华农第16章RNA生物合成

第16章

RNA生物合成一、教学大纲基本要求转录过程中的RNA聚合酶，启动子和转录因子，终止子和终止因子，转录过程的调节控制。转录后的加工，原核生物RNA加工，真核生物RNA的加工，RNA的拼接和催化机理。RNA的复制，噬菌体QβRNA的复制，病毒RNA复制的主要方法。RNA指导DNA的合成，反转录酶，病毒RNA的反转录，反转录的生物学意义。RNA生物合成的抑制，嘌呤和嘧啶类似物，DNA模板功能的抑制剂。二、本章知识要点(一)DNA指导下RNA的合成:1.转录的基本概念在DNA指导下RNA的合成称为转录。转录中充当模板的DNA单链称为模板链、反意义链或（-）链，另一条与之互补的DNA链称为编码链、有意义链或（+）链。转录一个mRNA分子的DNA片段称为一个转录单位。携带一条多肽链（或一条rRNA和tRNA链）所需信息的DNA片段称为一个基因（或顺反子）。原核细胞中大多数转录单位为多顺反子，真核细胞的大多数mRNA为单顺反子的产物。转录仅以DNA一条链的某一区段为模板，因而称为不对称转录。转录在DNA上特定的部位开始，至另一端的特定部位终止，是在DNA模板指导下，按碱基互补的原则，由RNA聚合酶催化完成的。2.RNA聚合酶

RNA聚合酶要求以4种核苷三磷酸作为底物，并需要DNA作为模板，Mg2+能促进反应，RNA链的合成方向也是5ˊ→3ˊ。反应是可逆的，焦磷酸的分解可推动反应趋向聚合。RNA聚合酶催化的反应无需引物，也无校对功能。大肠杆菌的RNA聚合酶只有一种，催化3类RNA的合成。RNA聚合酶全酶有5个亚基(α2ββˊσ

)组成，σ亚基可识别并使全酶稳定结合于启动子部位（转录起始点上游-35序列和-10序列），开始转录；没有σ亚基的酶为核心酶（α2ββ’），负责RNA链的延伸。真核生物的RNA聚合酶有3种：I、II和III。它们分别转录rRNA、mRNA和小分子量RNA。利用α-鹅膏蕈碱的抑制作用可以区分这三类RNA聚合酶。3.启动子和转录因子

启动子是RNA聚合酶识别、结合和开始转录的一段DNA序列。原核生物的启动子有两个保守序列，位于-10的Pribriow框，和位于-35的识别区。真核生物的启动子有3类，分别由RNA聚合酶I、Ⅱ和Ⅲ进行转录。RNA聚合酶不能直接识别和结合到启动子上，而需借助于转录因子和辅助转录因子才能在起点上形成前起始复合物进行转录。类别I启动子包括核心启动子和上游控制元件两部分，需要UBFl和SLl因子参与作用。

类别Ⅱ启动子包括四类控制元件：基本启动子、起始子、上游元件和应答元件。识别这些元件的反式因子有通用转录因子、上游转录因子和可诱导的因子。类别Ⅲ启动子有两类：上游启动子和基因内启动子，分别由装配因子和起始因子促进转录起始复合物的形成和转录。4.终止子和终止因子

转录的终止控制元件为终止子，是基因末端一段特殊的序列，它使RNA聚合酶在模板上的移动减慢，停止RNA的合成。终止子的辅助因子为终止因子。大肠杆菌有两类终止子：依赖于rho因子的终止子和不依赖于rho的终止子。终止子还可用于控制下游基因的表达。

5.转录过程的调节控制

转录的调节是基因表达调节的重要环节，包括时序调节和适应调节。原核生物基因组成操纵子既是表达单位，也是协同调节的单位;它包括在功能上彼此相关的结构基因和控制部位（操纵基因和启动子），可接受调节基因产物质(阻遏蛋白)的调节。原核生物基因表达调节有正调节和负调节，以负调节为主。受一种调节蛋白所控制的调节系统称为调节子。不同调节系统间形成调节网络。乳糖操纵子是酶合成诱导型操纵子。它分别受降解物基因活化蛋白和阻遏蛋白的正负调控。Trp操纵子属于酶合成型操纵子。它除了受操纵基因（阻遏物）的调节外，还有另一种转录水平上的调节基因即衰减子。衰减作用是比阻遏物更精细的调节。真核生物基因转录的调节包括基因的活化、转录起始复合物的形成、反式作用因子（即对转录起重要调节作用的许多核蛋白）的相互作用和顺式作用元件（指基因5′端上游区域那些与基因表达调控有关的顺序，这些顺序均与基因处于顺式位置）的顺序。真核生物的转录调节与原核生物有相同之处，也有显著的不同。①真核生物基因不组成操纵子；②真核生物存在大量顺式元件和反式因子，调节更复杂；③真核生物的调节以正调节为主，可诱导因子以共价修饰为主；④真核生物具有染色质结构水平上的调节。上游调节因子通常有3个结构域：DNA结合结构域、转录激活结构域和二聚化结构域。最常见的DNA结合结构域有：螺旋—转角—螺旋、锌指、碱性螺旋—突环—螺旋以及碱性亮氨酸拉链。增强子能在很远距离对启动子产生影响，不论在启动子上游或下游都有作用，作用无方向性，无生物种族特异性，但受发育影响。从本质上讲，增强子与上游元件起同样作用。（二）转录后的加工1.原核生物RNA加工

除原核生物mRNA外，其它各类RNA在转录后需要经过一系列复杂的加工过程才能成为成熟的RNA分子。原核生物的稳定RNA(rRNA和tRNA)存在切割、修剪、附加、修饰和异构化等加工过程，mRNA一般在转录的同时即能进行翻译，不存在加工作用。2.真核生物RNA的加工

在真核生物中，编码大多数蛋白质的基因为不连续基因（或称隔裂基因），即包含编码序列（又称外显子，extron）和非编码序列（又称内含子，intron），外显子被内含子隔裂成若干片段，二者一起被转录。真核生物转录的mRNA前体分子在核内加工形成分子大小不等的中间产物，被称为核不均一RNA（即hnRNA）；其中有一部分可转变成细胞质的成熟mRNA。mRNA存在特殊结构。由hnRNA转变为mRNA的加工过程包括：①5′端形成特殊的帽子结构（m7G5′ppp5′NmpNp-）；②3′端加上polyA尾巴；③通过拼接去除内含子相应序列；④链内部核苷被甲基化。真核生物通过RNA的拼接、编辑和再编码等信息加工过程，可以抽提有用信息，消除错误，适应调节和选择性的表达。这类加工还有利于生物进化。3.RNA的拼接和催化机理

大多数真核基因是断裂基因，其转录的产物需通过拼接，去除非编码区（即内含子，intron），使编码区（外显子，exon）连接成连续序列。这是基因表达调控的一个重要环节。RNA的拼接有类型I自我拼接、类型II自我拼接、核mRNA的拼接体的拼接、核tRNA的酶促拼接4种方式。类型I和类型II自我拼接都不需蛋白酶的参与，其内含子本身具有催化功能（称为核酶），能够自我完成拼接。二者差别在于前者需要游离鸟苷酸（或鸟苷）存在，游离鸟苷酸3′-羟基攻击内含子5′-磷酸基引起转酯反应；而后者的转酯反应无需游离鸟苷酸（或鸟苷）的发动，是由内含子靠近3′端的腺苷酸2′-羟基攻击5′-磷酸基引起的。核mRNA前体（既hnRNA）的拼接过程与类型II内含子的拼接基本相同，其差别在于前者由拼接体完成，而后者由内含子自我催化完成。拼接体是由U1、U2、U4-6snRNP（核糖核蛋白）以及一些拼接因子在RNA的拼接位点逐步装配而。核内tRNA的酶促拼接反应分两步进行，分别由不同的酶催化。第一步是由一个特殊核酸内切酶断裂磷酸二酯键，切去插入序列，反应不需要ATP。第二步需要ATP，由RNA连接酶催化失窃开的使切开的tRNA两部分共价连接。（三）RNA的复制RNA也可以成为遗传信息的基本携带分子。例如，一些病毒的基因组为RNA分子，含有特异的RNA复制酶，可以在RNA指导下合成RNA。RNA通过复制将遗传信息由亲代分子传递给子代分子。噬菌体QβRNA复制酶对模板有很高的特异性，只识别病毒自身的RNA，对寄主细胞或其它病毒的RNA均无反应；并且对RNA的复制和翻译，正链和负链的数量等存在调节控制作用。噬菌体QβRNA为正链，当它侵入大肠杆菌细胞后，可以直接进行与病毒繁殖有关的蛋白质的合成。在噬菌体特异的复制酶装配好后，酶就吸附到正链RNA的3ˊ末端，以正链为模板合成出负链RNA，直至合成进程结束，负链从模板上释放。同样的酶又吸附到负链RNA的3ˊ末端，并以负链为模板合成正链。两条链都是由5ˊ→3ˊ方向延长。病毒RNA复制方式可以归为下列几类。①正链RNA病毒进入宿主细胞后首先合成复制酶及有关蛋白，然后在复制酶的作用下进行病毒RNA的复制，最后由病毒RNA和蛋白质装配成病毒颗粒；②负链RNA病毒侵入细胞后，借助于病毒带进去的复制酶合成出正链RNA，再以正链RNA为模板合成病毒蛋白和复制病毒RNA；③双链RNA病毒在病毒复制酶的作用下通过不对称转录先合成出正链RNA，并以正链RNA为模板翻译成病毒蛋白质，然后再合成负链RNA，形成双链RNA分子。（四）RNA指导下DNA的合成

1.反转录酶

以RNA为模板合成DNA的过程称为逆转录，由逆转录酶催化。逆转录酶是依赖RNA的DNA聚合酶，催化以RNA为模板的DNA合成。逆转录酶最初发现于致癌RNA病毒。该酶为多功能酶，能以RNA为模板合成第一条cDNA链(逆转录酶活性)，水解除去RNA-DNA杂合分子中的RNA(RNaseH活性)，再以DNA链为模板合成双链DNA(DNA聚合酶活性)。病毒RNA的逆转录要求特定tRNA为引物。逆转录酶无校正功能，因此错误率较高。逆转录过程共有10步反应，其中有两次逆转录酶在模板上的转移或称为跳跃。逆转录的结果在前病毒的两端出现两个长末端重复(即U3-R-U5)，这是末端重复逆转录和复制所致。长末端重复序列中含有整合位点、加工位点以及启动子和增强子序列，对于前病毒的整合和表达十分重要。2.病毒RNA的反转录

逆转录病毒能够转导宿主DNA序列。如果病毒携带了细胞的原癌基因，使其高水平表达或失去调控即成为癌基因。人免疫缺损病毒主要侵染T淋巴细胞，它在感染后即杀死宿主细胞，造成获得性免疫缺损综合征(AIDS)。逆转录过程的研究不仅揭示了DNA和RNA之间的关系，而且也为RNA病毒致癌