17第十七章RNA的生物合成

1、第十七章第十七章 rnarna的生物合成的生物合成生物化学生物化学 rna synthesisrna synthesis2preface转录：转录：在在dnadna指导下合成指导下合成 rnarna 的过程。的过程。转录单位：转录单位：rnarna链的转录起始和终止点之间（模板链的转录起始和终止点之间（模板dnadna）的转录区域）的转录区域。可以为可以为一个基因或多个基因一个基因或多个基因。动态过程：动态过程：见动画见动画 rnarna转录过程转录过程0101生物化学生物化学 rnarnasynthesissynthesisemphasislrna rna 聚合酶的特性聚合酶的特性l启动子和

2、终止子启动子和终止子l操纵子操纵子lrna rna 后加工后加工生物化学生物化学 rnarnasynthesissynthesis4content转录及调控转录及调控rnarna转录后加工转录后加工rnarna复制复制rnarna生物合成的抑制剂生物合成的抑制剂生物化学生物化学 rnarnasynthesissynthesis5lrna聚合酶聚合酶l转录过程转录过程l启动子和转录因子启动子和转录因子l终止子和终止因子终止子和终止因子l转录过程的调节控制转录过程的调节控制1、转录及调控、转录及调控生物化学生物化学 rnarnasynthesissynthesis6（1 1）rnarna聚合酶聚合

3、酶 模板指导型酶：模板指导型酶：由模板由模板dna链指导，产物链指导，产物rna决定于模板决定于模板dna性质。性质。dna - directed rna polymerase 聚合方向：聚合方向：53；可逆，但由；可逆，但由 ppi 水解推动正反应。水解推动正反应。 底物：底物：dntp（三磷酸核苷酸，（三磷酸核苷酸，dutp），受），受 mg2+ 激活；激活； 不需要引物链：不需要引物链：可直接在模板上合成可直接在模板上合成rna； 无校对功能无校对功能 体内、外转录区别：体内、外转录区别：体内仅一条链或两条链的不同区域分别体内仅一条链或两条链的不同区域分别转录，转录，体外可双链同时转录。

4、体外可双链同时转录。生物化学生物化学 rnarnasynthesissynthesis7生物化学生物化学 rnarnasynthesissynthesis8附附1： e. coli 的的 rna 聚合酶组成聚合酶组成亚基亚基分子量分子量基因基因比例比例功能功能160 krpob1结合模板结合模板dna结合结合dntp催化磷酯键形成催化磷酯键形成催化中心催化中心核心酶组分核心酶组分150 krpoc137 krpoa2酶的装配，结合启动酶的装配，结合启动子上游元件子上游元件核心酶组分核心酶组分32-92 krpod1起始亚基，起始作用，起始亚基，起始作用，不同细胞变动较不同细胞变动较大。大。不同

5、不同识别不同识别不同启动子启动子9 k1未知未知全酶组分，全酶组分，非核心酶组分非核心酶组分生物化学生物化学 rnarnasynthesissynthesis9附附2：真核真核 rna聚合酶聚合酶种类种类名称名称分布分布合成的合成的rna类型类型a（i）对对a-鹅膏蕈碱不敏感鹅膏蕈碱不敏感ai(a+b), i, ia, rc-ii, aii, ib核仁核仁rrnab（ii）对低浓度对低浓度a-敏感敏感bi, ii, iia, rc-i, bii, iib核质核质mrna前体前体, snrnac（iii）对高浓度对高浓度a-敏感敏感aiii, iii, rc-iii核质核质trna和和5s rr

6、na生物化学生物化学 rnarnasynthesissynthesis500 kdal500 kdal, 8-14 subunit, 8-14 subunit，含，含 znzn2+2+10（2 2）转录过程转录过程起始起始 见：见：动画动画rna转录过程转录过程02 起起 始：始： rna polymerase 对双链对双链 dna 特定部位特定部位（promotor）的的识别识别；“局部局部” 解开解开 dna双链，形成双链，形成“转录泡转录泡” 最初两个最初两个 核苷酸核苷酸 间间 形成形成 磷酸二酯键，第一个核苷酸为磷酸二酯键，第一个核苷酸为 pppg/a生物化学生物化学 rnarnas

7、ynthesissynthesis11（2 2）转录过程转录过程延伸延伸 延延 伸：伸：dna 和和 rna聚合酶聚合酶 分子变构，释放因子，分子变构，释放因子，核心酶核心酶 沿着模板沿着模板dna（3- 5）移动并移动并（ 5- 3）合成合成rna，形成，形成局部局部 杂交杂交 dna-rna分子分子；dna再置换再置换rna。生物化学生物化学 rnarnasynthesissynthesis12（2 2）转录过程转录过程终止终止 终终 止：止：核心酶核心酶 到达到达 terminator，在，在终止因子终止因子帮助下，聚合帮助下，聚合反应终止，反应终止，rna链链 和和 核心酶核心酶 从从

8、dna脱落脱落 转录全过程：转录全过程：见见 动画动画rnarna转录过程转录过程0202生物化学生物化学 rnarnasynthesissynthesis13启动子和转录因子：启动子和转录因子：rna聚合酶能够识别、结合和开始转录的一段聚合酶能够识别、结合和开始转录的一段dna片段（片段（弱弱），转录时需要的辅助因子（），转录时需要的辅助因子（pn）为）为转录因子转录因子。启动子的位置：启动子的位置：上游或基因内上游或基因内正链和负链，上游和下游正链和负链，上游和下游（3）启动子和转录因子启动子和转录因子生物化学生物化学 rnarnasynthesissynthesisstartstart1

9、4附：附：rna polymerase binding to promotor 占据占据dna上上 75-80bp，即由启动子，即由启动子-55 bp +20bp动态：动态：见见rna聚合酶与聚合酶与dna结合结合生物化学生物化学 rnarnasynthesissynthesisstartpoint-50 bp-30 bp20 bp15 大肠杆菌大肠杆菌pribnow box（框）：（框）：大肠杆菌转录起点上游大肠杆菌转录起点上游（-10序列，序列，tata box）6bp 保守序列保守序列 t90a95t45a60a50t96。其突变不会影响其突变不会影响 rna酶酶 与与 启动子启动子 的

10、结合速度，但会降低双链的解开速度。的结合速度，但会降低双链的解开速度。识别区域识别区域 -35 序列：序列：t85t83g81a61c69a52，突变会影响突变会影响rna酶与启动子的酶与启动子的结合速度。结合速度。附：附：原核细胞启动子的组成原核细胞启动子的组成生物化学生物化学 rnarnasynthesissynthesis16生物化学生物化学 rnarnasynthesissynthesis17较原核细胞复杂且长，差异大，较原核细胞复杂且长，差异大，由转录因子识别由转录因子识别。可分为三类。可分为三类分别由分别由rna聚合酶聚合酶i、ii和和iii转录转录），通常第一个核苷酸为），通常第

11、一个核苷酸为a。类型类型ii启动子：启动子：编码编码 mrna 基本启动子：基本启动子： 起始子：起始子： 上游元件：上游元件： 应答元件：应答元件：附：附：真核细胞启动子的组成真核细胞启动子的组成i生物化学生物化学 rnarnasynthesissynthesis18生物化学生物化学 rnarnasynthesissynthesis上游元件上游元件基本启动子基本启动子起始子起始子19 基本启动子：基本启动子：basal promotor goldberg-hogness box （tata盒盒），），-25 -30 左右处左右处7bp 碱基频率：碱基频率：t82 a97 t85 a63/t3

12、7 a82 a60/t37 和和通用因子（通用因子（gif）组成转录的必要元件，非充分条件组成转录的必要元件，非充分条件 和和通用因子（通用因子（gif）成形成前起始复合物的主要成形成前起始复合物的主要装配位点装配位点 影响转录起始频率影响转录起始频率附：附：真核细胞启动子的组成真核细胞启动子的组成ii生物化学生物化学 rnarnasynthesissynthesis20 起始子：起始子：initiator 共有序列：共有序列：py py a n t/a p y py附：附：真核细胞启动子的组成真核细胞启动子的组成iii生物化学生物化学 rnarnasynthesissynthesis转录起点

13、转录起点21 上游元件：上游元件：upstream element, 转录辅助因子转录辅助因子 caat box（-75序列序列）:9bp，ggt/ccaatct, 与与rna酶的结合有关酶的结合有关 gc box：caat框上游处，框上游处，gggcgg，与，与caat框全称为框全称为上游因子（上游因子（upstream elements） 八聚体八聚体 octamer：atgcaaat附：附：真核细胞启动子的组成真核细胞启动子的组成iv生物化学生物化学 rnarnasynthesissynthesis22生物化学生物化学 rnarnasynthesissynthesis上游元件上游元件基本

14、启动子基本启动子起始子起始子23l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聚合酶识别终止信号的辅助因子辅助因子pnl通读和抗终止因子：通读和抗终止因子：终止子被特异的因子所阻止，使终止子被特异的因子所阻止，使rna聚合酶聚合酶趆过终止子趆过终止子继续转录（继续转录（read through）；引起抗终）；引起抗终止作用的止作用的pn抗终止因子抗终止因子。l回顾：回顾：见动画见动画rna转录过程转录过程02（4）终止子和终止因子终止子和终止因子生物化学生物化学 rnarnasynthesissynthesis24终

15、止子的识别与特点终止子的识别与特点:真核生物机制不详真核生物机制不详 rna聚合酶和辅助因子本身可识别终止子；聚合酶和辅助因子本身可识别终止子； 终止子位于已转录终止子位于已转录dna序列中（序列中（聚合酶只能感受已转录的聚合酶只能感受已转录的dna 在终止信号前均有一个回文序列，产生的在终止信号前均有一个回文序列，产生的rna可形成由可形成由茎环茎环构构成的成的发夹结构发夹结构，可使，可使聚合酶聚合酶移动移动减缓或暂停减缓或暂停rna的合成；的合成； 终止子识别的辅助因子：终止子识别的辅助因子：nus 因子，因子，69kd酸性多肽酸性多肽注：注：rna产生的发夹型结构较多，但只有产生的发夹型

16、结构较多，但只有终止序列终止序列可能使转录可能使转录停止。停止。生物化学生物化学 rnarnasynthesissynthesis25附：附：终止因子终止因子 e.coli 终止子的两种类型：终止子的两种类型：不依赖于不依赖于 的终止子：的终止子：简单终止子，终点前富含简单终止子，终点前富含6 u，回文结构对称区，回文结构对称区富含富含gc；依赖型终止子：依赖型终止子：回文结构不含富有回文结构不含富有gc区；回文结构后无寡聚区；回文结构后无寡聚u 因子：因子：46 kd六聚体蛋白，具有依赖六聚体蛋白，具有依赖rna的的ntpase（水解三磷酸核（水解三磷酸核苷酶）活力苷酶）活力（供能）（供能）

17、和和rnadna解螺旋酶（解螺旋酶（helicase）活力。）活力。依赖型的终止方式：依赖型的终止方式：rna聚合酶遇终止子发生暂停，使聚合酶遇终止子发生暂停，使追上酶，追上酶， 与酶相互作用使与酶相互作用使rna释放，并使聚合酶与释放，并使聚合酶与从从dna链上脱落下来。链上脱落下来。生物化学生物化学 rnarnasynthesissynthesis26l转录调节控制是基因表达最重要的调控途径？转录调节控制是基因表达最重要的调控途径？ 主要方式：主要方式：时序调控和适应性调控时序调控和适应性调控 调节过程：调节过程：转录起始和终止阶段转录起始和终止阶段 operon structural m

18、odel:monod & jacob（france），），操操纵子：纵子：原核生物功能相关的基因的组合，是基因表达和调控的原核生物功能相关的基因的组合，是基因表达和调控的单位：单位：控制部位（控制部位（启动子启动子+操纵基因操纵基因）和和结构基因结构基因 操纵基因：操纵基因：上、下游各有一个相似的回文结构序列上、下游各有一个相似的回文结构序列（5）转录过程的调节控制转录过程的调节控制生物化学生物化学 rnarnasynthesissynthesis27生物化学生物化学 rnarnasynthesissynthesis动态过程：动态过程：见动画见动画 操纵子模型操纵子模型28真核生物与原

19、核生物转录水平的差异真核生物与原核生物转录水平的差异 不组成操纵子不组成操纵子 存在大量顺式元件和反式因子，调节复杂存在大量顺式元件和反式因子，调节复杂 以正调节为主，可诱导因子以共价修饰为主（磷酸化）以正调节为主，可诱导因子以共价修饰为主（磷酸化） 具有染色质结构水平调节网络具有染色质结构水平调节网络了解：了解： 正调控，负调控，葡萄糖效应，乳糖操纵子、多（单）顺反子正调控，负调控，葡萄糖效应，乳糖操纵子、多（单）顺反子 顺式元件：顺式元件：调节子，操纵子，增强子、衰减子、沉默子调节子，操纵子，增强子、衰减子、沉默子 反式作用因子：反式作用因子： crp、 hth、zinc finger、h

20、lp、zip生物化学生物化学 rnarnasynthesissynthesis29生物化学生物化学 rnarnasynthesissynthesis302、rna转录后加工转录后加工 耗能：耗能：大肠杆菌大肠杆菌nad（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）；（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）；动物细动物细胞和噬菌体胞和噬菌体atp。 后加工的途径：后加工的途径： 链的裂解链的裂解 末端切除和特殊结构形成末端切除和特殊结构形成 碱基修饰和糖苷键的改变碱基修饰和糖苷键的改变 拼接、编辑拼接、编辑生物化学生物化学 rnarnasynthesissynthesis31附：附：mrna mrna 与与 dnadna 的区别的区

21、别m m7 7g g55pppppp55nmnm5-cap5-cap5-5-非编码区非编码区编码区编码区编译起始编译起始控制区控制区抑制因子抑制因子结合位点结合位点augaugugaugauaauaauaguag抑制因子抑制因子结合位点结合位点3-3-非编码区非编码区定位定位信号信号a an naaaohaaaoh3poly(a)3poly(a)aauaaaaauaaa生物化学生物化学 rnarnasynthesissynthesis32（1）原核生物中）原核生物中rna后加工后加工 rrna前体的加工前体的加工剪切：剪切：30s 前体（前体（2.1md，6.3kb） 16s rrna+23s

22、rrna ; 5末末端和端和 3末端序列的切除末端序列的切除甲基化：甲基化：16s （m4cm） trna前体的加工前体的加工前体两端被内切酶切断前体两端被内切酶切断外切酶从外切酶从3末端逐一将附加序列切除（修剪）末端逐一将附加序列切除（修剪）在在trna3terminor 添加胞苷酸胞苷酸腺苷酸（添加胞苷酸胞苷酸腺苷酸（-ccaoh）：）：所有所有trna的的3结构；结构；核苷的修饰：核苷的修饰：甲基化等甲基化等 mrna前体的加工前体的加工大多数不用加工？大多数不用加工？少数多顺反子需通过内切成较小的单位少数多顺反子需通过内切成较小的单位生物化学生物化学 rnarnasynthesissy

23、nthesis33（2）真核生物的）真核生物的rna后加工后加工rrna前体的加工前体的加工剪切：剪切：45s 前体（前体（41md） 41s32s +20s 28s+5.8s+18s;甲基化：甲基化：2-oh 甲基化甲基化; trna前体的加工前体的加工:数量（数量（2501300）远多于原核细胞（）远多于原核细胞（60个）个）前体两端被内（外）切酶切断前体两端被内（外）切酶切断在在trna3terminor 添加胞苷酸胞苷酸腺苷酸（添加胞苷酸胞苷酸腺苷酸（-ccaoh）：）：核苷的修饰：核苷的修饰：甲基化等甲基化等mrna前体的加工前体的加工5cap （m7g5ppp5nmpnp-）3ta

24、il（poly a）除去内含子序列，将外显子进行拼接。除去内含子序列，将外显子进行拼接。链内部核苷酸甲基化链内部核苷酸甲基化生物化学生物化学 rnarnasynthesissynthesis34（3）rna后加工的方式后加工的方式 rna的拼接的拼接 rna的编辑的编辑 rna的再编码的再编码 rna的降解的降解生物化学生物化学 rnarnasynthesissynthesis35i、rna的拼接的拼接 拼接的目的：拼接的目的：大多数真核基因为断裂基因，转录后需要通过拼接去除内大多数真核基因为断裂基因，转录后需要通过拼接去除内含子，使编码区成为连续序列。含子，使编码区成为连续序列。 方式：方式

25、：分子内拼接分子内拼接（顺式拼接）（顺式拼接）+ 分子间拼接分子间拼接（反式拼接）（反式拼接）类型类型i自我拼接自我拼接（ribozyme自我催化，只需要阳离子和鸟苷酸，无需能量自我催化，只需要阳离子和鸟苷酸，无需能量和酶催化）和酶催化）类型类型ii自我拼接自我拼接（真菌线粒体和植物叶绿体基因）（真菌线粒体和植物叶绿体基因）hnmrna拼接：拼接：由由intron 自我催化完成；自我催化完成；核内核内hntrna拼接拼接：核酸内切酶作用，耗能；核酸内切酶作用，耗能；反式拼接和选择性拼接：反式拼接和选择性拼接：不同不同rna间拼接；一个间拼接；一个rna不同阶段的不同拼不同阶段的不同拼接方式得到

26、不同接方式得到不同 mrna和和 pn。生物化学生物化学 rnarnasynthesissynthesis36rna的拼接生物学意义的拼接生物学意义 疑惑：疑惑：为何要先转录内含子再切除？为何保留耗费巨大的为何要先转录内含子再切除？为何保留耗费巨大的拼接过程？内含子由何而来？为何只存在于真核生物？内含拼接过程？内含子由何而来？为何只存在于真核生物？内含子到底有何功能？子到底有何功能？是生物机体进化的结果：是生物机体进化的结果：外显子与外显子与pn结构域的对应结构域的对应是基因表达调节的重要环节是基因表达调节的重要环节内含子的存在可促进同源重组内含子的存在可促进同源重组extron &

27、intron 是相对的是相对的生物化学生物化学 rnarnasynthesissynthesis37ii、rna的编辑的编辑 rna编辑：编辑：改变改变rna编码序列的方式：编码序列的方式：核苷酸的插入，取代核苷酸的插入，取代 生物学意义：生物学意义： rna编辑可消除移码突变等基因突变的危害：在编辑可消除移码突变等基因突变的危害：在基因突变过程中丢失的基因突变过程中丢失的遗传信息可借助遗传信息可借助 guide rna为模板编辑补足为模板编辑补足 增加了基因产物的多样性：增加了基因产物的多样性：由同一基因转录后可编辑表达出多种同源体由同一基因转录后可编辑表达出多种同源体蛋白质；蛋白质； 与生

28、物发育与分化有关，与生物发育与分化有关，是基因调控的一种重要方式；是基因调控的一种重要方式； 可能增加基因产物获得新的结构和功能，可能增加基因产物获得新的结构和功能，有利于生物进化；有利于生物进化； 可能与学习和记忆有关可能与学习和记忆有关生物化学生物化学 rnarnasynthesissynthesis38iii、rna的再编码的再编码 rna的再编码：的再编码：在翻译过程中，可以不同方式译码（违反翻译在翻译过程中，可以不同方式译码（违反翻译的译码规则），改变了原来编码的含义。的译码规则），改变了原来编码的含义。 生物学意义：生物学意义：可以校正因基因错义、无义和移码突变，修正它可以校正因基

29、因错义、无义和移码突变，修正它们造成的基因活性降低或失活所带来的损害们造成的基因活性降低或失活所带来的损害 方式：方式：程序性阅读框架移位（翻译打嗝）；跳跃阅读。程序性阅读框架移位（翻译打嗝）；跳跃阅读。生物化学生物化学 rnarnasynthesissynthesis39iv、rna的降解的降解 特点：特点：rrna & trna寿命长、稳定，更新率较低；寿命长、稳定，更新率较低；mrna 寿命寿命差异大，总体不稳定，更新率非常高，数秒钟至数小时，细胞内一个差异大，总体不稳定，更新率非常高，数秒钟至数小时，细胞内一个世代中各类世代中各类 mrna 约周转约周转10次次 原因：原因：使生物细胞和生物机体以适应生长和对环境作出快速反应，使生物细胞和生物机体以适应生长和对环境作出快速反应，如：如：基因水平调控，即分子水平调节基因水平调控，即分子水平调节 降解体系：降解体系：主要依赖主要依赖核酸外切酶核酸外切酶和和内切酶内切酶 指导降解的信号：指导降解的信号：mrna-5-cap & mrna-3-tail生物化学生物化学 rnarnasynthesissynthesis403、rna复制复制