生物化学与分子生物学：第16章RNA的生物合成

1、RNA biosynthesis n在生物界，在生物界，RNARNA合成有两种方式：合成有两种方式： DNA指导的指导的RNA合成合成，也叫转录，也叫转录(transcription)， 此为生物体内的主要合成方式，也是此为生物体内的主要合成方式，也是本章介绍的本章介绍的 主要内容主要内容。 另一种是另一种是RNA指导的指导的RNA合成合成(RNA-dependent RNAsynthesis)，也叫，也叫RNA复制复制(RNAreplication), 由由RNA依赖的依赖的RNA聚合酶聚合酶(RNA-dependentRNA polymerase)催化，常见于病毒，是逆转录病毒以催化，常见

2、于病毒，是逆转录病毒以 外的外的RNA病毒在宿主细胞以病毒的单链病毒在宿主细胞以病毒的单链RNA为模为模 板合成板合成RNA的方式。的方式。 l原核生物转录的模板和酶原核生物转录的模板和酶 l原核生物的转录过程原核生物的转录过程 l真核生物的真核生物的RNARNA的生物合成的生物合成 l真核生物真核生物RNARNA的加工和降解的加工和降解 转录转录 (transcription)是是生物体以生物体以DNA为为 模板合成模板合成RNA的过程的过程 。 转录转录 RNADNA 与与DNADNA复制的相似处：复制的相似处： 以以DNADNA作为模板作为模板，按照，按照碱基互补配对碱基互补配对 规律规

3、律，催化，催化55到到33方向磷酸二酯键方向磷酸二酯键生成，生成， 延长延长聚核苷酸链聚核苷酸链 复制和转录的复制和转录的区别区别 A-U，T-A，G-CA-T，G-C配对配对 mRNA，tRNA，rRNA子代双链子代双链DNA （半保留复制）半保留复制） 产物产物 RNA聚合酶（聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶聚合酶酶酶 NTPdNTP原料原料 模板链转录（不对称转录）模板链转录（不对称转录）两股链均复制两股链均复制模板模板 转录转录复制复制 A-U，T-A，G-CA-T，G-C配对配对 mRNA，tRNA，rRNA子代双链子代双链DNA （半保留复制）半保留复制） 产物产物 RNA聚合

4、酶（聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶聚合酶酶酶 NTPdNTP原料原料 模板链转录（不对称转录）模板链转录（不对称转录）两股链均复制两股链均复制模板模板 转录转录复制复制 n参与转录的物质：参与转录的物质： 原料原料: : NTP(ATP,UTP,GTP,CTP) 模板模板: : DNA 酶酶 : : RNA聚合酶聚合酶(RNApolymerase,RNA-pol) 其他蛋白质因子其他蛋白质因子 一些概念一些概念 顺式作用元件顺式作用元件：指调节基因转录的：指调节基因转录的DNA序列，如启序列，如启 动子、增强子、终止子动子、增强子、终止子 反式作用因子反式作用因子：指可以和顺式作用元件结

5、合的调节：指可以和顺式作用元件结合的调节 蛋白，如转录因子、终止因子蛋白，如转录因子、终止因子 RNA聚合酶：转录的主要酶，即聚合酶：转录的主要酶，即依赖依赖DNA的的RNA 聚合酶聚合酶 原核生物转录的模板和酶原核生物转录的模板和酶 Templates l终止：依赖终止：依赖Rho因子，非依赖因子，非依赖Rho因子（茎环结构因子（茎环结构 polyU） 真核生物真核生物RNA聚合酶：聚合酶：RNApolI;II;III 转录起始前的上游区段转录起始前的上游区段:顺式作用元件（顺式作用元件（25区区 TATAbox，增强子）；反式作用因子（转录因子，增强子）；反式作用因子（转录因子 TF） 真

6、核生物转录过程：真核生物转录过程： l起始：真核生物起始：真核生物RNA-pol不与不与DNA分子直接结合，分子直接结合， 而需依靠众多的转录因子。转录起始前复合物而需依靠众多的转录因子。转录起始前复合物(PIC) 的组装。的组装。 l延长：类似原核生物。（核小体移位和解聚）延长：类似原核生物。（核小体移位和解聚） l终止：与转录后修饰有关，转录终止修饰点切断终止：与转录后修饰有关，转录终止修饰点切断 加尾。加尾。 真核生物真核生物RNA的加工的加工 Post-transcriptional Modification of Eukaryotic RNA 第四节第四节 n几种主要的修饰方式：几种

7、主要的修饰方式： 1.剪接剪接(splicing)2.剪切剪切(cleavage) 3. 修饰修饰(modification) 4. 添加添加(addition) 5.RNA编辑编辑(RNAediting) 一、真核生物一、真核生物mRNA的加工包括的加工包括 首、尾修饰和剪接首、尾修饰和剪接 5端接上一个端接上一个“帽子帽子”(CAP)结构结构 3端添加端添加PolyA“尾巴尾巴”,由由RNA末端核苷酸转移酶催化末端核苷酸转移酶催化 剪接：剪去内含子剪接：剪去内含子(intron)，剪接外显子，剪接外显子(extron) mRNA编辑编辑 真核生物真核生物mRNA的加工的加工 （一）前体（一

8、）前体mRNA在在5-末端加入末端加入“帽帽”结构结构 大多数真核大多数真核mRNA的的5-末端有末端有7-甲基鸟嘌呤甲基鸟嘌呤 的帽结构。的帽结构。 这个真核这个真核mRNA加工过程的起始步骤由两种加工过程的起始步骤由两种 酶，酶，加帽酶加帽酶(cappingenzyme)和和甲基转移酶甲基转移酶 (methyltransferase)催化完成。催化完成。 n帽子结构：帽子结构： 55 7-甲基鸟嘌呤甲基鸟嘌呤 帽子结构的帽子结构的 生成生成 加帽酶有加帽酶有磷酸磷酸 酶和鸟苷酸转酶和鸟苷酸转 移酶活性移酶活性 甲基转移酶催甲基转移酶催 化化SAM的甲基的甲基 转移到第一个转移到第一个G 的

9、的N7和第二、和第二、 三位核苷酸的三位核苷酸的 2O上。上。 动画动画6 n帽子结构的意义：帽子结构的意义： 可以使可以使mRNA免遭核酸酶的攻击；免遭核酸酶的攻击； 也能与帽结合蛋白质复合体也能与帽结合蛋白质复合体(cap-binding complexofprotein,CBP)结合，并参与结合，并参与mRNA 和核糖体的结合，启动蛋白质的生物合成。和核糖体的结合，启动蛋白质的生物合成。 核内的核内的hnRNA也有帽子结构，因此加帽是在也有帽子结构，因此加帽是在 核内完成，并且先于核内完成，并且先于mRNA的剪接过程。的剪接过程。 尾巴结构：尾巴结构： 3 端加上端加上多聚腺苷酸尾巴多聚

10、腺苷酸尾巴(polyAtail) 1.不依赖不依赖DNA模板模板 2.由多聚腺苷酸聚合酶催化，由多聚腺苷酸聚合酶催化，A逐个加上。逐个加上。 3.核内完成核内完成 4.长度在长度在100200核苷酸之间核苷酸之间 也有没有尾巴结构的也有没有尾巴结构的mRNA：如组蛋白基因的转录：如组蛋白基因的转录 产物，无论是初级的或成熟的，都没产物，无论是初级的或成熟的，都没polyA有尾巴有尾巴。 （二）前体（二）前体mRNA在在3端特异位点断裂并加上端特异位点断裂并加上 多聚腺苷酸尾多聚腺苷酸尾 AAUAAAG/U53 Poly(A)信号信号Poly(A)位点位点 mRNA CPSF G/U53CPSF

11、 CFI,CFII,CStF CPSF CStF CFI CFII PAP CPSF CStF CFI CFII PAP ATP G/UP PPi CFII CFI CSt F 慢速多腺苷酸化慢速多腺苷酸化 PAB CPSFAAAAAAAAAAOHPAP ATP PPi PAB快速快速 多腺苷酸化多腺苷酸化 CPS F AAAAAAAAAA AAAAAAAAAA HOAAAAAAAAAA PAP CPSFAAAAAAAAAAOHPAP 1012 维持维持mRNA模板的模板的活性活性,增加增加mRNA模模 板的板的稳定性稳定性。 随着尾巴的缩短，随着尾巴的缩短，mRNA的翻译的活性下降；的翻译的

12、活性下降； 当当mRNA由细胞核转移到细胞质中时，其由细胞核转移到细胞质中时，其polyA尾部尾部 常有不同程度的缩短，可见常有不同程度的缩短，可见polyA尾巴至少起到某尾巴至少起到某 种缓冲作用，可防止核酸外切酶对种缓冲作用，可防止核酸外切酶对mRNA信息序列的信息序列的 降解作用。降解作用。 （三）前体（三）前体mRNA的剪切主要是去除内含子的剪切主要是去除内含子 1.hnRNA hnRNA:核内的初级核内的初级mRNA称为称为杂化核杂化核RNA或核或核 不均一不均一RNA(hetero-nuclearRNA,hnRNA) 1.分子量比分子量比mRNA大几倍、几十倍；大几倍、几十倍； 2

13、.核酸序列实验核酸序列实验mRNA来自来自hnRNA,但去掉中但去掉中 间相当部分片段；间相当部分片段； 3.核酸杂交实验核酸杂交实验hnRNA与与DNA模板完全配对模板完全配对, mRNA与与DNA模板部分配对。模板部分配对。 真核生物的结构基因由若干编码区和非编码区真核生物的结构基因由若干编码区和非编码区 相间排列而成，因编码区不连续，称断裂基因。相间排列而成，因编码区不连续，称断裂基因。 断裂基因断裂基因(splitegene) CABD 编码区编码区A、B、C、D 非编码区非编码区 根据上述实验结果根据上述实验结果,20世纪世纪70年代提出年代提出: 2.外显子外显子(exon)和内含

14、子和内含子(intron) 外显子：外显子：在断裂基因及其初级转录产物上出在断裂基因及其初级转录产物上出 现，并表达为成熟现，并表达为成熟RNA的核酸序列。的核酸序列。 内含子：内含子：隔断基因的线性表达而在剪接过程隔断基因的线性表达而在剪接过程 中被除去的核酸序列。中被除去的核酸序列。 鸡卵清蛋白鸡卵清蛋白 基因基因 hnRNA 首、尾修饰首、尾修饰 hnRNA剪接剪接 成熟的成熟的mRNA 鸡鸡 卵卵 清清 蛋蛋 白白 基基 因因 及及 其其 转转 录、录、 转转 录录 后后 修修 饰饰 鸡卵清蛋白成熟鸡卵清蛋白成熟mRNA与与DNA杂交电镜图杂交电镜图 迄今为止，迄今为止，RNA剪剪接共

15、有四种方式：接共有四种方式： 3.RNA的剪接的剪接 类型类型自我剪接：自我剪接：分布很广，存在于真核细胞器（分布很广，存在于真核细胞器（ 线粒体、叶绿体）、低等真核生物核线粒体、叶绿体）、低等真核生物核rRNA基因、基因、 细菌和噬菌体的个别基因中。细菌和噬菌体的个别基因中。 类型类型自我剪接：自我剪接：只见于某些真菌线粒体和植物叶只见于某些真菌线粒体和植物叶 绿体基因绿体基因 。 核核mRNA的剪接体的剪接：的剪接体的剪接：大多数真核生物数量巨大多数真核生物数量巨 大的内含子的剪接方式。大的内含子的剪接方式。 核内核内tRNA的酶促剪接的酶促剪接。 对类型对类型自我剪接的研究发现了自我剪接

16、的研究发现了RNA的自我催化作用，即核酶的自我催化作用，即核酶 鸟苷或鸟苷酸在此过鸟苷或鸟苷酸在此过 程中起着重要的作用程中起着重要的作用 发生两次转酯反应发生两次转酯反应 类型类型自我剪接自我剪接 与类型与类型的区别在于的区别在于 转酯反应无需游离鸟转酯反应无需游离鸟 苷酸或鸟苷。而是由苷酸或鸟苷。而是由 内含子靠近内含子靠近3端的腺端的腺 苷酸苷酸2 羟基攻击羟基攻击5 磷磷 酸基，同样经过两次酸基，同样经过两次 转酯反应，内含子成转酯反应，内含子成 为套索结构而被切除为套索结构而被切除 。 核核mRNA的剪接体的剪接的剪接体的剪接 真核内含子的左端（真核内含子的左端（5 端）均为端）均为

17、GT，右侧（，右侧（3 端）均为端）均为 AG，称为，称为GT-AG规则（相对于规则（相对于RNA为为GU-AG）。）。 此规则不适用于线粒体和叶绿体基因的内含子，也不适此规则不适用于线粒体和叶绿体基因的内含子，也不适 用于用于tRNA和和rRNA的内含子。的内含子。 不同生物不同生物hnRNA的内含子保守方式的内含子保守方式 核核mRNA的剪接的剪接需要形成需要形成剪接体剪接体 snRNP 核小核小RNA(snRNA) Protein 剪接体剪接体 1.100-300个核苷酸组成个核苷酸组成 2.分子中以分子中以U含量最丰富含量最丰富 以以U作分类命名：作分类命名：U1、U2、U4、U5、U

18、6 3.snRNA与核内的蛋白质结合组成小分子核糖核酸蛋白体与核内的蛋白质结合组成小分子核糖核酸蛋白体 （snRNP）作为）作为RNA剪接的场所剪接的场所 核小核小RNA(snRNA)： snRNP与与hnRNA结合成为剪接体结合成为剪接体 UACUACA - AG UG U4 U5 U6 E1 E2 U1U2 UACUACA - AG UGU6 E1 E2 U1、U4、U5 4.真核生物前体真核生物前体mRNA分子经分子经剪接剪接(splicing)和和剪切剪切 (cleavage)两种模式生成不同的两种模式生成不同的mRNA 剪切（剪切（cleavage） 选择性剪接选择性剪接 （alte

19、rnative splicing） 大鼠降钙素基因的选择性剪切大鼠降钙素基因的选择性剪切 BCL-2基因的选择性剪接产生两种功能相反的产物基因的选择性剪接产生两种功能相反的产物 （四）（四）mRNA的编辑的编辑(mRNAediting) 有些基因的蛋白质产物的氨基酸序列与基因有些基因的蛋白质产物的氨基酸序列与基因 的初级转录产物序列并不完全对应，的初级转录产物序列并不完全对应，mRNA上的上的 一些序列在转录后发生了改变，称为一些序列在转录后发生了改变，称为RNA的编辑的编辑 (RNAediting)。具体说来，指基因转录产生的具体说来，指基因转录产生的 mRNA分子中，由于核苷酸的缺失，插入

20、或置换分子中，由于核苷酸的缺失，插入或置换 ，基因转录物的序列不与基因编码序列互补，使，基因转录物的序列不与基因编码序列互补，使 翻译生成的蛋白质的氨基酸组成，不同于基因序翻译生成的蛋白质的氨基酸组成，不同于基因序 列中的编码信息现象。列中的编码信息现象。 RNA编辑作用说明，基因的编码序列经过转录编辑作用说明，基因的编码序列经过转录 后加工，是可有多用途分化的，因此也称为分后加工，是可有多用途分化的，因此也称为分 化加工化加工(differentialRNAprocessing)。 人类人类apoB基因基因 mRNA（14500个核苷酸）个核苷酸） 肝脏肝脏 apoB100 （分子量为（分子

21、量为500000） 肠道细胞肠道细胞 apoB48 （分子量为（分子量为240000） mRNA编辑编辑 CAA 2153 UAA 2153 二、真核二、真核rRNA的转录后加工（自剪接）的转录后加工（自剪接） 三、三、tRNA的转录后加工的转录后加工 tRNA前体前体 RNA pol TGGCNNAGTGCGGTTCGANNCC DNA RNAaseP、 内切酶内切酶 tRNA核苷酸转移酶核苷酸转移酶 、连接酶、连接酶 ATP ADP 碱基修饰碱基修饰 （2）还原反应）还原反应 如：如：UDHU （3）核苷内的转位反应）核苷内的转位反应 如：如：U （4）脱氨反应）脱氨反应 如：如：AI 如

22、：如：AAm （1）甲基化）甲基化 （1 1） （1 1） （3 3） （2 2） （4 4） 四、四、RNA催化一些真核和原核基因内含子的自剪接催化一些真核和原核基因内含子的自剪接 五、五、RNA在细胞内的降解有多种途径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。正常转录物和异常转录物的降解途径有一定差异。 前者包括前者包括依赖于脱腺苷酸化的依赖于脱腺苷酸化的mRNAmRNA降解和不依赖于脱降解和不依赖于脱 腺苷酸化的腺苷酸化的mRNA mRNA 降解降解； 后者包括后者包括无义介导的无义介导的mRNA mRNA 降解、无终止降解、无停滞降解、无终止降解、无停滞 降

23、解和核糖体延伸介导的降解降解和核糖体延伸介导的降解等。等。 但细胞内少部分正常但细胞内少部分正常mRNAmRNA也可经由无义介导的途径降也可经由无义介导的途径降 解。解。 （一）依赖于脱腺苷酸化的（一）依赖于脱腺苷酸化的mRNA降解是重降解是重 要的要的mRNA代谢途径代谢途径 mRNA的的5 -端帽和端帽和3 -端的端的poly(A)尾结构对于尾结构对于mRNA 的稳定性具有重要作用。当细胞以的稳定性具有重要作用。当细胞以mRNA为模板进行蛋白为模板进行蛋白 质合成时，翻译起始因子质合成时，翻译起始因子eIF4E、eIF4G和和3 poly(A)结合结合 的的PABP等相互作用而形成封闭的环

24、状结构，防止来自脱等相互作用而形成封闭的环状结构，防止来自脱 腺苷酸化酶（腺苷酸化酶（deadenylase）和脱帽酶（）和脱帽酶（decappingenzyme） 的攻击，以保证的攻击，以保证mRNA的稳定。的稳定。 因此，因此，mRNA的降解必须首先解除这些稳定因素，的降解必须首先解除这些稳定因素， 脱腺苷酸化及帽结构的水解是其中的重要步骤，故称为脱腺苷酸化及帽结构的水解是其中的重要步骤，故称为依依 赖于脱腺苷酸化的赖于脱腺苷酸化的mRNA降解降解。 依赖于脱腺苷酸依赖于脱腺苷酸 化的化的mRNA降解降解 （二）无义介导的（二）无义介导的mRNA降解是重要的真核降解是重要的真核 细胞细胞mRNA质量监控机制质量监控机制 真 核 细 胞真 核 细 胞 m R N A 的 异 常 剪 接 可 能 会 产 生的 异 常 剪 接 可 能 会 产 生 无 义无 义 （nonsense）的终止密码子，由此产生的）的终止密码子，由此产生的mRNA降解称为降解称为 无义介导的无义介导的mRNA降解降解（nonsense-mediatedmRNAdecay, NMD），是广泛存在的），是广泛存在的mRNA质量监控的重要机制。质量监控的重要机制。 那些含有提前终止