生物化学：第十章RNA生物合成

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1、 第十章 RNA生物合成 周口师范学院生命科学系 2019 12 主要内容 第一节第一节 DNA DNA指导下指导下RNARNA的合成 转录 的合成 转录 第二节第二节 RNA RNA转录后加工转录后加工 第三节第三节 RNA RNA指导下指导下RNARNA的合成的合成 RNA RNA的复制的复制 第四节第四节 核酸生物合成的抑制剂核酸生物合成的抑制剂 DNA dependent DNA polymerase DDDP DNA dependent RNA polymerase DDRP RNA dependent RNA polymerase RDRP RNA dependent DNA po

2、lymerase RDDP DNA 复制 DDDP 转录 DDRP RNA蛋白质 翻译 RNA 复制 RDRP 反转录 RDDP 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 一 转录的概念 转录转录是在是在 DNA DNA的指导下和的指导下和RNARNA聚合酶的聚合酶的 催化下 按照碱基配对的原则 合成一条催化下 按照碱基配对的原则 合成一条 与模板与模板DNADNA互补的互补的RNA RNA 的过程 的过程 RNA RNA的转录从的转录从DNADNA模板的特定位点开始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 并在一定的位点终止 此转录区域

3、为一 个个转录单位转录单位 DNA的有义链和反义链 启动子 promoter 终止子 terminator 模板链 templatte strand 反意义链 antisense strand 有意义链 sense strand 非信息区 DNADNA 5 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 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 opero

4、n 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 大肠杆菌的RNA聚合酶 二 RNA聚合酶及催化反应 由5种亚基 2 组成全酶 没有 亚基 的酶称为核心酶 只催化链的延长 称为起始因 子 能识别DNA链的转录起始信号 启动子 大肠杆菌RNA聚合酶的结构示意图 核心酶 2 起始因子 和模板DNA结合 起始和催化聚合反应 全酶 2 大肠杆菌RNA聚合酶各亚基的功能 亚亚基 基因 Mr 亚亚基 功能 数目 rpoA 40 OOO 2 酶的装配 与启动动子上游 元件和活化因子结结合 rpoB 155 000 1 结结合核苷酸底物

5、 催化磷 酸二酯键酯键 形成 rpoC 160 000 1 与模板结结合 rpoD 32 OOO 1 识别识别 启动动子 促进转录进转录 92 000 的起始 9 OOO 1 未知 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 in vivo 发现的是Mg2 合成方向 5 3 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 RNA聚合酶催化的反应 A C G A C G U U 模板DNA 5 3 5 3 新合

6、成RNA 酶 类 分 布 产 物 鹅膏蕈 碱 对酶的作用 分子量反应条件 I 核仁 核质 核质 rRNA 5 8SrRNA 18SrRNA 28SrRNA mRNA snRNA tRNA 5SrRNA 不抑制 低浓度抑制 高浓度抑制 500000 700000 700 000 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 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5 3 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 鹅膏蕈

7、碱抑制真核生物RNA聚合酶活性 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 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 亚基的核心酶会随机地在一个基因的两条链 上启动 当有 亚基时就会选择正确的起点 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 RNA聚合酶起始转录需要的辅助因子 蛋白质 称为转聚合酶起始转录需要的辅助因子 蛋白质 称为转 录因子录因子 transcriptional factor transcriptional factor 启动子的结

8、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 AACTGT ATATTA TTGACATATAAT 1 转录起始点 5 3 3 5 35序列 Sextama 框 10序列 Pribnow框 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 亚基就会被释放脱离核心酶 因子仅与起始有关 RNA的合成

9、一旦开始 便被释放 E 35 10 pppG或pppA 5 5 3 3 模板链 下一页上一页 RNA转录起始 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 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 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

10、从 DNA上脱落 需要 因子 终止因子 协助RNA聚合酶识别终 止信号的蛋白质 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 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 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 不依赖 因子的终止子 含富GC的回文序列和

11、寡聚U序列 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 5 3 RNA 启动子 promoter 终止子 terminator 5 RNA聚合酶 5 3 5 3 5 5 3 离开 DNA和RNA合成的比较 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 mRNA mRNA 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

12、的降解 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 primary transcript 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 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

13、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 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 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 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 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

14、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 m7G5 ppp5 NmpNp 4 分子内部的核苷酸甲基化修饰 因发现断裂基因而获1993 年诺贝尔生理学奖的 Richard J Roberts and Phllip A Sharp 真核细胞mRNA的加工 5 帽子 PolyA 3 顺反子 cistron m7G 5 ppp N 3 p AAAAAAA 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 i

15、ntron 拼接外显子 extron 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 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mRNA C A或U的插入 多头绒孢菌线粒体的 mRNA和tRNA G的插入

16、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apoPtRNA C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tRNA A转变为I 脱氨 脑谷氨酸受体亚基mRNA RNA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 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 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