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1、1,第36章 RNA的生物合成和加工,(Biosynthesis and processing of RNA ),一、DNA指导下RNA的合成 二、RNA的转录后加工 三、在RNA指导下RNA和DNA的合成,2,遗传信息的流向,3,转录和转录后的加工,贮存于DNA中的遗传信息须通过转录和翻译而得到表达。在转录过程中，以DNA的一条链作模板，在RNA聚合酶的催化下，利用4种NTP为原料，合成与模板链互补的RNA分子。与DNA模板链互补的另一条DNA单链为意义链。 细胞内的各种RNA都是通过转录产生的（某些RNA病毒除外，它们有RNA的复制），转录出的RNA通常需要经过各种加工才能成为成熟的、有功
2、能的RNA产物。,4,DNA意义链、模板链和RNA、蛋白质的关系,非模板链,模板链,非模板链也叫意义链或编码链,5,转录的方向与模板链,在一个DNA分子长链上有许多基因，若将DNA分子的两条链分别称为A链和B链，有些基因的模板链位于A链上，有些基因的模板链位于B链上，这两类基因的转录方向刚好相反（对DNA双链分子而言）。,注意：我们在描述一个基因的序列时，描述的是它的意义链。,RNA,6,一、DNA指导下RNA的合成,在DNA指导下合成RNA称为转录。在DNA长链上有许多基因，也有许多转录起始点和转录终止点，形成相应的转录单位。一个转录单位可以只含一个基因，称为单顺反子（monocistron
3、）；也可以含多个基因，称为多顺反子（multicistron）。 在每一个转录起始点附近都有特殊的序列，只有具有这种特殊序列才能在此处起始转录，这种特殊的序列叫启动子（promoter）。,转录单位,7,转录受到严格的调控,基因的转录是一种有选择的过程，随着不同的细胞类型、生长发育的不同阶段、外界环境条件的变化而转录不同的基因。转录是基因表达调控中最重要的层次。,8,核酸合成酶类,DNA指导的DNA聚合酶：DNA聚合酶 （DNA-dirceted DNA polymerase，DDDP） DNA指导的RNA聚合酶：RNA聚合酶 （DNA-directed RNA polymerase，DDRP
4、） RNA指导的RNA聚合酶：复制酶 （RNA-directed RNA polymerase，RDRP） RNA指导的DNA聚合酶：反转录酶（逆转录酶） （RNA-directed DNA polymerase，RDDP）,9,（一）DNA指导的RNA聚合酶,DNA指导的RNA聚合酶简称RNA聚合酶，它以4种NTP为底物，需要DNA模板，RNA链的合成方向也是53，5端的第一个核苷酸的5位带有3个磷酸，其后每加入一个核苷酸脱去一个焦磷酸，形成磷酸二酯键。RNA链合成的起始不需要引物。RNA聚合酶没有校对功能。,10,大肠杆菌RNA聚合酶,细菌的mRNA、rRNA和tRNA都由同一种RNA聚合
5、酶转录。RNA聚合酶的转录速度在37约为50个核苷酸/s，与多肽链的合成速度（15个氨基酸/s）大致相当。 大肠杆菌RNA聚合酶由5种6个亚基组成，2，其中2是核心酶。,11,大肠杆菌RNA聚合酶各亚基的性质和功能,12,因子的功能,因子的功能在于引导RNA聚合酶稳定地结合到DNA启动子上，因子有多种，不同类型的启动子由不同的因子识别。因子的存在对核心酶的构象有较大影响，它导致RNA聚合酶与DNA的一般序列及启动子序列的亲和力有很大不同，极大地降低了酶与DNA一般序列的结合常数和停留时间，同时又大大增加了酶与启动子的结合常数和停留时间。,13,RNA聚合酶与启动子的结合,全酶可通过扩散与DNA
6、任意部位结合，这种结合是疏松的，随后酶结合的DNA部位迅速被置换，也可以说是酶在DNA上不断地变换结合位点，直到遇上启动子序列，随即由疏松结合变成牢固结合。此处DNA双链被局部解开，转录开始。转录开始后因子脱落，转录进入延伸阶段。,14,大肠杆菌RNA聚合酶与DNA的相互作用,因子与核心酶,全酶,全酶与DNA复合物,核心酶钳住DNA 因子脱落,15,大肠杆菌的RNA转录,17bp,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,RNA,启动子（promoter),终止子(terminator),17,真核生物RNA聚合酶,真核生物RNA聚合酶主要有3类，通常有
7、814个亚基，并含有Zn2+。它们分别负责合成不同类型的RNA,利用它们对抑制剂-鹅膏蕈碱的敏感性的差异可以辨别它们。 真核生物RNA聚合酶自身不能识别和结合到启动子上，它也没有因子，而是需要在启动子上由多种转录因子（各种参与转录的蛋白质）和RNA聚合酶组装成活性转录复合物才能起始转录。,18,真核生物RNA聚合酶的种类和性质,19,真核生物细胞器RNA聚合酶,真核细胞的线粒体和叶绿体中也有自己的RNA聚合酶，它们分别转录线粒体和叶绿体中的基因。线粒体和叶绿体RNA聚合酶不同于细胞核RNA聚合酶，它们的结构较简单，类似于原核生物的RNA聚合酶，能催化线粒体中和叶绿体中各种RNA的转录，并被原核
8、生物RNA聚合酶的抑制剂利福平等抑制。,20,（二）启动子和转录因子,利用足迹法（footprint）和DNA测序法可以确定启动子的序列结构。,DNA-protein complex Naked DNA,protein,（Arrows indicate DNase cleavage sites）,Denature dsDNA- Sets of labeled fragments,21,足迹法测定DNA上蛋白质的结合位点,22,RNA聚合酶与DNA的结合,习惯上DNA的序列按其意义链来描述。从左到右相当于53方向。转录单位的起点核苷酸编号为+1，往右依次为+2,+3, 从+1往5上游编号依次为-
9、1,-2, 当RNA聚合酶全酶最初与DNA结合时，它覆盖的长度为7580bp，从启动子的- 55 +20。在转录起始阶段结束时，因子被释放，核心酶覆盖的长度约为60bp。到核心酶再向前移动若干核苷酸后，核心酶进入延伸阶段，只覆盖3040bp。,23,大肠杆菌RNA聚合酶在转录的起始阶段缩短覆盖DNA的长度,24,原核生物启动子,在原核基因启动子中，有一个位于-10的pribnow box（TATAAT）和位于-35的sextama box （TTGACA）。这两个序列是决定启动子强度的重要因素。Pribnow box是RNA聚合酶的牢固结合位点及解链位点，sextama box是RNA聚合酶的
10、识别位点。在-10区和-35区之间的序列并不重要，然而这两个区之间的距离却十分重要。天然启动子中这段距离大多为1520bp，实验表明这段距离为17bp时转录效率最高。,25,大肠杆菌启动子共有序列的功能,sextama box pribnow box,26,含70的RNA聚合酶识别的几个启动子,rrnB P1,27,大肠杆菌不同因子识别具有不同共有序列的启动子,28,真核生物启动子,真核生物启动子有3类，分别由RNA聚合酶、起始转录，起始转录需要许多转录因子的参与，启动子的识别也是靠转录因子的作用。 类别启动子控制的基因有许多拷贝，往往成簇存在。,29,类别启动子的结构,类别启动子由两部分保守
11、序列组成： 1.核心启动子（core promoter）位于转录起点附近，从-45 +20； 2.上游控制元件（upstream control element）位于-180 -107。 两部分都有富含GC的区域。RNA聚合酶对其转录需要两种转录因子的参与。,30,真核生物类别启动子的转录因子,UBF1和SL1是参与类别启动子转录的两种转录因子，其中UBF1为单链蛋白，SL1为四聚体蛋白。,31,真核生物的类别启动子,类别启动子包含4类控制元件： 基本启动子（basal promoter） 起始子（initiator） 上游元件（upstream element） 应答元件（response
12、element）,32,几种真核基因的基本启动子,类别启动子中的基本启动子序列为中心在-25 -30左右的7bp保守区，根据基本启动子中保守序列的特点，也将其称为TATA BOX。,33,RNA聚合酶和转录因子在启动子上的装配,TF: transcription factor,34,35,转录起始复合物的装配,CTD: C-terminal domain,36,起始子,起始子是转录起始点处的一个保守序列，其共有序列如下,Py Py A N Py Py,+1 T A,37,上游元件和应答元件,见P463表36-4,38,真核生物类别启动子,类别启动子涉及一些小分子RNA的转录。5S rRNA、t
13、RNA以及scRNA（small cytosol RNA）基因的启动子位于转录起始点的下游，即在基因的转录区域内部。snRNA（small nuclear RNA）基因的启动子在转录起始点的上游，与通常的启动子类似。 爪蟾5S rRNA基因的启动子位于+55 +80。,39,类别启动子的结构特点,下游启动子,snRNA基因的上游启动子,OCT：八聚体基序 PSE：邻近序列元件,40,（三）终止子和终止因子,提供转录停止信号的DNA序列称为终止子（terminator），协助RNA聚合酶识别终止信号的蛋白辅助因子称为终止因子（termination factor）。有些终止子的作用可被特异的因子
14、所阻止，使RNA聚合酶越过终止子继续转录，这称为通读。这类能够抗终止的蛋白质因子称为抗终止因子（antitermination factor）。,41,原核生物终止子的结构特点,大肠杆菌有两类终止子：一类称为不依赖于因子的终止子，或简单终止子；另一类称为依赖于因子的终止子。 简单终止子有一段回文结构，其后还有一系列U（约有6个），回文结构中通常有一段富含GC的序列，寡聚U序列可能提供信号使RNA聚合酶脱离模板。 依赖于因子的终止子其回文结构不含富有GC区，回文结构之后也无寡聚U。依赖于因子的终止子在细菌染色体中少见，而在噬菌体中广泛存在。,42,原核生物的两类终止子,不依赖于因子的终止子 依赖
15、于因子的终止子,43,不依赖因子的转录终止机制,在转录过程中，RNA聚合酶沿着模板链向前移动，它感受的终止信号来自刚转录出的RNA中，而不是感受DNA模板上的信号。在转录出终止子序列后，RNA上的终止序列形成发夹结构，使RNA聚合酶感受到终止信号（发夹结构），整个复合物构象发生变化，新合成的寡聚U与模板链上的寡聚A结合不紧密，新生RNA链与模板DNA分开，RNA聚合酶也脱落。,44,不依赖因子的转录终止机制,45,依赖因子的转录终止机制,因子以六聚体的形式存在，在有RNA存在时它能水解NTP，最近发现因子有RNA-DNA解旋酶的活性。,46,抗终止作用,抗终止作用主要见于某些噬菌体基因表达的时
16、序控制。在早期基因转录表达出抗终止蛋白后，使得转录通读，进入晚期基因表达。这种方式可使一个启动子控制后面基因的时序表达。,47,真核生物基因的转录终止,真核生物转录的终止信号和终止过程还不清楚。实验表明，RNA聚合酶的转录产物在3末端切断，然后加上腺苷酸尾（poly A）。,48,真核生物基因的转录终止,49,（五）RNA生物合成的抑制剂,1.嘌呤和嘧啶类似物 它们抑制核苷酸合成酶类，或形成相应的核苷酸后掺入到核酸中，影响RNA转录，也能影响DNA复制，从而可以用于癌症治疗。,50,嘌呤和嘧啶类似物,6-巯基嘌呤 硫鸟嘌呤 5-氟尿嘧啶,8-氮鸟嘌呤 2,6-二氨基嘌呤 6-氮尿嘧啶,51,（五）RNA生物合成的抑制剂,2.DNA模板功能的抑制物 烷化剂：修饰碱基，引起细胞突变和致癌。 放线菌素：与DNA形成非共价复合物，低浓度可抑制RNA转录，高浓度抑制DNA复制。 嵌入染料：可插入双链DNA的相邻碱基对之间，导致移码突变，也能抑制转录和复制。,52,
