2）因子 核心酶的组建因子 促使RNApol 与DNA模板链结合 前端因子使模板DNA双链解链为单链 尾端因子使解链的单链DNA重新聚合为双链（3）因子 完成NMP之间的磷酸酯键的连接; Editing 功能 (排斥与模板链不互补的碱基); 与Rho （）因子竞争RNA 3end; 构成Holoenzyme 后,因子含有两个位点; I site (initiation site . Rifs): 该位点专一性地结合; ATP或者GTP (需要高浓度的ATP或GTP); E site(elongation site RifR): 对NTP非专一性地结合（催化作用和Editing功能）.（4） 因子参与RNA非模板链（sense strand）的结合 （充当SSB） 有义DNA链结合位点（ 亚基提供） DNA/RNA杂交链结合位点（亚基提供） 双链DNA解链位点（前端 亚基提供） 单链DNA重旋位点（后端亚基提供） 因子作用位点 原核生物RNApol (Core) 的结构与功能RNA pol 执行多种功能(1) 识别DNA双链上的启动子；(2) 使DNA变性在启动子处解旋成单链；(3) 通过阅读启动子序列，RNA pol确定它自己的转录方向和模板链；(4)最后当它达到终止子时，通过识别停止转录。二、 原核生物转录的起始延伸1启动子（promoter）的结构和功能 启动子(promoter)：是指DNA分子上被RNA聚合酶识别并结合形成起始转录复合物的区域 ，它还包括一些调节蛋白因子的结合位点。 启动子由两个部分组成l 上游部分 CAP-cAMP结合位点： （基因表达调控的正控制位点） CAP（catabolite gene Activator Protein）降解物基因活化蛋白，环腺苷酸（cAMP）的受体蛋白l 下游部分 RNApol的进入（结合）位点 35 10 包括识别位点和结合位点（R B位点）2 RNA聚合酶的进入位点（1）Sextama 框（Sextama Box） -35序列，RNA聚合酶的松弛（初始）结合位点 RNA聚合酶依靠其亚基识别该位点， 为转录选择模板识别位点（R位点） 大多数启动子中共有序列为 T82T84G78A65C54A45 重要性:很大程度上决定了启动子的强度（RNApol 的因子）（2） Pribonow 框（Pribonow Box） -10序列是由Pribnow和Schaller（1975）发现，故也称为Pribnow框盒（Pribnow box）。 -10序列，RNA聚合酶的牢固结合位点 结合位点（B位点） 一致序列：T80A95T45A60A50T9（TATPUAT），因此又称TATA Box 位置范围 4 到13（3）转录起始位点（I） 1位点 RNA聚合酶的转录起始位点 转录开始时模板上的第一个碱基在原核中常为A或G 而且位置固定典型启动子的结构3起始过程(1) 全酶与模板DNA接触，生成非专一的,不稳定的复合物在模板上移动；(2) 起始识别：全酶与35序列结合，产生封闭的酶-启动子二元复合物（closed binary complex）；(3) 全酶紧密地结合在-10序列处，模板DNA局部变性，形成开放的启动子二元复合体；(4) 酶移动到I，第一个rNTP转录开始,因子释放,形成酶-启动子-rNTP三元复合体（ternary complex）。图起始过程图RNA核心酶和全酶在DNA上的分布: 和1/3的RNA pol结合成全酶，或在非特异位点的松散复合体中，或在启动子中的二元复合体中； 其中半数的核心酶从事转录； 余下的核心酶大量存在于闭合松散复合 体中； 估计数量很少的全酶是游离的。4RNA链延伸三 原核生物转录的终止1 终止子的种类（1） 不依赖 因子的终止子(内在终止子) ： 体外实验中，只有核心酶和终止子就足以 使转录终止（2） 依赖因子的终止子：蛋白质辅助因子 因子存在时，核心酶终止转录 两者有共同的结构特征（序列差异）不依赖 因子的终止子(强终止子) 结构特征: 一是形成一个发夹结构 茎. 720 bp的IR序列形成（富含G/C） 环.中间不重复序列形成 发夹结构的突变可阻止转录的终止 二是6 8 个连续的U串(发夹结构末端)、依赖 因子的终止子a 结构 IR序列中的 GC 对含量较少 发夹结构末端没有固定特征b 靠与的共同作用而实现终止2 原核生物转录的终止（1）不依赖因子的终止子终止转录新生RNA链发夹结构形成 造成高度延宕（典型的有60秒左右）RNApol暂停为终止提供了机会 ，6 8个连续的U串可能为RNApol与模板的解离提供了信号 RNADNA之间的 rUdA 结合力较弱 于是：RNADNA解离 三元复合体解体 RNApol解离 转录终止真正的终止点不固定，在 U串中的任何一处IR序列和U串同等重要 IR中的GC对含量的减少 U串的缩短或缺失DNA上与U串对应的为富含AT的区域 说明：AT富含区在转录的终止和起始中均起重要的作用（2）依赖 因子的终止子终止转录 通读（read through）： 因子的转录终止过程中， RNApol 转录了 IR 序列之后，虽发生一定时间的延宕，但如果没有 因子存在，则RNApol 会继续转录因子 a、活性形式为六聚体 促进转录终止的活性，NTPase 活性 b、RNA长度大于50nt时，依赖RNA的NTPase活性最大 说明：因子识别和结合的是RNA因子对终止子的作用a、因子与RNA结合（终止子上游的某一处，RNA的5端 ）b、因子沿RNA从53移动（NTP水解供能）（终止子处的较长时间的延宕给因子追赶的机会）c、因子与 RNApol 相互作用而造成转录的终止RNA Pol转录DNAl 因子附着到RNA识别位点上 l 因子跟在R NA Pol 后沿RNA移动 l RNAPol在终止位点停下，并被因子追上l 在转录泡中因子使DNA-RNA杂种双链解开 l 转录终止,释放出RNA Pol, 子和RNA终止反应还需要 RNA 与 DNA 的相互作用 即 ： 需要一定的RNA序列 因为：其与模板的结合力必须弱到一定数 值，才能配合因子与 RNApol 的作用 （发夹结构下游的AU序列） 序列不同的终止子不同的终止程度基因表达调控的途径之一 要点回顾几个基本概念5-GCAGTACATGTC-3编码链 DNA3-CGTCATGTACAG-5模板链5-GCAGUACAUGUC-3 mRNAN -Ala-Val-His-Val-C 蛋白质 不对称转录 1.DNA双链上，一股链可转录，另一股不转录。2.有意义链与反意义链并非固定不变。3.转录方向都是5 3u 原核生物的RNA转录 原核生物RNA聚合酶大肠埃希菌RNA聚合酶的组成（1）全酶(holoenzyme) 由4种(5个)亚基2组成（2）核心酶(core enzyme) 2 ，参与转录的全过程（3）亚基 亦称因子（ factor)转录辅助因子 识别启动子，不参与转录过程 转录过程(起始、延长、终止) DNA模板启动子（promoter）1)概念: 转录开始时能与RNA全酶结合的DNA顺序（双链）2)原核生物启动子的特点:DNA序列在转录起始点的5端区(上游区)-10bp处 -TATAAT- (Pribnow box)-35bp处 -TTGACA- (Sextama Box) 起始过程v 封闭的酶-启动子二元复合物（closed binary complex）；v 开放的启动子二元复合体（opened binary complex） ；v 酶-启动子-rNTP三元复合体（ternary complex）。 终止终止的方式 -因子的作用 与新生RNA结合ATP供能 -因子沿新生的RNA单链推进 新生的RNA单链从DNA模板上分离下来第3节 真核生物的转录 一 真核生物的RNApol 1真核生物的RNApol2位置和转录产物l RNApol 核仁 活性所占比例最大 转录rRNA（7.8S、18S、 28S）l RNApol 核质 主要负责 hnRNA、snRNA 的转录 hnRNA（mRNA 前体，核不均一RNA heterogeneous nuclear RNA） snRNA（核内小分子 RNA ， small nulear RNA)表6-2 真核生物的三种RNA聚合酶的特点RNA Pol位置产 物相对活性%对-鹅膏蕈敏感Pol核仁28S,18S,7.8S rRNAs5070不敏感Pol核质hnRNA, mRNA,某些SnRNA2040高度敏感Pol核质tRNA, 5SrRNA,某些SnRNAs10片段特异,中等敏感3亚基组成： RNA聚合酶、都由多个亚基组成。有些亚基是三种酶所共有。 mRNA是各种RNA中寿命最短、最不稳定的，需经常重新合成。因此RNA聚合酶是三种酶中最活跃的。表6-3 真核生物聚合酶的成分及功能4RNApol亚基组成：分子量500KDa,含两个大亚基和 712 个小亚基l 大亚基中有 C 末端结构域 (carboxy terminal domain，CTD)l CTD中含一保守氨基酸序列的多个重复l TyrSerProThrSerProSer C 端重复七肽，l 不同生物中重复数目不一 样（酶活性）二 真核生物的启动子三种 RNApol 三种转录方式 三种启动子 三类基因，类 类 类 1、RNApol 的启动子型启动子 2、RNA pol的启动子型启动子 3、RNApol 的启动子型启动子1RNApol的启动子即型启动子 结构最复杂 位于转录起始点的上游, 由多个短序列元件组成 通用型启动子（无组织特异性）（1）帽子位点（cap site）：转录起始位点（2）TATA框（Hogness 框或 Goldberg-Hogness 框） 位于30处 一致序列为T82A97T93A85A63（T37）A83A50（T37） 定位转录起始点的功能 （类似原核的Pribnow框） TATA是绝大多数真核基因的正确表达所必需的。（3）CAAT框（CAAT box）（4）增强子（enhancer）（5）GC框 （GC box） 位于90附近，较常见的成分 核心序列为GGGCGG 可有多个拷贝，也可以正反两方向排列（6）其他元件：八聚核苷酸元件（octamer element OCT元件） 一致序列为 ATTTGCAT B元件 一致序列为GGGACTTTCC ATF元件 一致序列为GTGACGT 还有一些位于起始点下游的相关元件（7） 不同元件的组合情况 不同元件的数目、位置、和排列方向均有差异，例如：SV40的早期启动子中有6个GC框。真核生物启动子示意图RNApol的启动子小结： 不同启动子中每种元件与转录起始点的距离不同 不同启动子中的相应元件互相交换,形成的杂交启动子功能没有变化 各种元件将相应的蛋白因子结合到启动子上，组成起始复合物，蛋白因子间的相互作用决定了转录的起始2RNA pol启动子 即型启动子，由2部分保守序列组成： 核心启动子（core promoter）或核心元件（core element），位于-45到+20，负责转录的起始。 上游控制元件（upstream control element , UCE），从-180延伸到-107， 可增加核心元件的转录起始的效率。 3. RNApol 启动子（1） 分为二类，每种识别方式不同 a、 下游启动子（内部启动子） 位于转录起始点的下游 5SRNA 和 tRNA基因 可分为两类 b、 上游启动子 snRNA（2）内部启动子的发现最早发现于非洲爪蟾的5S rRNA基因 试验设置： 非洲爪蟾的卵母细胞提取液作为体外转录体系，进行缺失试验 以不同长度的5S rRNA基因为模板进行转录 。结果：缺失55以前和缺失80以后的序列都能正常转录，缺失55到80序列不能转录。结论： 5S rRNA基因的启动子位于基因内部 该启动子可使RNApol在其上游的55bp处起始转录（3）内部启动子分为两类均含两个短序列元件，中间由其他序列隔开第一类： 含A框和C框（5S rRNA基因）第二类： 含A框和B框（tRNA基因、VARNA基因）间隔序列长短差异很大其中内部启动子起被 RNApol 识别的作用图6-23 真核RNAPol 的基因内启动子和基因外启动子三 真核生物转录的起始 三种RNApol均没有对启动子特异序列的识别能力 转录起始过程需要很多的辅助因子(转录因子)参与, 并且按一定顺序与DNA形成复合物，协助RNApol定位于转录起始点。 RNA聚合酶催化的转录起始 RNA聚合酶催化各种前体mRNA的合成 需要多种TF参与：TFA-J 真核生物的转录起始是在转录因子(TF)的协助下，RNA聚合酶辨认结合转录起始点上游的DNA序列 (启动子)，生成起始前复合物。RNA pol 的转录起始 RNApol 的转录起始 需要二种辅助因子：UBF1 、SL1 RNApol 的转录起始表6-6 RNA pol 启动子的转录因子的结构和功能因子结 构功 能TFA38Kda,有9个锌指结合于1型内部启动子(5sRNA基因)的C框,使C结合在C框下游，辅助B定位结合TFB含TBP和另外二种蛋白定位因子，使Pol结合在起始位点上TFC含A和B,有5个亚基B结合型内部启动子(tRNA基因)的B框，起增强子的作用。A结合A框，起启动子的作用；辅助 B定位结合TBP是B,D, SL1的亚基和特异DNA序列及RNA Pol结合，使Pol结合，在正确的位点上TFD含TBP亚基结合TATA框，确定选择Pol PBP次近端结合蛋白可能和D一道辅助 B定位结合的另一途径 TBP 的作用 所有 RNApol的转录起始都需要TBP 在 RNApol的转录起始过程中,TBP是SL1的组份，起定位RNApol的作用 RNApol的转录起始由TBP识别TATA框 在 RNApol 的转录起始过程中,TBP起定位RNApol 的作用 TBP 起定位作用,所以又称定位因子（positioning factor）四 转 录 延 伸 Transcription Elongation1. 起始到延伸的转变始于第一个磷酸二酯键的形成 伴随着DNA分子和酶分子构象的变化 （1）Prok. 起始时，因子有利于 和 亚基具有与DNA专一性结合所要求的构象 起始后, 因子解离, 和 亚基构象发生变化 （2）Euk. 多种辅助因子的共同作用来保证这一转变 2 延伸过程Prok. 酶与产物RNA不解离 底物NTP不断加到RNA链的 3-OH 端 形成一个磷酸二酯键后，核心酶向前滑动 延伸位点不断地接受新的NTP，RNA链不断延伸 始终保持三元复合物的结构 转录泡l RNApol 结合和转录的DNA模板区域，有17bp左右l DNA形成解链区l 转录泡处杂交双链很短 胰脏 RNAase 其长度10bp（不准确） 推测也就两个核苷酸左右 拓扑学问题RNA合成过程中，转录泡两端要发生拓扑转变 RNApol 的前沿.解螺旋作用 RNApol 后端.DNA的螺旋化 （保持解链区长度约17核苷酸左右） 超缠问题的解决靠DNA旋转酶 RNA-DNA杂交链也要求作旋转运动 转录过程中的延宕a RNA的合成速度大约 30 50 个核苷酸秒, 与蛋白质的合成速度相近（15个AAsec） b 模板DNA中GC 的存在（GC后的 810 个核苷酸） 延宕作用在RNA链的终止和释放中起重要作用五 转录的终止Transcription termination l 终止过程： 酶停止添加底物释放RNA链酶解离l 终止反应杂合双链的氢键断裂， 重新形成双螺旋，酶的解离。l 终止子（terminator）：在转录的过程中，提供转录终止信号的RNA序列l 真正起终止作用的是RNA序列，与启动子不同l Prok.和Euk. 都具有一种基因表达调控的手段复习原核生物的转录终止真核生物的终止子及转录终止 了解很少（3 末端） 1、RNApol的终止子类似Prok.不依赖因子终止子，终止可能靠RNApol本身完成 SV40的终止子: 发夹结构 U串2、 RNApol的终止子类似原核生物（发夹结构 U串） U串位于发夹结构的顶端 且保守性很强（酵母人） 环和柄对转录的终止同等重要小 结1、真核生物RNApol： 种类及各自转录的基因 亚基组成2、RNApol的启动子3、RNApol I的启动子4、RNApol的启动子5、转录的起始 三类启动子的转录因子6、转录的延伸7、转录的终止第4节 RNA的转录后加工转录后的加工 (posttranscriptional modification)是指将各种前体RNA分子加工成成熟的各种RNA。加工（processing）有三种形式： （1）减少部分片段：如切除5端前导序列， 3端拖尾序列和中部的内含子；（2）增加部分片段：5加帽，3加poly(A), 归巢和通过编辑加入一些碱基；（3）修饰：对某些碱基进行甲基化等。表6-10 RNA加工反应的分类一 tRNA和rRNA的加工1原核的 tRNA和 rRNA的加工参与蛋白质合成的tRNA和rRNA都不是最初的转录产物(1) 它们的5端都是单磷酸，而原始的转录产物5应是三磷酸；(2) 分子比初始转录物小；(3) tRNA含有特殊的碱基，这些碱基只有通过一些化学修饰才可以得到。 (一) tRNA的加工 原核的tRNA初始转录本多为多顺反子（polycistron），也就是几个tRNA分子串连在一起。 这有三种不同的情况：串联的tRNA分子都是相同的，如在27的tRNATyr-tRNATyr；串联的tRNA分子是不同的，如71的tRNAIle-tRNAAla-tRNAThr；由tRNA和rRNA串联组成。 少数的tRNA前体为单顺反子（monocistron） 图6- 三种tRNA前体分子tRNA的加工分成4个阶段：(1) “斩头”，形成5末端；RNaseP内切酶(2) 去尾，形成3-OH末端； RNaseF，RNaseD(3)缺-CCA的tRNA要用tRNA核苷酰转移酶加-CCA。 (4)修饰：通过甲基化酶，硫醇酶，假尿嘧啶核苷化酶等进行修饰，如氨基酸臂的4-硫尿苷(4tu), D臂的2甲基鸟苷(2mG)，TC臂的假尿苷()和反密码子环上的2异戊腺苷(2ipA) 图6- 三种tRNA前体的剪切 图6- tRNA 前体特殊碱基修饰(二) rRNA的加工 在E.coli中rRNA有7个转录单位,名为rrnA-G. rRNA序列是保守的,每个转录单位都含有等比例的16S、23S、5S RNA及一个或几个tRNA。 每个转录单位转录成单个的RNA前体分子，经剪切后变成为成熟的RNA的分子。 rRNA前体的加工是由RNase 负责的。2真核的tRNA和rRNA的加工 (一) tRNA的加工真核tRNA的基因和原核不同：(1)真核的前体分子tRNA是单顺反子，但成簇排列，基因间有间隔区；(2)真核tRNA基因一般都比原核tRNA基因多得多，如酵母约有400个tRNA基因；(3) 5端单磷酸核苷酸，表明已被加工过；(4) tRNA的前体分子中含有内含子。真核tRNA内含子的特点：位置相同，都在反密码子环的下游；不同tRNA的内含子长度和序列各异；外显子和内含子交界处无保守序列；内含子的剪切是依靠RNase异体催化；内含子和反密码子配对形成茎环， 有何意义？酵母tRNAPhe内含子的结构真核tRNA的加工和原核的区别：真核tRNA前体中无二聚体和多聚体；增加了剪接内含子的过程；)都要加CCA。 真核tRNA的加工多以酵母为材料进行研究。同样通过诱变可以获得tRNA加工的温度敏突变型，来获得未加工的tRNA前体，然后在体外加入野生型酵母细胞的抽提物和ATP来观察， 结果发现酵母tRNA的加工主要分成二步：切除内含子；连接外显子 1. 内含子的切除 酵母tRNA在未处理前先进行凝胶电泳，结果只显示一条带，且跑得较慢，表明此为tRNA的前体分子； 当加入核酸内切酶后无需加入ATP，反应后再走电泳，结果出现二条带，一条是剪切后游离出的内含子，另一条是互补的外显子，称为tRNA的半分子（tRNA half-molecules）。 图6- 酵母tRNA在体外的剪切真核tRNA内含子切除的特点：(1)没有交界序列，也没有内部引导序列；(2)剪切反应的信号是二级结构，而不是 一级结构；(3)是依赖于蛋白质性的RNase，而不是核 糖拟酶或snRNP；(4)反应的本质不是转酯反应。酵母tRNA前体内含子3和5端的剪切是由内切酶的不同亚基催化的。亚基Sen34, Sen15剪切3端，Sen54可能通过量度成熟结构的距离来决定5端剪切位点的位置。2.连接外显子 切除tRNA内含子的核酸酶很特殊，不是形成3-OH和5-P，而是产生了2-3环磷酸和5-OH，因此不能直接连接。 必须通过环磷酸二酯酶（phosphodiesterase）将2-3环磷酸打开，形成3-OH，2-P。此步反应无须ATP。 5端须在激酶作用下将5-OH磷酸化，再通过连接酶将两个半分子连接起来。5磷酸化需要ATP的参加。 酵母tRNA前体的体外剪切真核tRNA的加工和原核的区别(1)真核tRNA前体中无二聚体和多聚体；(2)增加了剪接内含子的过程；(3)都要加CCA。(二)真核rRNA的加工 真核生物的18S，5.8S和28S rRNA基因是串联在一起形成一个转录本，初始转录本为45S前体，5S RNA是和它们分开转录的，这和原核的rRNA基因不同。 在真核的rRNA加工中rRNA和其他的真核基因也不同，它没有内含子，因此加工时，无需剪切内含子这一步。 真核细胞中rRNA的加工途径：(1) 切除5端的前导序列,即外部的转录间隔序列（ETS）；(2) 从41S的中间产物中先切下18S的片段。Hela (人类)细胞的切点在18S和5.8S之间的内部转录间隔序列（ITS ），产物分别为20S（含18S rRNA片段）和32S。(3) 部分退火，32S中间产物（含5.8S和28S rRNA）中的5.8S和28S之间进行退火，形成发夹结构； (4) 最后修正：通过外切酶等将20S中和已退火的32S中残余的ITS切除掉。酵母rRNA前体的剪切二 前体mRNA的加工1原核生物mRNA的加工 原核生物的mRNA很少经过加工，由于转录和翻译偶联，一般情况下一边转录一边就进行翻译，中间没有可加工的间歇时间。 但在少数情况下多顺反子mRNA先被内切酶切成较小的单位再成为翻译的模板。 例如E.coli基因组上89-90处有一个操纵子含有4个基因：rplj(L10)，rplL(L7/L12)(核糖体大亚基蛋白)和rpoB(RNA聚合酶b亚基)，rpoC（RNA聚合酶的b亚基）。它先转录一个单个的多顺反子mRNA，然后经RNase将其切开，四个基因两两分开，最后再各自进行翻译。 T7噬菌体早期转录区中含有6个基因，它们同在一个转录单位中，转录后产生一个大的多顺反子mRNA，每个mRNA之间存在着茎环结构。由RNase在茎环处切开前体RNA分子，形成单个的mRNA进行翻译。 Rnase 对T7的切割和rRNA前体的切割有所不同。切点在不配对的“泡”上，而不在茎上。 T7噬菌体早期区转录单条前体RNA，经RNase 剪切成5条成熟的mRNARNase 在T7茎环上的典型切割位点(GENES VI Fig 12.47)2真核mRNA前体的加工mRNA前体分子的加工主要是真核mRNA。(一)核内不均一RNA（heterogenous nuclear RNA,hnRNA）l 在真核细胞核内可以分离到一类含量很高，分子量很大但不稳定的RNA，称为核内不均一RNAl 平均分子长度为8-10Kb(2Kb14Kb)左右.l 比mRNA的平均长度(1.8-2Kb)要大4-5倍。l hnRNA仅有总量的1/2转移到细胞质内，其余的都在核内被降解掉。 hnRNA是mRNA前体的证据是： (1) hnRNA和mRNA有相同的序列； (2) hnRNA在体外能作为模板翻译蛋白； (3) 两者5端都有帽子结构； (4)二者为相同的聚合酶所合成； (5) 两者的3端都有多聚腺苷尾巴。hnRNA的结构的特点(1)5端有帽结构； (2) 3端有poly（A）尾巴；(3)帽结构后有3个寡聚U区，每个长约30nt；(4)有重复序列，位于寡聚U区后面；(5)有茎环结构，可能分布于编码区（非重复 序列）的两侧；(6)非重复序列中有内含子区。 hnRNA的结构模型(二)真核mRNA的前体加工 真核mRNA的加工一般要经过四步： 1、 5加帽； 2、 3加尾； 3、 切除内含子； 4、修饰：对某些碱基进行甲基化。RNA的剪接图真核mRNA的加工1. 加帽l mRNA的5端的修饰是在细胞核中进行的。l 5端的一个核苷酸总是7-甲基鸟核苷三磷酸（m7Gppp）。mRNA5端的这种结构称为帽子（cap）。帽子结构功能：有助于mRNA越过核膜，进入胞质；保护5不被酶降解；m7Gppp结构能有效地封闭mRNA 5末端，以保护mRNA免受5核酸外切酶的降解，增强mRNA的稳定。翻译时供IF（起始因子）和核糖体识别。(1) 剪接前加帽 如呼肠病毒， 牛豆病毒(2) 剪切后加帽 如疱疹病毒和口炎病毒真核生物剪切前加帽的生化反应过程真核生物剪切后加帽的生化反应过程帽子的类型 在末端鸟苷的第7位上存在单个甲基化位点的称O型帽子（capO）； 在次末端核苷酸的核糖上的2-0位点上还有一个甲基位点的称1型帽子(cap 1)； 此外，在第三个核苷酸的核糖上（2-0）有甲基化位点的称2型帽子（cap2）。 这三种帽子都有特殊面对面核苷酸结构（confrontde nucleotide structure）。三种5帽结构形式图mRNA 5端的帽子位置和可被甲基化的位点2、加尾 3端-约长200bp(大多数Euk.的mRNA) （poly(A)+ poly(A)- ） 最近研究发现，原核生物的RNA转录后也有3添加poly(A) 的现象 E.coli 的poly(A)+聚合酶早在1962年就已发现 poly(A) 的功能 1）可能与核质转运有关2）与mRNA的寿命有关 3）与翻译有关 ，增强翻译效率 a、缺失可抑制体外翻译的起始 b、胚胎发育中，poly(A) 对其mRNA的翻 译有影响（非poly(A) 化的为储藏形式） c、对含 poly(A) 的mRNA 失去 poly(A) 可减弱其翻译加尾过程(1)特殊组分(CPSF)识别AAUAAA并指导其它的活性(2) 剪切因子(CF)在加尾位点 AAUAAA下游1130nt 处剪切RNA；(3)末端腺苷转移酶poly(A)聚合酶合成 poly(A)尾巴；(4)PBP与poly(A)结合，反应停止。3，端加尾三 内含子的剪接1概述(1)RNA拼接（RNA splicing） 一个基因的外元和内元共同转录在一条转录产物中，将内元去除而把外元连接起来形成成熟RNA分子的过程。 拼接点： 5 拼接点或左拼接点（内元上游） 3 拼接点或右拼接点（下游）(2)内元的分类 1982 Davies等人 中部核心结构（central core structure）:在有些内元中，含有4个重复的保守序列，长度为10 20bp，4个保守序列构成一种二级结构，在拼接中起重要作用 由于并非所有的内元都有中部核心结构，所以有了内元的分类： 类内元（group ）:含有中部核心结构的细胞器基因 核基因 类内元（group ）:不含有中部核心结构的细胞器线粒体基因 核基因 类内元 （group ）:具有 GUAG 特征的边界序列，核基因mRNA前体 tRNA基因的内元均位于 tRNA 的反密码环上(3)拼接方式 方式一：由拼接装置完成（核mRNA内元）可供识别的特异序列，拼接装置由多种蛋白质和核蛋白组成 方式二：自我拼接(两类内元、)形成特定的二级结构，RNA具有催化拼接的能力 方式三：需要蛋白质酶参与的拼接（酵母tRNA） 前两种拼接都属于转酯反应(4)核酶(Ribozyme)l 1981年T.Cech和S.Atman等在研究四膜虫rRNA时发现的；l T.Cech由核糖核酸（ribonucleic acid）和酶（enzyme）这两个词“重组”成一个新的词： “ Ribozyme”；l 是指本质为RNA或以RNA为主含有蛋白质辅基的一类具有催化功能的物质。核酶和传统酶的区别：一般的酶是纯的蛋白质，而核酶是RNA或带有蛋白的RNA；核酶既是催化剂又是底物。而酶仅催化反应。核酶发现的意义 突破了酶的概念. 是一种自体催化； 揭示了内含子自我剪接的奥秘；促进了RNA的研究。 为生命的起源和分子进化提供了新的依据。遗传信息的进化路线可能是：RNA (DNA 表达) (DNA DNA) (DNA表达) RNA RNA 表达 | | RNA病毒 反转录病毒 EB, HBV DNA病毒酶组成的进化路线可能是：纯RNA RNA为主 RNA和 蛋白为主 纯蛋白 蛋白为辅 蛋白并重 RNA为辅 核酶 RNAaseP ？ 端粒酶 一般酶类核酶-真核生物rRNA的自身剪切 四膜虫 26SrRNA 核酶（ribozyme） 应用 前体 7.4 kb 4