生物化学RNA生物合成

生物化学RNA生物合成第1页/共49页主要内容第一节DNA指导下RNA的合成（转录）第二节RNA转录后加工第三节RNA指导下RNA的合成(RNA的复制)第四节核酸生物合成的抑制剂第2页/共49页DNAdependentDNApolymerase——DDDPDNAdependentRNApolymerase——DDRPRNAdependentRNApolymerase——RDRPRNAdependentDNApolymerase——RDDPDNA复制（DDDP）转录（DDRP）RNA蛋白质翻译RNA复制（RDRP）反转录（RDDP）第3页/共49页第一节DNA转录

一、转录的概念二、RNA聚合酶及催化反应三、RNA合成过程第4页/共49页一、转录的概念

转录是在DNA的指导下和RNA聚合酶的催化下，按照碱基配对的原则，合成一条与模板DNA互补的RNA的过程。

RNA的转录从DNA模板的特定位点开始，并在一定的位点终止。此转录区域为一个转录单位。第5页/共49页DNA的有义链和反义链

启动子（promoter)

终止子(terminator)模板链（templattestrand）反意义链(antisensestrand)有意义链(sensestrand)非信息区DNA5´5´3´3´

模板链：双链DNA中具有转录活性的的链称为模板链，又称反义链（或负链）。

编码链：双链DNA中无转录活性的链称为编码链，又称有义链（或正链）。第6页/共49页a、相同点：都需要模板都以三磷酸核苷酸为底物（NTP或dNTP）合成方向都是5’→3’转录与复制的比较b、不同点

转录不需引物；只转录DNA分子中的一个片段（称为转录单位或操纵子,operon)；双链DNA中只有一条链具有转录活性（称为模板链）；哪个基因被转录与特定的时间、空间、生理状态有关。

RNA聚合酶无校对功能。第7页/共49页大肠杆菌的RNA聚合酶

二、RNA聚合酶及催化反应由5种亚基α2ββ’σ组成全酶；没有σ、亚基的酶称为核心酶，只催化链的延长；σ称为起始因子，能识别DNA链的转录起始信号（启动子）第8页/共49页大肠杆菌RNA聚合酶的结构示意图核心酶(α2ββ)起始因子β——和模板DNA结合β——起始和催化聚合反应α——？全酶(α2ββ)第9页/共49页

大肠杆菌RNA聚合酶各亚基的功能亚基基因Mr亚基功能数目αrpoA40,OOO2酶的装配，与启动子上游元件和活化因子结合βrpoB155,0001结合核苷酸底物，催化磷酸二酯键形成β’rpoC160,0001与模板结合σrpoD32,OOO-1识别启动子，促进转录

92，000的起始

9,OOO1未知第10页/共49页原核细胞RNA的催化反应1960年，RNA聚合酶被发现。在E.coli中，RNA聚合酶催化RNA的合成需要：模板：双链或单链DNA活性单体物质：四种NTP二价金属离子：Mg2+或Mn2+，在生物体中(invivo）发现的是Mg2+合成方向：5’3’第11页/共49页解螺旋恢复螺旋转录泡模板链编码链RNA聚合酶作用示意图第12页/共49页RNA聚合酶催化的反应ACGACGUU模板DNA5´3´5´3´新合成RNA第13页/共49页酶类分布产物α-鹅膏蕈碱对酶的作用分子量反应条件ⅡIⅢ核仁核质核质rRNA5.8SrRNA18SrRNA28SrRNAmRNAsnRNAtRNA5SrRNA不抑制低浓度抑制高浓度抑制500000~700000~700000_低离子强度,要求Mg2+或Mn2+高离子强度高Mn2+浓度真核细胞的RNA聚合酶同样，真核RNA聚合酶无校对功能。第14页/共49页RNA聚合酶的特点

反应底物：NTP，DNA为模板、Mg2+促进聚合反应。

RNA聚合酶不需要引物，合成方向53。真核生物与原核生物的RNA聚合酶结构不同.

利福平抑制原核生物RNA聚合酶活性；α-

鹅膏蕈碱抑制真核生物RNA聚合酶活性。第15页/共49页

起始位点的识别转录起始链的延伸转录终止三、RNA的转录过程：（以大肠杆菌为例）第16页/共49页

起始位点的识别与启动子

RNA的合成不需要引物。体外实验证明，不含σ亚基的核心酶会随机地在一个基因的两条链上启动，当有σ亚基时就会选择正确的起点。σ亚基起着识别DNA分子上的起始信号（启动子）的作用。

启动子---指RNA聚合酶识别、结合和开始转录的一段DNA序列RNA聚合酶起始转录需要的辅助因子（蛋白质）称为转录因子(transcriptionalfactor)。第17页/共49页启动子的结构至少由三部分组成：-35序列提供了RNA聚合酶全酶识别的信号；-10序列是酶的紧密结合位点（富含AT碱基，利于双链打开）；第三部分是RNA合成的起始点。AACTGTATATTATTGACATATAAT+1转录起始点5’3’3’5’

35序列

Sextama框

10序列Pribnow框第18页/共49页

转录起始

RNA聚合酶全酶扫描解链区，找到起始点，然后结合第一个核苷三磷酸。加入的第一个核苷三磷酸常是GTP或ATP，很少是CTP，不用UTP。所形成的启动子、全酶和核苷三磷酸复合物称为三元起始复合物，第一个核苷三磷酸一旦掺入到转录起始点，σ亚基就会被释放脱离核心酶。第19页/共49页因子仅与起始有关，RNA的合成一旦开始，便被释放E-35-10pppG或pppA5’5’3’3’模板链第20页/共49页下一页上一页RNA转录起始第21页/共49页RNA链的延伸延伸：核心酶沿着DNA链由3’→5’的方向移动，RNA链沿5’→3’延长，转录区间的DNA双链解螺旋，而转录完的区间DNA又恢复双螺旋结构.第22页/共49页RNA链的延伸图解3´5´RNA-DNA杂交螺旋聚合酶的移动方向新生RNA复链解链有义链模板链（反义链）延长部位第23页/共49页

转录终止与终止子终止子:在DNA分子上（基因末端）提供转录停止信号的DNA序列称为终止子（terminators),它能使RNA聚合酶停止合成RNA并释放出RNA。

终止：核心酶到达终止子，RNA与核心酶从DNA上脱落.第24页/共49页需要ρ因子（终止因子，协助RNA聚合酶识别终止信号的蛋白质），ρ因子能与RNA聚合酶结合但不是酶的组分，它的作用是阻止RNA聚合酶向前移动，于是转录终止，并释放出已转录完成的RNA链。不依赖于ρ因子。强终止子序列有两个明显的特征：（1）在终止点之前具有一段富含G-C的回文区域。（2）富含G-C的区域之后是一连串的dA碱基序列，它们转录的RNA链的末端为一连串U（连续6个）。弱终止子：缺少回文结构强终止子：有回文结构第25页/共49页大肠杆菌两类终止子的回文结构A.不依赖于Rho（）的终止子B.依赖于Rho（）的终止子富含G-C系列U第26页/共49页

不依赖ρ-因子的终止子：含富GC的回文序列和寡聚U序列。第27页/共49页RNA合成过程起始双链DNA局部解开磷酸二酯键形成终止阶段解链区到达基因终点延长阶段53RNA

启动子（promoter)

终止子(terminator)5RNA聚合酶5353553离开第28页/共49页DNA和RNA合成的比较第29页/共49页真核生物和原核生物转录的差别DNA核核糖体新生蛋白质真核生物原核生物mRNA前体转运加工mRNAmRNA

真核生物中转录与复制在不同的区域

RNA聚合酶不相同启动子不同转录后RNA加工修饰不同第30页/共49页第二节RNA转录后的加工一、RNA的加工二、RNA的拼接、编辑和再编码三、RNA生物功能的多样性四、RNA的降解第31页/共49页一转录产物的加工

在细胞内，由RNA聚合酶合成的原始转录物（primarytranscript）往往需要一系列的变化，包括链的裂解、5和3末端的切除和特殊结构的形成、核苷的修饰、以及拼接和编辑等过程，才转变为成熟的RNA分子。此过程总称为RNA的成熟或称为RNA的转录后加工。

原核生物的mRNA转录后一般不需要加工，转录的同时即进行翻译（半寿期短）。rRNA前体的加工

tRNA前体的加工真核mRNA前体的加工

第32页/共49页rRNA前体的加工

加工过程：

a剪切作用：需核酸酶参与。

B甲基化修饰：修饰在碱基上。

C自我剪接：一种核酶的作用。

原核rRNA加工：rRNA含非转录的间隔区，其产物中含tRNA

真核rRNA加工：

A.5S自成体系加工少，无修饰和剪接。

B.45S加工中含剪切和甲基化修饰，需核酸酶。第33页/共49页原核生物rRNA转录前体的加工甲基化核酸内切酶核酸外切酶第34页/共49页真核生物rRNA转录前体的加工核酸外切酶甲基化核酸内切酶和外切酶第35页/共49页tRNA前体的加工包括：核酸外切酶从两端向内切去多余序列；在3’-端加CCAOH序列;核苷酸的修饰与异构化；核酸内切酶切除居间序列。第36页/共49页真核mRNA前体的加工（1）hnRNA被剪接把内含子（DNA上非编码序列）转录序列剪掉，把外显子（DNA上的编码序列）拼接上，真核生物一般为不连续（断裂）基因（真核生物结构基因，由若干个编码区和非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因）。（2）3’端添加polyA“尾巴”；（3）5’端连接“帽子”结构（m7G5ppp5NmpNp-）；（4）分子内部的核苷酸甲基化修饰。第37页/共49页因发现断裂基因而获1993年诺贝尔生理学奖的RichardJRobertsandPhllipASharp第38页/共49页真核细胞mRNA的加工5´

“帽子”PolyA

3´

顺反子(cistron)

m7G-5´ppp-N-3´pAAAAAAA-OH

5′端接上一个“帽子”(CAP)结构

3′端添加PolyA“尾巴”,由RNA末端核苷酸转移酶催化剪接：剪去内含子(intron)，拼接外显子(extron)第39页/共49页二、RNA的拼接、编辑和再编码

大多数的真核基因都是断裂基因，断裂基因的转录产物产物需要通过拼接，去除插入部分（即内含子，intron），使编码区（即外显子，Extron）成为连续序列，这是基因表达的一个重要环节。

RNA编码序列的改变称为编辑（editing），RNA编码和读码方式的改变称为再编码（recoding）。由于存在选择性的拼接、编辑和再编码，一个基因可以产生多种蛋白质。第40页/共49页RNA编辑的不同类型和分布

编辑类型机制存在U的插入与删除

gRNA的转酯反应锥虫线粒体mRNAC、A或U的插入多头绒孢菌线粒体的

mRNA和tRNAG的插入RNA聚合酶重复转录副粘病毒的P基因C转变为U酶促脱氨

哺乳类肠的apoPtRNAC转变为U或U转变为C脱氨或氨基化植物线粒体mRNA和tRNA

牛心线粒体tRNAA转变为I脱氨脑谷氨酸受体亚基mRNARNA编辑的生物学意义消除移码突变等基因突变的危害增加了基因产物的多样性与生物发育与分化有关，是基因调控的一种重要方式第41页/共49页三、RNA生物功能的多样性1、RNA在遗传信息的翻译中起着决定作用。2、RNA具有重要的催化功能和其他持家功能。3、RNA转录后加工和修饰依赖于各类小RNA和其他蛋白质复合物。4、RNA对基因表达和细胞功能具有重要调节作用。5、RNA在生物进化中起重要作用。第42页/共49页四、RNA的降解

RNA降解是涉及到基因表达的一个重要环节，rRNA和tRNA是稳定的RNA，其更新率低；mRNA是不稳定的RNA，其更新率非常高。因为mRNA于其编码基因的表达活性直接有关，不同的RNA需要以不同的速度进行降解。脊椎动物细胞mRNA的平均半衰期约为3h,细胞每一世代中各类mRNA约周转10次。细菌mRNA的半衰期大约只有1.5min，以适应快速生长和对环境作出快速反应的要求。所有细胞中都存在各种核糖核酸酶，可以降解RNA。真核生物mRNA降解的主要途径首先是poly(A)尾巴的缩短，去腺苷酸化能诱发脱去5端帽子结构，然后由5→3方向和3→

5

方向降解mRNA。第43页/共49页第三节RNA复制（噬菌体Qβ和灰质炎病毒）

概念：某些RNA病毒以自身RNA为模板合成与自身RNA完全相同RNA分子的过程称为RNA的复制。两个阶段:（1）病毒RNA可充当mRNA，利用寄主中的核糖体合成外壳蛋白和复制酶的β亚基。（2）复制酶的β亚基与来自宿主细胞的亚基αδ自动装配成RNA复制酶，进行RNA复制，通常以分子中单链RNA为模板（正链），复制出一条新的RNA链（负链），然后以负链为模板复制出大量正链，再与外壳蛋白组装成