第32章rna的生物合成与加工课件

第32章RNA的生物合成与加工转录产物有mRNA、tRNA、rRNA。原核细胞的mRNA为单顺反子或多顺反子。真核细胞的mRNA为单顺反子。有义链，编码链；反义链，模板链E.coli的RNA聚合酶中，α2ββ′称为核心酶。σ因子辨认模板DNA的起始位点。第32章RNA的生物合成与加工转录产物有mRNA、tRN1基因的转录–mRNA的合成基因转录是以DNA为模板合成与其碱基顺序互补的mRNA的过程。细胞生长周期的某个阶段，DNA双螺旋解开成为转录模板，在RNA聚合酶催化下，合成mRNA。mRNA不能自我复制，即其本身不能作为复制模板，因此在转录过程中即使出现某些差错，也不会遗传下去。基因的转录–mRNA的合成基因转录是以DNA为模板合成与2

●基因表达的第一步●以D.S.DNA中的一条单链作为转录的模板●在依赖DNA的RNA聚合酶的作用下

●模板单链DNA的极性方向为3’→5’,而非模板单链DNA的极性方向与RNA链相同，均为5’→3’.DNA(书写DNA序列时，仅写非模板序列，可不注明极性方向)3’----TACTCAT----5’RNA5’----AUGAGUA----3’5’---ATGAGTA----3’Non-template(sensestrand)template(antisensestrand)若干基本概念

●

按AU，CG配对的原则，合成RNA分子●基因表达的第一步●以D.S.DN3●某一基因只以一条单链DNA为模板进行转录（不对称转录）

●RNA的转录包括promotion,elongation,termination三过程

●从启动子（promoter）到终止子（terminator）称为转录单位

（transcriptionalunit）

●原核生物中的转录单位多为polycistroninoperon

●转录原点记为+1，其上游记为负值，下游记为正值

真核生物中的转录单位多为monocistron,Nooperon

+1-10+10upstreamstartpointdownstream●某一基因只以一条单链DNA为模板进行转录（不对称转录4转录过程转录过程5mRNA合成mRNA合成6注意：RNA聚合酶与启动子结合启始转录RNA的合成从5，到3，模板是3，到5，只有一条DNA链可以转录转录后DNA恢复双链结构注意：RNA聚合酶与启动子结合启始转录7体外，两条DNA均可转录DNA以全保留的方式转录核心酶可以延伸，δ因子启始合成、识别启动子转录速度比复制慢，与翻译速度相近δ因子的存在影响核心酶的构象：降低了酶与DNA的结合常数与停留时间增加了与启动子的结合常数和停留时间起始后δ因子脱离，RNA延伸不同的δ因子识别不同类型的启动子体外，两条DNA均可转录8转录过程的选择性抑制放线菌素D是原核和真核细胞RNA聚合酶的专一抑制剂。利福平是原核细胞RNA聚合酶的抑制剂。α-鹅膏蕈碱是真核细胞RNA聚合酶的抑制剂。转录过程的选择性抑制放线菌素D是原核和真核细胞RNA聚合酶的9第一节RNA转录合成的特点

一、转录的不对称性转录(transcription)的不对称性就是指以双链DNA中的一条链作为模板进行转录，从而将遗传信息由DNA传递给RNA。第一节RNA转录合成的特点一、转录的不对称性转录(tr10有意义链反意义链5’5’3’3’5’5’对于不同的基因来说，其转录信息可以存在于两条不同的DNA链上。能够转录RNA的那条DNA链称为有意义链(模板链），而与之互补的另一条DNA链称为反意义链（编码链）。有意义链反意义链5’5’3’3’5’5’对于不同的基因来说，11二、转录的连续性RNA转录合成时，以DNA作为模板，在RNA聚合酶的催化下，连续合成一段RNA链，各条RNA链之间无需再进行连接。合成的RNA中，如只含一个基因的遗传信息，称为单顺反子；如含有几个基因的遗传信息，则称为多顺反子。

二、转录的连续性RNA转录合成时，以DNA作为模板，在RN12三、转录的单向性RNA转录合成时，只能向一个方向进行聚合，所依赖的模板DNA链的方向为3'→5'，而RNA链的合成方向为5'→3'。

三、转录的单向性RNA转录合成时，只能向一个方向进行聚合，所13四、有特定的起始和终止位点RNA转录合成时，只能以DNA分子中的某一段作为模板，故存在特定的起始位点和特定的终止位点，特定起始点和特定终止点之间的DNA链构成一个转录单位，通常由转录区和有关的调节顺序构成。

四、有特定的起始和终止位点RNA转录合成时，只能以DNA分14第二节RNA转录合成的条件

一、底物四种核糖核苷酸，即ATP，GTP，CTP，UTP。

二、模板以一段单链DNA作为模板。

第二节RNA转录合成的条件一、底物四种核糖核苷酸，15三、RNA聚合酶这是一种不同于引物酶的依赖DNA的RNA聚合酶。该酶在单链DNA模板以及四种核糖核苷酸存在的条件下，不需要引物，即可从5'→3'聚合RNA。

三、RNA聚合酶这是一种不同于引物酶的依赖DNA的RNA聚合16原核生物中的RNA聚合酶全酶由五个亚基构成，即α2ββ'σ。σ亚基与转录起始点的识别有关，而在转录合成开始后被释放，余下的部分（α2ββ'）被称为核心酶，与RNA链的聚合有关。

原核生物中的RNA聚合酶全酶由五个亚基构成，即α2ββ'σ。17大肠杆菌RNA聚合酶全酶Rifampin是RNA合成起始的抑制剂

大肠杆菌RNA聚合酶全酶Rifampin是RNA合成起始的抑18真核生物中的RNA聚合酶可按其对α-鹅膏蕈碱敏感性而分为三种，它们均由10～12个大小不同的亚基所组成，结构非常复杂，其功能也不同。

真核生物中的RNA聚合酶可按其对α-鹅膏蕈碱敏感性而分为三种19酵母RNA聚合酶Ⅰ和Ⅱ酵母RNA聚合酶Ⅰ和Ⅱ20四、终止因子1．ρ蛋白：这是一种六聚体的蛋白质，亚基的分子量为50kd。该蛋白因子能识别终止信号，并能与RNA紧密结合，导致RNA的释放。2．nusA蛋白：为一分子量69kd的酸性蛋白，它能与RNA及RNA聚合酶相结合，在终止部位使两者被释放。

四、终止因子1．ρ蛋白：这是一种六聚体的蛋白质，亚基21NusAprotein;

★

69Kd,acidprotein★RNApol-attachingfactor

★

ImpelRNApol.pausinginterminatorfor1’-15’andwaitingforRhofactortostoptranscriptionofRNA★Afterinitiation→substitutingδ→NusA+coreE(antitermination

Nproteinutilizationsubstance)

NusAprotein;★69Kd,ac22五、激活因子目前已知激活因子为降解产物基因激活蛋白（CAP），又称为cAMP受体蛋白（CRP）。是一种二聚体蛋白质，亚基分子量为23kd。该蛋白与cAMP结合后，刺激RNA聚合酶与起始部位结合，从而起始转录过程。

五、激活因子目前已知激活因子为降解产物基因激活蛋白（CAP23第三节RNA转录合成的基本过程

一、识别原核生物RNA聚合酶中的σ因子识别转录起始点，并促使核心酶结合形成全酶复合物。被辨认的区段就是位于转录起始点-35区的TTGACA序列。RNA聚合酶识别酶与该区结合后，即滑动至-10区的TATAAT序列（Pribnow盒）

，并启动转录。有利于DNA局部解开双链

第三节RNA转录合成的基本过程一、识别原核生物R24原核生物中转录起始区的共同序列原核生物中转录起始区的共同序列25R-35

B

-10I+1SextamaBoxPribnowBoxInitiationR-35B-10I+1Sex26位于基因上游，与RNA聚合酶识别、结合并起始转录有关的一些DNA顺序称为启动子（promoter)。转录起始的第一个核苷酸是pppG或pppA位于基因上游，与RNA聚合酶识别、结合并起始转录有关的一些D27Corepromoterregionincluding

SextamaBox;

RNApol.recognitionsite(Rsite)TTGAC(SextamaBox)-35siteRNApol.looselybindingsitePribnowBox;

TATAAT(pribnowBox)-10siteRNApol.firmlybindingsite(Bsite)Initiationsite;

+1RNAtranscriptionalstartpoint(Isite)

A/G-35(R)-10(B)+1(I)RNACorepromoterregionincludin28l

SextamaBox与PribnowBox间距17bp,有利于RNApol启动l

SextamaBoxorPribnowBoxmut.

间距趋近于17bp，upmutation间距远离于17bp，downmutation17bp的间距较17bp的序列对转录更为重要SextamaBoxandPribnowBoxmut.

→

转录率下降100X→

转录率下降1000Xl

SextamaBox与PribnowBox间29δ因子；★重复使用(Re-usable)

★使Holo-enzyme识别SextamaBox,与模板链结合

★修饰RNApol构型，降低全酶与DNA的非专一性结合力（107/mol）增强全酶与R,Bsite的专一性结合力(1014/mol)导致RNA链的延伸缓慢δ因子；★重复使用(Re-usable)★使Holo30Promoter与δfactor间的结合专效性

●决定了strongpromoter&weakpromoter★不同启动子的-35，-10区序列间存在较为保守的标准序列(标准启动子)★启动子中-35,-10区序列的差异影响与RNApol中δ因子的结合能力δfactorisresponsibleforrecognitionofconsensussequenceofpromoterandonlyrequiredforinitiation.Promoter与δfactor间的结合专效性●31真核生物的转录起始区上游也存在一段富含TA的顺序，被称为Hogness盒或TATA盒。

除此之外，在真核生物中还可见到其他带共性的序列，如CAAT盒及GC盒等。真核生物的转录起始区上游也存在一段富含TA的顺序，被称为Ho32Promoterforbasictranscription

(classIIrecognizedbyRNApolymeraseII)l

Capsite;initiationpoint(+1)Cappingm7GpppA/G------70±---AUG---(inmRNA)1-4Kb-70-30+1

GCislandCAAC/TboxTATAboxCap

EnhancerUPEcorepromoter

Promoter(basicfactor)

InitiationregionPyPyANT/(A)PyPyPromoterforbasictranscripti33Promoterforbasictranscriptionl

TATAbox/Hognessbox/Goldberg-Hognessbox(-30)RichATandrichGCflanked

richGC------TATAA(T)AA(T)------richGC

8297938563(37)8350(37)1-4Kb-70-30+1

GCislandCAAC/TboxTATAboxCap

EnhancerUPEcorepromoter

Promoter(basicfactor)

Promoterforbasictranscri34

Promoterforbasictranscriptionl

GCisland(Cnomethylated)andCAATbox(CATboxUPE)(-70)

GCGC-----GGC(T)CAATCT----

ResponsetoeffectoftranscriptionRange30bp±

1-4Kb-70-30+1

GCislandCAAC/TboxTATAboxCap

EnhancerUPEcorepromoter

Promoter(basicfactor)

Promoterforbasictrans35l

Promoterfunctions

CAATbox(modulator)controllingtranscriptionalefficiency(causeGCisland)TATAbox(selector)controllingstartingpointandefficiencyIsite(initiator)determinationinitiationpointandcappingofmRNA

l

Promoterfunctions36真核生物的转录起始较为复杂。目前已知RNA聚合酶Ⅱ至少有六种不同的蛋白因子参与转录复合体的形成。这些蛋白因子被称为转录因子（trans-criptionalfactor,TF)。包括TFⅡA，TFⅡB，TFⅡD，TFⅡE，TFⅡF，TFⅡ-I。真核生物的转录起始较为复杂。目前已知RNA聚合酶Ⅱ至少有六种37Cis-factorforinducibleexpression

SpecialboxArabidopsisIbox(GATAAG)----5-20--------Gbox------PeaHbox(CCTACC)----5-20--------Gbox------modulHSE(HeatShockElement)GRE(GlucocoricoidResponseElement)糖皮质激素应激元件MRE(MetalResponseElement)TSE

(TissueSpecialElement)l

InducibleexpressedbyenvironmentIgATGGAAAT+Oct-2factor→B细胞表达GH

ATGAATAT+Pit-1factor→脑下垂体表达

Cis-factorforinducibleexpre38l

EnhancerEnhanceexpressionBasicexpressionPositionnotbefixedisolatedregionBi-directionalelementMono-directionalelementEnhancerPromoterNoforspecialgeneonlyforspecialgene★Enhancer与Promoter的比较Chambondiscoveredthefirstenhancerinthe5'-flankingregionoftheSV40earlygene.l

EnhancerEnhanceexpressi39★Enhancer的结构与功能

----Enhancer由两个以上的增强子成分(EnhancerElement)组成

----EnhancerElement必需由两个紧密相连,具有间距效应的

增强子元(Enhanson）组成

----各个Enhanson(cis-factor)与激活蛋白(trans-factor)结合

增强特异性转录

促进转录的复合体+UPE+corepromoter基本转录复合体★Enhancer的结构与功能----Enhance40En.Elem.En.ElemEn.Elem.-250-180

coreCTCIITCIsphIIsphI

Ap3Ap2Ap1e.g.SV40Enhancer(-179~-250)

远距离控制，无方向性

mRNA

+1GCCAATTATA

促进转录复合体基本转录复合体En.Elem.41Silencer

Matingtype(MAT)ofyeast3#HMLMATHMRSilencer

canactatadistance(atleast1kbaway)tomodulatetranscriptionsomehowcausethechromatintocoilupintoacondensedInaccessibleInactiveformtherebypreventingtranscriptionofneighboringgenes

Silencer3#HML42转录因子功能

TFⅡA稳定TFⅡD结合TFⅡB促进polⅡ结合TFⅡD辨认TATA盒TFⅡEATPaseTFⅡF解旋酶真核生物RNA聚合酶Ⅱ转录因子及其功能转录因子43与基本转录相关的trans-factor

Trans-factorforbasictranscription

l

TF(I,II,III)TranscriptionalFactorl

TBP(TATAboxBindingProtein)l

TAF(TBPAssociateFactor)l

RAP(RNApol.Associateprotein)真核生物中RNApol的作用必须有其他相关转录蛋白在启动子处的先期结合才能启动转录Cis-factor+

TIC(TranscriptionalInitiateComplex)与基本转录相关的trans-factorTrans-fac44RNApolII(B);

---Forpre-mRNAtranscription---Locatedinnucleoplasm---L’maximumsubunit240kd&havespecificCOOH-end

named

CTD

(CarboxylTerminalDomain)onlyinRNApolII

---CTD-end;7aarepeats&highfrequencyphosphorylationTyr—SerP—Pro—ThrP—SerP—Pro—SerP

RNApolII(B);45Yeast26XDrosophila44Xrepeatunitof7aa/inCTDRat&Human52X

---依CTD中，Ser,Thr磷酸化与否，将L’分为3个Subforms

IIO

(240kd)

IIA(220kd)

IIB(180kd)

高度磷酸化CTDover-phosphorylated提高转录效率10XIIA蛋白酶水解Non-physiologicalform

基本形式Initiallybindstopromoter

使RNApol易于离开Promoter转录延伸

Yeast26X---依CTD中，Ser,Thr磷酸化与46---RNApolII+>20TFIIs

逐级组装TIC→转录启动(TranscriptionalInitiationComplex)(TBP);neededforRNApolI,II,IIIVeryhighconservedC-enddomainof180aaBindswithDNAinminorgroove&wildsitDetermination

initiationstartingsiteControlUPEeffectforbasictranscriptionTFIID;Asortofproteincomplex(TBP&>8TAF)---RNApolII+>20TFIIs(47mRNA

Promoterclearance

TranscriptionstartingFEHBDAmRNAPromoterclearanceTrans48TATA+1

Wildsminorgroove

TFIIATBPofD

pre-TIC

TFIIFRNApolIITFIIB

BasicTIC

conclusionTATA+1Wi49mRNA

Promoterclearance

EHBDATranscriptionstartingcompleteTIC

EHmRNAPromoterclearanceE50Differentacidicactivationdomainmayregulationdifferentcis-factortargets真核生物以多种转录因子复合体方式（多种组合）与cis-factor结合，激活转录表现一种复杂而又灵活的

positivecontrolsystemDifferentacidicactivationd51activator的活性调节受到严格的信号因子的调控signal一般状态（无活性）bindingDNA

变构活化状态激活转录种类与结构特点

经过化学或物理修饰activator的活性调节signal一般状态（52l

Cys/Cys,Cys/His

(Zincfinger)DNA-bindingdomainl

Helix(α)-turn-Helix(α)(HTH)l

Helix—loop—Helix(HLHorbHLH)

dimerzationdomainl

Leuzipper(bZIP)

种类与结构特点l

Homeodomains

(HDs60aawithHTH)l

Cys/Cys,Cys/His5330aa/copyonefingerPhe(F)Leu(L)Tyr(Y)coreofhydrophobicaa9directrepeats30aa/copy

2Cys/2Hisor2Cys/2Cystypes2Cys(2C)~Zn~2His(2C)toformfingerof1α-helix&1-βsheetPeptidechainZincfingerCCHH30aa/copyone54AaronKlug(1985)TFIIIApredicttheZincfingerstructureTFIIIAthreefingersliningupthemajorgrooveofDNAwhichsequence

GCGTGGGCGFig.IIIFig.IIFig.ICarlPaboobtainedthestructureofcomplexbetweenTFIIIAandDNAusingX-raycrystallographyAaronKlug(1985)TFIIIApredi55Zincfingerbindingwithcis-factorofDNAZincfingerbindingwithcis-56Leuzipper&basicdomainof(bZIP)Leuzipper&basicdomainof57Helix-turn-helixdomainofhomeodomainHelix-turn-helixdomaino58AntennapediamutantcauseslegstogrowwhereantennaewouldnormallybeHomeoboxfirstdiscoveredinregulatorygenesofDrosophilaHomeodomainaremembersoftheHelix-turn-helixmotiffamilyofDNAbindingproteinsAntennapediamutantcausesleg59二、起始RNA聚合酶全酶促使局部双链解开，并催化ATP或GTP与另外一个三磷酸核苷聚合，形成第一个3',5'-磷酸二酯键。

二、起始RNA聚合酶全酶促使局部双链解开，并催化ATP或G60三、延长σ因子从全酶上脱离，余下的核心酶继续沿DNA链移动，按照碱基互补原则，不断聚合RNA。

三、延长σ因子从全酶上脱离，余下的核心酶继续沿DNA链移动61四、终止RNA转录合成的终止机制有两种：1．自动终止：模板DNA链在接近转录终止点处存在相连的富含GC和AT的区域，使RNA转录产物形成寡聚U及发夹形的二级结构，引起RNA聚合酶变构及移动停止，导致RNA转录的终止。2．依赖辅助因子的终止：由终止因子(ρ因子)识别特异的终止信号，并促使RNA的释放。四、终止RNA转录合成的终止机制有两种：1．自动终止：模板62第32章rna的生物合成与加工课件63第四节真核生物RNA转录后的加工修饰

一、mRNA的转录后加工1．加帽(addingcap)：即在mRNA的5'-端加上m7GTP的结构。此过程发生在细胞核内，即HnRNA即可进行加帽。加工过程首先是在磷酸酶的作用下，将5'-端的磷酸基水解，然后再加上鸟苷三磷酸，形成GpppN的结构，再对G进行甲基化。

第四节真核生物RNA转录后的加工修饰一、mRNA的转录后64RNA的加工只有成熟的mRNA才可翻译在细胞核内转录的mRNA必须加工，叫核不均一RNA加工过程：5，端加帽子结构3，端加polyA尾巴切去内含子将外显子连接起来m7G加在5，端：免受酶切促进启始蛋白质合成RNA的加工只有成熟的mRNA才可翻译加工过程：5，端加帽子65几种不同的帽子几种不同的帽子66帽子结构：增加RNA的稳定性提高翻译的效率由SAM进行甲基化多聚A尾巴：3，端的加尾信号AAUAAA增加RNA的稳定性，防止核酸酶的降解提高翻译的效率帽子结构：67

2．加尾(addingtail)：这一过程也是细胞核内完成，首先由核酸外切酶切去3'-端一些过剩的核苷酸，然后再加入polyA。polyA结构与mRNA的半寿期有关。

2．加尾(addingtail)：这一过程也是细胞核内68pre-RNAtailing●概念

Apoly(A)tail(50-200±)beadded

at

-20Nt±tailingsignal(AAUAAA)from3’-endofPre-RNARabbitα-globinmRNA5’-------CUUUGAAUAAA-----------poly(A)3’-20Rabbitβ-globinmRNA5’-------UGGCUAAUAAA-----------poly(A)3’-20Manα-globinmRNA5’-------CUUUGAAUAAA------------poly(A)3’-20Manβ-globinmRNA5’-------UGCCUAAUAAA------------poly(A)3’-20

pre-RNAtailing●概念Rabbi693．剪接（spl