生物化学（下）：36 RNA的生物合成

1、第十三单元第十三单元 核酸代谢核酸代谢 l第第33章章 核酸的降解和核苷酸的代谢核酸的降解和核苷酸的代谢l第第34 章章 DNA的复制与修复的复制与修复l第第35章章 DNA的重组的重组l第第36章章 RNA的合成与加工的合成与加工第第36章章 RNA的生物合成和加工的生物合成和加工l概述概述l一、一、DNA指导下指导下RNA的合成的合成 l二、二、RNA的转录后加工的转录后加工l三、在三、在RNA指导下指导下RNA和和DNA的合成的合成概概 述述l 按照按照Francis Crick提出的中心法则（提出的中心法则（central dogma），），DNA分子首先指导分子首先指导RNA分子的合

2、成，然后由合分子的合成，然后由合成好的成好的RNA分子直接指导蛋白质的生物合成。这种分子直接指导蛋白质的生物合成。这种以以DNA作为模板合成作为模板合成RNA的过程被称为的过程被称为转录转录（transcription），），以以RNA作为模板合成蛋白质的过程被称为作为模板合成蛋白质的过程被称为翻译翻译或或转译转译（translation）。转录和翻译统称为。转录和翻译统称为基因表达基因表达（gene expression）。）。l 与与DNA复制一样，整个转录过程也可分为起始、延伸复制一样，整个转录过程也可分为起始、延伸和终止三个阶段。其中起始阶段的机理已十分清楚。和终止三个阶段。其中起始阶

3、段的机理已十分清楚。一一、DNA指导下指导下RNA的合成的合成 l(一一)DNA指导的指导的RNA聚合酶聚合酶l(二二)启动子和转录因子启动子和转录因子 l补充：转录的过程补充：转录的过程l(三三)终止子和终止因子终止子和终止因子l(四四)转录的调节控制转录的调节控制 l(五五)RNA生物合成的抑制剂生物合成的抑制剂 (一一)DNA指导的指导的RNA聚合酶聚合酶lRNA聚合酶聚合酶需要以需要以4种核糖核苷三磷酸种核糖核苷三磷酸(NTP)作为底物，并作为底物，并需要适当需要适当DNA作为模板作为模板，Mg2+能促进聚合反应。能促进聚合反应。lRNA链的链的合成方向也是合成方向也是53，形成磷酸二

4、酯键，反应可，形成磷酸二酯键，反应可逆，但焦磷酸的分解可以推动反应趋向聚合。逆，但焦磷酸的分解可以推动反应趋向聚合。l与与DNA酶的不同：酶的不同： （1）RNA聚合酶无需引物聚合酶无需引物 （2）RNA聚合酶无校对功能聚合酶无校对功能n1ATP+n2GTP+n3CTP+n4UTPDNADNA指导的指导的RNARNA聚合酶聚合酶DNADNA，MgMg2+2+或或MnMn2+2+RNA+（n1+n2+n3+n4）PPiDNA指导的指导的RNARNA合成合成RNA链的合成方向是链的合成方向是53l 在体内在体内DNA的两条链中只有一条可用于转录的两条链中只有一条可用于转录，或某些，或某些区域以这条

5、链转录而另一些区域以另一条链转录，用于转区域以这条链转录而另一些区域以另一条链转录，用于转录的链称为录的链称为模板链或负链（模板链或负链（-链），链），对应的链为对应的链为编码链或编码链或正链（正链（+链）链）。（很多书对此说法不一）。（很多书对此说法不一）l RNA转录时无需将双链完全打开，转录时无需将双链完全打开，RNA聚合酶能局部聚合酶能局部解开解开DNA的双链的双链，并以其中一条为有效的模板，在其上合，并以其中一条为有效的模板，在其上合成出互补的成出互补的RNA链。链。用于转录的链称为用于转录的链称为模板链或负链（模板链或负链（- -链），链）， 对应的链为对应的链为编码链或正链（编码

6、链或正链（+ +链）链） 编码链或正链（编码链或正链（+ +链）链）模板链或负链（模板链或负链（- -链）链）合成方向是合成方向是53大肠杆菌大肠杆菌RNA聚合酶各亚基的性质和功能聚合酶各亚基的性质和功能亚基亚基基因基因相对分子质量相对分子质量亚基数目亚基数目 功能功能rpoArpoBrpoCrpoD4000015500016000032000-920009000 2 1 1 1 1酶的装配，与启动子上游元酶的装配，与启动子上游元件和活化因子结合件和活化因子结合结合核苷酸底物结合核苷酸底物催化磷酸二酯键形成催化磷酸二酯键形成与模板与模板DNA结合结合识别启动子，促进转录开始识别启动子，促进转录

7、开始未知未知催化中心真核生物真核生物RNA聚合酶的种类和性质聚合酶的种类和性质酶的种类酶的种类 功能功能对抑制物的敏感性对抑制物的敏感性RNA聚合酶聚合酶 RNA聚合酶聚合酶 RNA聚合酶聚合酶转录转录45S rRNA前体，经加工前体，经加工产生产生5.8S rRNA、18S rRNA和和28S rRNA转录所有编码蛋白质的基因和转录所有编码蛋白质的基因和大多数核内小大多数核内小RNA转录小转录小RNA基因，包括基因，包括tRNA、5S rRNA、U6 snRNA和和scRNA对对-鹅膏蕈碱不敏感鹅膏蕈碱不敏感（具有双环结构八肽毒素）（具有双环结构八肽毒素） 对对-鹅膏蕈碱敏感鹅膏蕈碱敏感对对

8、-鹅膏蕈碱中等敏感鹅膏蕈碱中等敏感（二）（二）启动子和转录因子启动子和转录因子启动子：启动子：RNA聚合酶识别、结合和开始转录的聚合酶识别、结合和开始转录的一段一段DNA序列序列。转录因子：转录因子：RNA聚合酶起始转录需要的辅助因子，聚合酶起始转录需要的辅助因子， 其作用或是其作用或是识别识别DNA的顺式作用位点的顺式作用位点， 或是或是识别其他因子识别其他因子，或是，或是识别识别RNA聚合酶聚合酶。上游上游下游下游RNA聚合酶结合在启动子上聚合酶结合在启动子上 启动子启动子富含富含ATAT碱基对，其一致序列是碱基对，其一致序列是TATAATTATAAT；-35-35区域区域的一致序列是的一

9、致序列是TTGACATTGACA。按照惯例，上面写出的碱基序列都是。按照惯例，上面写出的碱基序列都是编码链的序列。通过足印法（编码链的序列。通过足印法（footprinting assayfootprinting assay）分析发）分析发现：现：原核生物的启动子在原核生物的启动子在-10-10区域和区域和-35-35区域具有两段高度保区域具有两段高度保守的一致序列守的一致序列（consensus sequenceconsensus sequence） 。1、原核系统启动子的特征原核系统启动子的特征编码链编码链5模板链模板链335启动子启动子被转录的基因被转录的基因-35区区-10区区+1（转

10、录起始点转录起始点）TTGACATATAAT原核细胞启动子结构原核细胞启动子结构l注意：注意：碱基的位置以转录的起始点（碱基的位置以转录的起始点（startpointstartpoint）为标准，）为标准，转录起始点本身的位置定为转录起始点本身的位置定为+1+1，位于它上游的序列为负数，位于它上游的序列为负数，位于它下游的碱基为正数，没有零位于它下游的碱基为正数，没有零：-10-10区序列也称为区序列也称为 Pribnow Pribnow 盒（盒（BoxBox）. .因子因子 能直接和启动子的能直接和启动子的-35-35序列以及序列以及-10-10序列结合，以调节序列结合，以调节基因的转录。基

11、因的转录。大肠杆菌不同大肠杆菌不同 因子识别具有不同共有序列的启动子，如图因子识别具有不同共有序列的启动子，如图基因基因因子因子用途用途-35序列序列间隔间隔-10序列序列rpoDrpoH rpoE rpoN rpoA 7032E54F通用通用热休克热休克热休克热休克氮源氮源鞭毛鞭毛TTGACACCCTTGAA未知未知CTGGNACTAAA16-18bp13-15bp未知未知6bp15bpTATAATCCCGATNT未知未知TTGCAGCCGATAA2、真核生物启动子结构真核生物启动子结构l 真核生物的启动子有三类，分别由真核生物的启动子有三类，分别由RNA聚合酶聚合酶、和和进行转录。进行转录

12、。真核生物的启动子由转录因子而不是真核生物的启动子由转录因子而不是RNA聚合酶所识别聚合酶所识别，多种转录因子和，多种转录因子和RNA聚合酶在起点聚合酶在起点上形成上形成前起始复合物前起始复合物(preinition complex)而促进转录。而促进转录。l 启动子通常由一些短的保守的序列所组成，它们被启动子通常由一些短的保守的序列所组成，它们被适当种类的辅助因子适当种类的辅助因子(auxiliary factor)所识别。所识别。真核生物真核生物RNARNA聚合酶聚合酶I I所负责的基因转录所负责的基因转录RNARNA聚合酶聚合酶I I：负责负责rRNArRNA前体的转录前体的转录UBFU

13、BF: :上游结合因子上游结合因子SLSL1 1: :选择性因子选择性因子1 1pol TATAAAAPyPyANATPyPy调节序列调节序列 TATA框框InrTFDTFATFBTFETFHTBP(TFD, TFA)TFBTFF/pol TFFTFETFHRNARNA聚合酶聚合酶和转录因子在启动子上的装配和转录因子在启动子上的装配P TBP TBP: :TATATATA结合蛋白结合蛋白 TFTF IIII: :RNARNA聚合酶聚合酶IIII的转录因子的转录因子RNA聚合酶聚合酶II-(II-(转录编码蛋白质的基因转录编码蛋白质的基因) 负责转录的基因的启动子的特征负责转录的基因的启动子的特

14、征RNA聚合酶聚合酶III负责的转录负责的转录 RNARNA聚合酶聚合酶III：负责负责 转录小转录小RNARNA的基的基 因因 (tRNA,5sRNA(tRNA,5sRNA等）等）TF TF III A A: : RNA RNA聚合酶聚合酶III的转录的转录因子，一种因子，一种锌指蛋白锌指蛋白。TF TF III B B: : RNA RNA聚合酶聚合酶III的转录的转录因子因子TF TF III C C: : RNA RNA聚合酶聚合酶III的转录的转录因子因子转录过程转录过程l1、转录的启始、转录的启始l2、转录的延伸、转录的延伸l3、转录的终止、转录的终止l（见（见P464 终止子部分

15、）终止子部分）1、转录起始、转录起始l转录的起始实际上是转录的起始实际上是RNA聚合酶与启聚合酶与启动子相互作用并形成转录起始复合物的过动子相互作用并形成转录起始复合物的过程。程。转录过程（见动画）转录过程（见动画）原核生物转录的起始12435l RNARNA聚合酶全酶聚合酶全酶与与DNADNA模板非特异性地结合并模板非特异性地结合并向下游扫描，直到发现启动子序列而形成特异向下游扫描，直到发现启动子序列而形成特异性的复合物。性的复合物。RNARNA聚合酶全酶与聚合酶全酶与DNADNA模板随机模板随机结合，并向下游启动子方向移结合，并向下游启动子方向移动动因子因子在在-35-35区域区域，RNA

16、RNA聚合酶与启动子形成紧密的聚合酶与启动子形成紧密的启动子复合物（启动子复合物（closed promoter complexclosed promoter complex）RNARNA聚合酶全酶与启动子结合形成聚合酶全酶与启动子结合形成紧密的起始复合物紧密的起始复合物l到了到了-10-10区域区域则形成开放的启动子复合物则形成开放的启动子复合物（open promoter complex）。）。RNARNA聚合酶全酶与启动子结合形成聚合酶全酶与启动子结合形成开放的起始复合物开放的起始复合物-10-10区域区域富含富含ATAT碱基对，其一致序列是碱基对，其一致序列是TATAATl 在转录起始

17、点周围的序列解链以后，在转录起始点周围的序列解链以后，RNA聚合酶（具体聚合酶（具体是是因子）便识别其中的模板链，位于因子）便识别其中的模板链，位于亚基上的活性中心亚基上的活性中心先后结合两个核苷三磷酸，形成了转录泡（先后结合两个核苷三磷酸，形成了转录泡（transcription bubble）结构）结构（ 参见图）参见图）l结合的核苷三磷酸分别与编码链的结合的核苷三磷酸分别与编码链的+1和和+2位置的核苷酸序列位置的核苷酸序列一样。紧接着一样。紧接着RNA聚合酶催化第一个核苷三磷酸的聚合酶催化第一个核苷三磷酸的3-OH亲亲核进攻第二个核苷三磷酸的核进攻第二个核苷三磷酸的 5-磷酸而形成第一

18、个磷酸二酯磷酸而形成第一个磷酸二酯键键（ 参见图）参见图）“转录泡（转录泡（transcription bubble）”RNARNA聚合酶与启动子的结合聚合酶与启动子的结合4种核苷三磷酸种核苷三磷酸NTPsNTPs与与RNARNA聚合酶的活性中心结合，聚合酶的活性中心结合，第一个磷酸二酯键开始形成第一个磷酸二酯键开始形成第一个磷酸二酯键第一个磷酸二酯键 通常，当形成通常，当形成6 6到到1010个磷酸二酯键以后，与核心个磷酸二酯键以后，与核心酶结合的酶结合的因子即释放出来，从此转录进入延伸因子即释放出来，从此转录进入延伸阶段。阶段。 当形成当形成6 6到到1010个磷酸二酯键以后，个磷酸二酯键

19、以后，因子被释放，转录进入延因子被释放，转录进入延伸阶段伸阶段当形成当形成6 6到到1010个磷酸二酯键以后，个磷酸二酯键以后， 因子脱离因子脱离RNARNA聚合酶聚合酶2 2、转录的延伸转录的延伸 l 与起始阶段的反应相比，延伸阶段的反应要与起始阶段的反应相比，延伸阶段的反应要简单得多：简单得多：l 当当因子释放以后，转录即进入延伸阶段。因子释放以后，转录即进入延伸阶段。失去失去因子的核心酶可以以更快的速度沿着因子的核心酶可以以更快的速度沿着DNA模板链向前移动。随着核心酶的移动，模板链向前移动。随着核心酶的移动，DNA两条两条链不断地解链以暴露新的模板链序列，而已转录链不断地解链以暴露新的

20、模板链序列，而已转录好的区域则发生复性。由于好的区域则发生复性。由于RNA链延伸的方向始链延伸的方向始终是从终是从53，所以新参入的核苷酸被添加在，所以新参入的核苷酸被添加在RNA链的链的3-羟基端。羟基端。 (三三)终止子和终止因子（转录的终止）终止子和终止因子（转录的终止）l终止子终止子：提供转录停止信号的：提供转录停止信号的DNA序列。序列。l终止因子终止因子：协助：协助RNA聚合酶识别终止信号的辅助因聚合酶识别终止信号的辅助因 子子(Pr)。l原核系统转录的终止有两种方式：原核系统转录的终止有两种方式：l（1）不依赖于）不依赖于因子的终止子（因子的终止子（terminator）l (

21、2 )依赖于依赖于因子的终止子；因子的终止子；（1）不需要不需要因子的终止机制因子的终止机制l 这是原核系统转录终止的主要方式，该机制这是原核系统转录终止的主要方式，该机制具有两个特征：具有两个特征：l一是依赖于位于一是依赖于位于RNA转录物转录物3-端的一串端的一串U序列序列;l另一是需要位于紧靠另一是需要位于紧靠U序列上游的一个富含序列上游的一个富含GC碱碱基对的茎环结构基对的茎环结构. 寡聚寡聚U序列可提供信号使序列可提供信号使RNA聚合酶脱离模板。聚合酶脱离模板。不不需需要要因因子子的的终终止止机机制制1.1. RNA RNA转录物转录物3-3-端的一串端的一串U U序列序列2. 紧靠

22、紧靠U U序列上游序列上游的一个富含的一个富含GCGC碱基碱基对的茎环结构对的茎环结构3.3.寡聚寡聚U U序列可提序列可提供信号使供信号使RNARNA聚合聚合酶脱离模板酶脱离模板原核系统转录不需要原核系统转录不需要因子的终止子结构因子的终止子结构（2）依赖依赖因子的转录终止因子的转录终止l 因子是一个寡聚体蛋白质，它含有因子是一个寡聚体蛋白质，它含有6个相同个相同的由的由419个氨基酸残基组成的亚基。个氨基酸残基组成的亚基。该因子具有该因子具有ATP酶和解链酶的活性酶和解链酶的活性。所具有的。所具有的解链酶活性使得解链酶活性使得它能够催化它能够催化RNA/DNA和和RNA/RNA双螺旋的解链

23、双螺旋的解链。 依依赖赖因因子子的的转转录录终终止止因子与新合成的因子与新合成的RNARNA链结合链结合因子依靠解链酶活性解开因子依靠解链酶活性解开RNARNA与与DNADNA之间的双螺旋，释放之间的双螺旋，释放RNARNA链链沿沿RNA 55端端滑向滑向33端端RNARNA聚合酶遇终止子停止聚合，聚合酶遇终止子停止聚合， 因子与核心酶结合，因子与核心酶结合，(四四)转录的调节控制转录的调节控制 l 启动子是转录起始的控制部位启动子是转录起始的控制部位。转录调节因子的。转录调节因子的结合部位存在于启动子的内部或附近。当调节因子与结合部位存在于启动子的内部或附近。当调节因子与DNA结合后对转录起

24、促进或抑制作用。结合后对转录起促进或抑制作用。l 调节因子中蛋白质与调节因子中蛋白质与DNA结合的基本结构形式主结合的基本结构形式主要有以下几种：要有以下几种： 1.螺旋螺旋-转角转角-螺旋螺旋 2.锌指锌指 3.螺旋螺旋-突环突环-螺旋螺旋 4.亮氨酸拉链亮氨酸拉链l某些核酸代谢的核酸颉颃物和抗生素能抑制核苷酸或核某些核酸代谢的核酸颉颃物和抗生素能抑制核苷酸或核酸的生物合成。按作用性质的不同，酸的生物合成。按作用性质的不同，RNA生物合成抑制生物合成抑制剂分为：剂分为：l1.嘌呤和嘧啶的类似物（嘌呤和嘧啶的类似物（5-氟尿嘧啶）氟尿嘧啶）2.DNA模板功能的抑制物（环磷酰胺、溴乙锭）模板功能

25、的抑制物（环磷酰胺、溴乙锭）3.RNA聚合酶的抑制物聚合酶的抑制物 （ - 鹅膏蕈碱专一抑制真核不抑制原核）鹅膏蕈碱专一抑制真核不抑制原核） （利福霉素利福霉素与与亚基结合，阻止起始，亚基结合，阻止起始，抑制细菌的抑制细菌的RNARNA聚合酶，聚合酶， 利福平利福平和和亚基结合亚基结合）(五五)RNA生物合成的抑制剂生物合成的抑制剂(P469) 二二、RNA的转录后加工的转录后加工l概述概述l(一一)原核生物中原核生物中RNA的加工的加工l(二二)真核生物中真核生物中RNA的一般加工的一般加工l(三三)RNA的拼接、编辑和再编码的拼接、编辑和再编码l(四四)RNA生物功能的多样性生物功能的多样

26、性 l(五五)RNA的降解的降解 概概 述述l 在细胞内，由在细胞内，由RNA聚合酶聚合酶合成的原初转录物往往需要经合成的原初转录物往往需要经过一系列的变化，包括过一系列的变化，包括链的裂解链的裂解、5端和端和3端的切除端的切除和和特殊特殊结构的形成结构的形成、核苷的修饰核苷的修饰和和糖苷键的改变糖苷键的改变、以及、以及拼接拼接和和编辑编辑等过程，使能转变为成熟的等过程，使能转变为成熟的RNA分子，此过程称为分子，此过程称为RNA的成的成熟或转录后加工熟或转录后加工（post-transcriptional processing）。）。l 原核生物的原核生物的mRNA一经转录通常立即进行翻译，

27、除少数一经转录通常立即进行翻译，除少数例外，例外，一般不进行转录后的加工一般不进行转录后的加工。 真核生物真核生物由于存在细胞核结构，转录与翻译在时间上和由于存在细胞核结构，转录与翻译在时间上和空间上都被分隔开来，其空间上都被分隔开来，其mRNA前体的前体的加工极为复杂加工极为复杂。(一一)原核生物中原核生物中RNA的加工的加工 1. rRNA前体的后加工前体的后加工 2. tRNA前体的后加工前体的后加工 3. mRNA前体的后加工前体的后加工1.rRNA前体的后加工前体的后加工l 在详细介绍原核系统的在详细介绍原核系统的Pre-rRNA加工之前，有必要了解加工之前，有必要了解一下其一下其r

28、RNA的基因组织。如的基因组织。如图图所示：所示： 大肠杆菌共有大肠杆菌共有7 7个个rRNArRNA的转录单位的转录单位，它们分散在基因组的，它们分散在基因组的各处。每个转录单位由各处。每个转录单位由16S rRNA16S rRNA、23S rRNA23S rRNA、5S rRNA5S rRNA以及一以及一个或几个个或几个tRNAtRNA的基因组成。它们之间的基因组成。它们之间有多余的附加序列有多余的附加序列，需，需要经过甲基化修饰和核酸酶的酶切才能成为成熟的要经过甲基化修饰和核酸酶的酶切才能成为成熟的RNARNA。l大肠杆菌大肠杆菌rRNA前体的加工过程前体的加工过程16S23S5StRN

29、A甲基化甲基化PEEP16Pre-tRNAP23P5切割切割16S rRNAtRNA23S rRNA5S rRNA前体前体RNase 甲基甲基切掉相应间隔序列，成为成熟的切掉相应间隔序列，成为成熟的RNARNA2.tRNA前体的后加工前体的后加工l tRNA 前体的加工包括：前体的加工包括：（1）由核酸内切酶在）由核酸内切酶在tRNA 两端切断（两端切断（二聚体二聚体）（2）由核酸外切酶从）由核酸外切酶从3端逐个切去附加顺序，进行修剪端逐个切去附加顺序，进行修剪（3）在）在tRNA 3端加上端加上C-C-A（4）核苷酸的修饰和异化）核苷酸的修饰和异化 大肠杆菌基因组共有大约大肠杆菌基因组共有大

30、约6060个个tRNAtRNA基因。这个数据基因。这个数据与变偶假说是吻合的。也就是说，某些反密码子可以不与变偶假说是吻合的。也就是说，某些反密码子可以不止一个止一个tRNAtRNA。tRNA前体分子的后加工前体分子的后加工b、末端添加：、末端添加：3-端添加端添加CCA序列。序列。c、修饰：形成稀、修饰：形成稀有有碱基如碱基如DH2 。RNAase PRNAase PRNAase FRNAase FRNAase DRNAase DACC表示核酸内切酶的作用表示核酸内切酶的作用 表示核苷酸转移酶的作用表示核苷酸转移酶的作用 表示核酸外切酶的作用表示核酸外切酶的作用 表示异构化酶的作用表示异构化

31、酶的作用 见见P P474474图图36-1436-14原核细胞原核细胞tRNAtRNA前体分子存在二聚体或多聚体前体分子存在二聚体或多聚体（1 1）由核酸内切酶由核酸内切酶（RNasePRNaseP、RNaseFRNaseF等）等） 在在tRNA tRNA 两端切断。两端切断。 (2)(2)由核酸外切酶由核酸外切酶 （RNaseDRNaseD）从）从tRNA tRNA 3 3，端切去附加序列。端切去附加序列。（3 3）核苷酸的修饰和异化核苷酸的修饰和异化RNasePRNaseD（4 4）在在tRNA 3tRNA 3端端加上加上C-C-AC-C-AtRNAtRNA加工完成加工完成3.mRNA前

32、体的后加工前体的后加工 除了某些噬菌体以外除了某些噬菌体以外(如如T7噬菌体的早期基因的噬菌体的早期基因的mRNA)，原核系统的原核系统的mRNA很少经历后加工很少经历后加工。 实际上，绝大多数实际上，绝大多数mRNA的的3-端还没有被转录之前，核端还没有被转录之前，核糖体就结合到糖体就结合到5-端开始翻译。即使是某些噬菌体端开始翻译。即使是某些噬菌体mRNA，也，也仅仅是经历最简单的剪切反应，将一个仅仅是经历最简单的剪切反应，将一个多顺反子多顺反子切割成切割成单顺反单顺反子子。但也发现某些噬菌体的。但也发现某些噬菌体的mRNA需要经过相对复杂的剪接反需要经过相对复杂的剪接反应才能成熟（如应才

33、能成熟（如T4噬菌体编码的胸苷酸合成酶）。噬菌体编码的胸苷酸合成酶）。 单顺反子单顺反子：为一条多肽链编码的为一条多肽链编码的mRNA.(真核生物）真核生物） 多顺反子多顺反子：为二条或多条多肽链编码的为二条或多条多肽链编码的mRNA. (原核生物）原核生物）5 3 DNA原核生物转录过程中的羽毛状现象原核生物转录过程中的羽毛状现象核糖体核糖体RNARNA聚合酶聚合酶大多数大多数mRNAmRNA的的3 3- -端端还没有被转录之前，还没有被转录之前，核糖体就结合到核糖体就结合到5 5- -端开始翻译。端开始翻译。转录起始端转录起始端(二二)真核生物中真核生物中RNA的一般加工的一般加工真核细胞

34、真核细胞RNA前体的后加工反应远比原核细胞前体的后加工反应远比原核细胞 复杂，特别是复杂，特别是Pre-mRNA更是如此。在真核系统中，更是如此。在真核系统中，某些后加工反应的性质与原核系统很相似。某些后加工反应的性质与原核系统很相似。 但是，另一些后加工反应则是真核系统所特有的但是，另一些后加工反应则是真核系统所特有的 。 1、rRNA前体的后加工前体的后加工 2、tRNA前体的后加工前体的后加工 3、mRNA前体的后加工前体的后加工1. rRNA前体的后加工前体的后加工与原核细胞与原核细胞rRNArRNA加工相似，加工相似，需要甲基化和酶切作用；需要甲基化和酶切作用；原核细胞没有原核细胞没

35、有5.8S 5.8S rRNArRNA。2、tRNA前体的后加工前体的后加工 真核细胞真核细胞Pre-tRNA的剪接反应也可以分成两步：的剪接反应也可以分成两步： 第一步是第一步是tRNA内切酶内切酶将将内含子内含子切除；切除； 第二步是第二步是tRNA连接酶连接酶在消耗在消耗ATP的情况下将两个的情况下将两个 半分子半分子tRNA连接起来。连接起来。Primary transcripts of tRNAMature tRNA tRNA前体的后前体的后加工加工加工过程加工过程 内含子的切除内含子的切除 连接外显子连接外显子 修饰碱基修饰碱基与与原核有区别：原核有区别： 真核真核tRNAtRNA

36、前体中无二聚体和多聚体前体中无二聚体和多聚体 增加了剪接内含子的过程增加了剪接内含子的过程 都要加都要加CCACCA (tRNA(tRNA前体前体) )3.mRNA前体的后加工前体的后加工l与原核系统的与原核系统的mRNA很少经历后加工的事实形很少经历后加工的事实形成对比的是真核细胞的细胞核成对比的是真核细胞的细胞核mRNA必须经历多种必须经历多种形式的后加工才会成为有功能的分子。所经历的后形式的后加工才会成为有功能的分子。所经历的后加工反应主要包括加工反应主要包括5-端端“帽子帽子”、3-端端“尾巴尾巴”、内部内部甲基化甲基化、剪接和编辑。、剪接和编辑。（1）5-端端“帽子帽子”(cap)

37、绝大多数真核生物的细胞核绝大多数真核生物的细胞核mRNA 5-端含有帽子结构端含有帽子结构，帽，帽子的结构特征如图所示。子的结构特征如图所示。 “帽子帽子”与第一个被转录的核苷酸与第一个被转录的核苷酸之间的连接方式，是一种罕见的之间的连接方式，是一种罕见的5,5三磷酸酯键。三磷酸酯键。帽子的形成即帽子的形成即戴帽反应戴帽反应是一个共转录事件，当是一个共转录事件，当mRNA的的5-端被转录以后不久，即开始进行戴帽反应。具体的戴帽反端被转录以后不久，即开始进行戴帽反应。具体的戴帽反应参见图。先是一种应参见图。先是一种磷酸酶磷酸酶将第一个被转录的核苷酸将第一个被转录的核苷酸5-端的端的一个磷酸根水解

38、下来，然后在一个磷酸根水解下来，然后在鸟苷酸转移酶鸟苷酸转移酶的催化下，鸟苷的催化下，鸟苷单磷酸基团从单磷酸基团从GTP转移到转移到mRNA的的5-端，随后在端，随后在甲基转移酶甲基转移酶的催化下发生甲基化反应，甲基供体是的催化下发生甲基化反应，甲基供体是S-腺苷甲硫氨酸（英腺苷甲硫氨酸（英文简称为文简称为SAM）。）。真核细胞的真核细胞的mRNAmRNA结构结构NNHNN+NH2CH3OOHOHOPOOHOPOOHOPOOHOOBaseOHOP+OHOHO-AAAAAAAAA-OHOG 5端加帽端加帽3 端加端加poly(A)尾巴尾巴磷酸酶磷酸酶将第一个被转录的核苷酸将第一个被转录的核苷酸5

39、-5-端端 的一个磷酸根水解下来，的一个磷酸根水解下来，在在鸟苷酸转移酶鸟苷酸转移酶的催化下，鸟苷单磷酸的催化下，鸟苷单磷酸 基团从基团从GTPGTP转移到转移到mRNAmRNA的的5-5-端，端，甲基转移酶甲基转移酶的催化下发生甲基化反应，的催化下发生甲基化反应，（2）3-端端“尾巴尾巴”（tail）l 大多数真核细胞核大多数真核细胞核mRNA的的3-端含有一段约端含有一段约250个左个左右的多聚腺苷酸右的多聚腺苷酸，这段连续的腺苷酸被称为，这段连续的腺苷酸被称为Poly A尾巴尾巴。但含有但含有Poly A尾巴的尾巴的mRNA的编码链上并无的编码链上并无Poly A序列，序列，显然，显然，

40、Poly A尾巴是在转录后填加上去的尾巴是在转录后填加上去的。l 3端加尾即是真核细胞核端加尾即是真核细胞核mRNA 3端的多聚腺苷酸化端的多聚腺苷酸化（polyadenylation）反应。反应步骤和相关的模型分别）反应。反应步骤和相关的模型分别参见参见图图。 切除加尾信号下游序列切除加尾信号下游序列Poly APoly A尾巴（约尾巴（约250250个腺苷酸）个腺苷酸） 加尾反应加尾反应 真核细胞的真核细胞的mRNAmRNA结构结构NNHNN+NH2CH3OOHOHOPOOHOPOOHOPOOHOOBaseOHOP+OHOHO-AAAAAAAAA-OHOG 5端加帽端加帽3端加端加poly

41、(A)尾巴尾巴（3）mRNA的内部甲基化的内部甲基化l真核生物真核生物mRNA分子内部往往有甲基化的碱基，分子内部往往有甲基化的碱基，主要是主要是N6-甲基腺嘌呤（甲基腺嘌呤（m6A）。）。l这类修饰成分在这类修饰成分在hnRNA中已经存在。不过也有一中已经存在。不过也有一些真核生物细胞和病毒些真核生物细胞和病毒mRNA中并不存在中并不存在N6-甲基甲基腺嘌呤，似乎这个修饰成分对翻译功能不是必要腺嘌呤，似乎这个修饰成分对翻译功能不是必要的。的。(三三) RNA的拼接的拼接、编辑和再编码编辑和再编码l概述概述lRNA的拼接的拼接lRNA的编辑的编辑lRNA的再编码的再编码概述概述l 大多数真核生

42、物的基因都是断裂基因，断裂基因的产大多数真核生物的基因都是断裂基因，断裂基因的产物需通过物需通过拼接拼接(splicing)，去除插入部分，使编码区成为去除插入部分，使编码区成为连续序列连续序列，内含子具有多种多样的结构，拼接机制也是，内含子具有多种多样的结构，拼接机制也是多种多样的，有些内含子可以催化自身拼接，有些内含多种多样的，有些内含子可以催化自身拼接，有些内含子需在拼接体的作用下才能拼接。子需在拼接体的作用下才能拼接。l RNA编码序列的改变称为编码序列的改变称为编辑编辑(editing)。l RNA编码和读码方式的改变称为编码和读码方式的改变称为再编码再编码(recoding)。l

43、由于存在选择性拼接、编码和再编码，一个基因可以由于存在选择性拼接、编码和再编码，一个基因可以产生多种蛋白质。产生多种蛋白质。内含子内含子外显子外显子帽子帽子尾巴尾巴1、RNA的拼接的拼接 （1）类型）类型自我拼接自我拼接 （2）类型）类型自我拼接自我拼接 （3）hnRNA的拼接的拼接 （4）核内）核内tRNA前体的酶促拼接前体的酶促拼接 （5）反式拼接与选择性拼接）反式拼接与选择性拼接 拼接是一个抽提信息的过程，从转录初产物中将编码序拼接是一个抽提信息的过程，从转录初产物中将编码序列拼接起来，形成完整有意义的表达信息。拼接的突变与基列拼接起来，形成完整有意义的表达信息。拼接的突变与基因突变不同

44、，基因突变有可能在拼接过程中被淘汰。因突变不同，基因突变有可能在拼接过程中被淘汰。（1）类型类型自我拼接自我拼接l鸟苷酸鸟苷酸在此起了辅助因子的作用，它提供了游离在此起了辅助因子的作用，它提供了游离的的3-羟基，从而使内含子的羟基，从而使内含子的5-磷酸基转移其上。磷酸基转移其上。紧接着发生第二次类似的转酯反应，由第一个外紧接着发生第二次类似的转酯反应，由第一个外显子产生的显子产生的3羟基攻击第二个外显子的羟基攻击第二个外显子的5磷酸基。磷酸基。在两次转酯反应中产生的线状内含子片断，可以在两次转酯反应中产生的线状内含子片断，可以产生环化。产生环化。l如：四膜虫如：四膜虫rRNA前体的拼接前体的

45、拼接第一次转酯反应第一次转酯反应： 鸟苷酸鸟苷酸3 3- -羟基与羟基与内含子的内含子的5 5- -磷酸基结合。磷酸基结合。第二次转酯反应第二次转酯反应：第一个外显子第一个外显子3 3羟基攻击羟基攻击第二个外显子第二个外显子5 5磷酸基。磷酸基。鸟苷酸参与的自我拼接鸟苷酸参与的自我拼接（2）类型类型自我拼接自我拼接 类型类型内含子本身也具有催化功能，能够自内含子本身也具有催化功能，能够自我完成拼接我完成拼接。它与类型。它与类型内含子自我拼接的差别在内含子自我拼接的差别在于转酯反应于转酯反应无需游离鸟苷酸无需游离鸟苷酸发动，而是由内含子靠发动，而是由内含子靠近近3端的腺苷酸端的腺苷酸2-羟基攻击

46、羟基攻击5-磷酸基引起的。磷酸基引起的。 经过两次脱酯反应，内含子成为套索结构被切经过两次脱酯反应，内含子成为套索结构被切除，两个外显子得以连接在一起。除，两个外显子得以连接在一起。 类型类型内含子只见于某些真菌线粒体和植物叶内含子只见于某些真菌线粒体和植物叶绿体基因。绿体基因。O-PO-PO-PO-PHO-AHO-A5 5P POH3OH3外显子外显子外显子外显子第一次转酯第一次转酯第二次转酯第二次转酯OHOHO-PO-PP-O-AP-O-A5 5P POH3OH3O O-P-P5 5P POH3OH3P-O-AP-O-AOHOH+ +P480图图36-20内含子靠近内含子靠近3 3端的腺苷

47、酸端的腺苷酸2 2- -羟基羟基攻击攻击5 5- -磷酸基磷酸基 （核酶功能）（核酶功能）两个外显子连接在一起两个外显子连接在一起内含子成为套索结构被切除内含子成为套索结构被切除无鸟苷酸参与的自我拼接无鸟苷酸参与的自我拼接（3）hnRNA的拼接的拼接l hnRNA（核内不均一（核内不均一RNA)的拼接的拼接与类型与类型内含子的内含子的拼接十分相近，其差别在于前者由拼接体完成，后者由内拼接十分相近，其差别在于前者由拼接体完成，后者由内含子自我催化完成。含子自我催化完成。l 核内核内mRNA前体的拼接前体的拼接与类型与类型内含子的拼接也十分相内含子的拼接也十分相近，但是核内近，但是核内mRNA前体

48、的内含子数目非常庞大，不可能前体的内含子数目非常庞大，不可能都保持都保持型内含子的型内含子的核酶结构核酶结构，唯一可行的途径是将，唯一可行的途径是将型型内含子的催化功能转交某些小内含子的催化功能转交某些小RNA和辅助蛋白完成。和辅助蛋白完成。l这些小这些小RNA和辅助蛋白，即拼接体，起核酶作用。和辅助蛋白，即拼接体，起核酶作用。2、RNA的编辑的编辑l 编辑是一种最奇特的编辑是一种最奇特的Pre-RNA后加工方式。后加工方式。 编辑的定义编辑的定义是指是指在在mRNA 的编码区内引入或丢失任的编码区内引入或丢失任何与其基因编码链序列不同信息的过程何与其基因编码链序列不同信息的过程。l它主要有两

49、种方式：它主要有两种方式： 一种是在编码区内增加或减少一定数目的核苷酸一种是在编码区内增加或减少一定数目的核苷酸 （主（主要是尿苷酸）要是尿苷酸）； 另外一种是编码区的碱基在另外一种是编码区的碱基在RNA水平上发生转换或颠换水平上发生转换或颠换。RNA编辑编辑l RNA编辑是在编辑是在mRNA水平上改变遗传信息的过程。水平上改变遗传信息的过程。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，使翻译生成的蛋白质的氨基酸组成，不同于基因列互补，

50、使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。序列中的编码信息现象。 lRNA编辑可使一个基因序列有可能产生几种不同的蛋编辑可使一个基因序列有可能产生几种不同的蛋白质，这可能是生物在长期进化过程中形成的、更经济有白质，这可能是生物在长期进化过程中形成的、更经济有效地扩展原有遗传信息的机制效地扩展原有遗传信息的机制。 RNA RNA 编辑的意义编辑的意义 1、 可以消除移码突变等基因突变的危害；可以消除移码突变等基因突变的危害； 2、增加了基因产物的多样性；、增加了基因产物的多样性； 3、和生物发育与分化有关，是基因调控的重要、和生物发育与分化有关，是基因调控的重要 方式；方式

51、； 4、可使基因产物获得新的结构和功能；、可使基因产物获得新的结构和功能； 5、与学习和记忆有关。、与学习和记忆有关。3、RNA的再编码的再编码l 过去一直认为编码在过去一直认为编码在mRNA上的遗传信息是以固定的上的遗传信息是以固定的方式进行译码的，然而并不尽然。事实表明，方式进行译码的，然而并不尽然。事实表明，在某些情况在某些情况下可以用不同的方式译码，也就是说改变了原来编码的含下可以用不同的方式译码，也就是说改变了原来编码的含义，称为再编码（义，称为再编码（recoding）。l 在正常情况下，在正常情况下，mRNA的三联体密码可以被的三联体密码可以被tRNA的的反密码子识别，反密码子识

52、别，MRNA的遗传信息得以正确翻译。但是，的遗传信息得以正确翻译。但是，基因出现错义、无义或移码突变，改变了编码信息时，通基因出现错义、无义或移码突变，改变了编码信息时，通过过+1或或-1等方式的再编码可以校正有害的基因突变。等方式的再编码可以校正有害的基因突变。例如：逆转录病毒劳氏肉瘤病毒例如：逆转录病毒劳氏肉瘤病毒RNARNA基因组上的基因组上的gaggag和和polpol阅读框架阅读框架gag阅读框架阅读框架 5 -UUG ACA AAU UUA UAG GG AGG GCC A-3pol阅读框架阅读框架 -UUG ACA AAUUU AUA GGG AGG GCC A-Leu Thr

53、AsnLeuStopIle Gly Arg Alagag gag 和和 pol pol 基因有基因有1bp1bp重叠，因此，阅读框架有重叠，因此，阅读框架有-1-1移位。移位。P P488488图图36-3036-30（四）（四）RNA生物功能的多样性生物功能的多样性lRNA的主要功能：的主要功能：（1）在遗传信息的翻译中起着决定作用）在遗传信息的翻译中起着决定作用（2）具有催化功能和其它持家功能）具有催化功能和其它持家功能（3）RNA转录后加工和修饰依赖于各类小转录后加工和修饰依赖于各类小RNA和其它蛋和其它蛋 白质复合物白质复合物（4）RNA对基因的表达和细胞功能具有重要的调节作用对基因的

54、表达和细胞功能具有重要的调节作用（5）RNA在生物进化中起重要作用在生物进化中起重要作用三三、在在RNA指导下指导下RNA和和DNA的合成的合成l(一一)RNA的复制的复制l(二二)RNA的逆转录的逆转录l(三三)逆转座子的种类和作用机制逆转座子的种类和作用机制（一）（一）RNA复制复制RNARNA复制酶复制酶以病毒以病毒RNARNA做模板做模板，在有，在有四种核苷三四种核苷三磷酸磷酸和镁离子存在时可合成出与模板性质相同和镁离子存在时可合成出与模板性质相同的的RNARNA。1 1、噬菌体、噬菌体QRNAQRNA的复制的复制2 2、病毒、病毒RNARNA复制的主要方式复制的主要方式1 1、噬菌体

55、QRNAQRNA的复制的复制A:A:负链的合成负链的合成 5pppG3OH病毒正链病毒正链 5pppG3OH新合成的负链新合成的负链 5Gppp 5pppG3OH 3HO 5Gppp1 1、噬菌体噬菌体QQRNARNA的复制的复制B:B:正链的合成正链的合成 3HO负链负链新合成的正链新合成的正链 5pppG3OH 3HO 5Gppp 5Gppp 3HO 5Gppp 5pppG复制中间体复制中间体2 2、病毒病毒RNARNA复制的主要方式复制的主要方式mRNA(+)链链（-）RNA（-）RNA（+）RNA（+）双链）双链RNA（+）双链）双链DNA（-）DNA（+）RNAP P493493图图

56、36-3436-34（病毒本身含负链（病毒本身含负链RNARNA和复制酶）和复制酶）(二二)RNA的逆转录的逆转录 1970 1970年年TeminTemin和和BaltimoreBaltimore同时分别从致癌同时分别从致癌RNARNA病毒中发病毒中发现现RNARNA指导的指导的DNADNA聚合酶聚合酶。 这个酶以这个酶以4 4种三磷酸脱氧核苷为底物能生成与病毒种三磷酸脱氧核苷为底物能生成与病毒RNA RNA ( (模板模板) )碱基序列互补的碱基序列互补的DNADNA。由于它催化遗传信息从。由于它催化遗传信息从RNARNA流流向向DNADNA，与转录作用正好相反，故称，与转录作用正好相反，

57、故称反转录酶反转录酶或或逆转录酶逆转录酶； 含有反转录酶的病毒称为反转录病毒。病毒感染细胞含有反转录酶的病毒称为反转录病毒。病毒感染细胞后通过反转录酶生成与病毒后通过反转录酶生成与病毒RNARNA碱基序列互补的碱基序列互补的DNADNA，并整，并整合到宿主细胞的染色体合到宿主细胞的染色体DNADNA中。中。逆转录过程逆转录过程l 逆转录过程可分为十步反应，其中需经逆转录过程可分为十步反应，其中需经逆转录酶两次转换模板逆转录酶两次转换模板（或称两次跳跃）。（或称两次跳跃）。l如下图所示。如下图所示。l逆转录酶是一个多功能酶。逆转录酶是一个多功能酶。12345678910逆逆转转录录过过程程P49

58、6图图36-361 1、由结合在靠近由结合在靠近5 5端端PBPB位点的位点的tRNAtRNA作为引物，在作为引物，在逆转录逆转录酶酶作用下合成作用下合成U U5 5和和R R区的区的互补互补DNADNA U U5 5和和R R。互补互补DNA 链链U5和和R见见P496图图36-36基因组基因组RNA （+）链）链l2、由逆转录酶的、由逆转录酶的RNase H将模板将模板RNA的的U5和和R区水解掉。区水解掉。(5-核酸外切酶功能核酸外切酶功能) 由逆转录酶发挥由逆转录酶发挥5 5- -核酸外核酸外切酶功能作用，将模板切酶功能作用，将模板RNARNA的的U U5 5和和R R区水解掉。区水解

59、掉。33 3 3、新合成的新合成的DNADNA链之链之R R（红箭头所示红箭头所示）与）与RNA3RNA3端的端的R R （兰箭头所示兰箭头所示）配对，逆转录酶随之转换为以此）配对，逆转录酶随之转换为以此RNA3RNA3端作端作为模板，这是第一次跳跃。为模板，这是第一次跳跃。34 4、（- -）链链DNADNA的继续延长的继续延长- 链链DNA5 5、模板、模板RNARNA的的U U3 3、R R和和poly(A)npoly(A)n被水解掉，被水解掉，5 5端端也开始被水解。也开始被水解。(3-和和5-核酸外切酶功能核酸外切酶功能)RNADNA(-)6 6、以、以RNARNA的的3 3端为引物合成（端为引物合成（+ +）链）链 DNADNA的的 U U3 3-R-U-R-U5 5RNA的的3端端（+）链）链 DNA的的 U3-R-U57 7、引物、引物tRNAtRNA被降解掉被降解掉 8 8、（、（+ +）链）链DNA DNA 与（与（- -）链）链DNADNA在在PBPB位点处配对，位点处配对，即第二次跳跃，即第二次跳跃，逆转录酶开始以逆转录酶开始以新合成的（新合成的（- -）链）链DNADNA为模板，合成为模板，合成（+ +）链）链DNADNA。剩。剩余的余的RNARNA同时切除。同时切除。 9 9