生物化学：第十章RNA生物合成

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1、 第十章第十章 RNA生物合成生物合成 周口师范学院生命科学系周口师范学院生命科学系 (2008. 12) 主要内容主要内容第一节第一节第一节第一节 DNADNA指导下指导下指导下指导下RNARNA的合成（转录）的合成（转录）的合成（转录）的合成（转录）第二节第二节第二节第二节 RNARNA转录后加工转录后加工转录后加工转录后加工第三节第三节第三节第三节 RNARNA指导下指导下指导下指导下RNARNA的合成的合成的合成的合成( (RNARNA的复制的复制的复制的复制) )第四节第四节第四节第四节 核酸生物合成的抑制剂核酸生物合成的抑制剂核酸生物合成的抑制剂核酸生物合成的抑制剂DNA depe

2、ndent DNA polymeraseDDDPDNA dependent RNA polymeraseDDRPRNA dependent RNA polymeraseRDRPRNA dependent DNA polymeraseRDDPDNA复制（复制（DDDP）转录（转录（DDRP）RNA蛋白质蛋白质翻译翻译RNA复制（复制（RDRP）反转录（反转录（RDDP）第一节第一节 DNA转录转录 一、转录的一、转录的概念概念二、二、RNA聚合酶及催化反应聚合酶及催化反应三、三、RNARNA合成过程合成过程一、转录的概念一、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

3、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。DNA的有义链和反义链的有义链和反义链 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)非信息区非信息区DNADNA5533 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 a、相同点：相同点： 都需要模板都需要模板 都以三磷酸核

4、苷酸为底物（都以三磷酸核苷酸为底物（NTPNTP或或dNTPdNTP） 合成方向都是合成方向都是5 533转录与复制的比较转录与复制的比较b b、不同点、不同点 转录不需引物；转录不需引物； 只转录只转录DNADNA分子中的一个片段（称为转录单位或操纵子分子中的一个片段（称为转录单位或操纵子, ,operonoperon) )； 双链双链DNADNA中只有一条链具有转录活性（称为模板链）；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。哪个基因被转录与特定的时间、空间、生理状态有关。 RNARNA聚合酶无校对功能。聚合酶无校对功能。大肠杆菌的大肠杆菌的

5、RNARNA聚合酶聚合酶 二、二、RNA聚合酶及催化反应聚合酶及催化反应由由5 5种亚基种亚基2 2 组成全酶；组成全酶；没有没有、 亚基亚基的酶称为的酶称为核心酶，核心酶，只催化链的延长；只催化链的延长；称为称为起始因起始因子子，能识别能识别DNADNA链的转录起始信号（链的转录起始信号（启动子启动子）大肠杆菌RNA聚合酶的结构示意图 核心酶核心酶( (2 2 ) )起始因子起始因子 和模板和模板DNADNA结合结合起始和催化聚合反应起始和催化聚合反应？全酶全酶( (2 ) ) 大肠杆菌大肠杆菌RNARNA聚合酶各亚基的功能聚合酶各亚基的功能亚基亚基 基因基因 MrMr 亚基亚基 功能功能

6、数目数目 rpoArpoA 40,OOO 2 40,OOO 2 酶的装配，与启动子上游酶的装配，与启动子上游 元件和活化因子结合元件和活化因子结合 rpoBrpoB 155,000 1 155,000 1 结合核苷酸底物，催化磷结合核苷酸底物，催化磷 酸二酯键形成酸二酯键形成rpoCrpoC 160,000 1 160,000 1 与模板结合与模板结合 rpoDrpoD 32,OOO- 1 32,OOO- 1 识别启动子，促进转录识别启动子，促进转录 9292，000 000 的起始的起始 9,OOO 1 9,OOO 1 未知未知原核细胞原核细胞RNARNA的催化反应的催化反应1960年，RN

7、A 聚合酶被发现。在E.coli中，RNA 聚合酶催化RNA的合成需要：模板：双链或单链模板：双链或单链 DNADNA活性单体物质：四种活性单体物质：四种NTPNTP二二价价金金属属离离子子：MgMg2+2+或或MnMn2+2+，在在生生物物体体中中(in vivo(in vivo）发现的是发现的是MgMg2+2+合成方向：合成方向：5 35 3解螺旋解螺旋恢复螺旋恢复螺旋转录泡转录泡模板链模板链编码链编码链RNARNA聚合酶作用示意图聚合酶作用示意图RNA聚合酶催化的反应聚合酶催化的反应ACGACGUU模板模板DNA5353新新合成合成RNA酶酶类类分分布布产产物物-鹅膏蕈碱对酶的作用分子量

8、反应条件I I核仁核质核质rRNA5.8SrRNA18SrRNA28SrRNAmRNAsnRNAtRNA 5SrRNA不抑制低浓度抑制高浓度抑制500000700000 700 000_低离子强度,要求Mg2+或Mn2+高离子强度高Mn2+浓度真核细胞的真核细胞的RNARNA聚合酶聚合酶同样，真核同样，真核RNARNA聚合酶无校对功能。聚合酶无校对功能。RNARNA聚合酶的特点聚合酶的特点 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； - 鹅膏蕈碱抑制真核生物

9、RNA聚合酶活性。 起始位点的识别起始位点的识别 转录起始转录起始 链的延伸链的延伸 转录终止转录终止三、三、RNA的转录过程的转录过程：（以大肠杆菌为例） 起始位点的识别与启动子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。 启动子启动子-指指RNA聚合酶识别、结合和开始转录聚合酶识别、结合和开始转录的一段的一段DNA序列序列 RNARNA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）称为转聚合酶起始转录需要

10、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录因子录因子(transcriptional factor)(transcriptional factor)。启动子的结构至少由三部分组成：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5335 3535序列序列 SextamaSextama 框框 1010序列序列PribnowPribnow框框 转录起始转录起始 RNA聚合酶全酶扫描

11、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，因子仅与起始有关，RNARNA的合成一旦开始，的合成一旦开始，便被释放便被释放 E-35-10pppG或pppA55553333模板链下一页上一页RNA转录起始RNARNA链的延伸链的延伸延伸延伸：核心酶沿着：核心酶沿着DNA链由链由3 5 的方向移动，的方向移动， RNA链沿链沿5 3延长，转录区间的延长，转录区间的DNA双链解螺旋，而转

12、双链解螺旋，而转录完的区间录完的区间DNA又恢复双螺旋结构又恢复双螺旋结构.RNA链的延伸图解链的延伸图解35RNA-DNA杂交螺旋杂交螺旋聚合酶的移动方向聚合酶的移动方向新生新生RNA复链复链解链解链有义链有义链模板链（反义链）模板链（反义链）延长部位延长部位 转录终止与终止子转录终止与终止子终止子终止子: :在在DNADNA分子上（基因末端）提供转分子上（基因末端）提供转录停止信号的录停止信号的DNADNA序列称为序列称为终止子终止子（terminators),terminators),它能使它能使RNARNA聚合酶停止合聚合酶停止合成成RNARNA并释放出并释放出RNARNA。 终止终止

13、：核心酶到达终止子，：核心酶到达终止子，RNA与核心酶从与核心酶从DNA上脱落上脱落.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：缺少回文结构弱终止子：缺少回文结构强终止子：有回文结构强终止子：有回文结构大肠杆菌两类终止子的回文结构大肠杆菌两类终止子的回文结构A

14、. 不依赖于不依赖于Rho（ ）的终止的终止子子B. 依赖于依赖于Rho（ ）的终止的终止子子富含富含G-C系列系列U 不依赖-因子的终止子：含富GC的回文序列和寡聚U序列。RNARNA合成过程合成过程起始起始双链双链DNA局部解开局部解开磷酸二酯磷酸二酯键形成键形成终止阶段终止阶段解链区到达解链区到达基因终点基因终点延长阶段延长阶段5 3 RNA 启动子启动子（promoter) 终止子终止子(terminator)5 RNA聚合酶聚合酶 5 3 5 3 5 5 3 离开离开DNA和和RNA合成的比较合成的比较真核生物和原核生物转录的差别真核生物和原核生物转录的差别DNA核核核糖体核糖体新生

15、蛋白质新生蛋白质真核生物真核生物原核生物原核生物mRNA前体前体转运转运加工加工mRNAmRNA 真核生物中转录与复制在不同的区域真核生物中转录与复制在不同的区域 RNA聚合酶不相同聚合酶不相同 启动子不同启动子不同 转录后转录后RNA加工修饰不同加工修饰不同第二节第二节 RNA转录后的加工转录后的加工一、一、RNA的的加工加工二、二、 RNARNA的拼接、编辑和再编码的拼接、编辑和再编码三、三、RNARNA生物功能的多样性生物功能的多样性四、四、RNARNA的降解的降解一一 转录产物的加工转录产物的加工 在细胞内，由在细胞内，由RNARNA聚合酶合成的原始转录物（聚合酶合成的原始转录物（pr

16、imary primary transcripttranscript）往往需要一系列的变化，包括链的往往需要一系列的变化，包括链的裂解裂解、5 5 和和3 3 末端的末端的切除切除和和特殊结构的形成特殊结构的形成、核苷的修饰核苷的修饰、以及、以及拼接和编拼接和编辑辑等过程，才转变为成熟的等过程，才转变为成熟的RNARNA分子。此过程总称为分子。此过程总称为RNARNA的成熟的成熟或称为或称为RNARNA的转录后加工的转录后加工。 原核生物的原核生物的mRNAmRNA转录后一般不需要加工，转录的同时即进行转录后一般不需要加工，转录的同时即进行翻译（半寿期短）。翻译（半寿期短）。 rRNArRNA

17、前体的加工前体的加工 tRNAtRNA前体的加工前体的加工 真核真核mRNAmRNA前体的加工前体的加工 rRNArRNA前体的加工前体的加工加工过程：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。原核原核rRNArRNA加工：加工：rRNA含非转录的间隔区，其产 物中含tRNA 真核真核rRNArRNA加工：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。原原核核生生物物rRNA转转录录前前体体的的加加工工甲基化甲基化核酸内切酶核酸内切酶核酸外切酶核酸外切酶真真核核生生物物rRNA转转录录前

18、前体体的的加加工工核酸外切酶核酸外切酶甲基化甲基化核酸内切酶和外切酶核酸内切酶和外切酶t tRNARNA前体的加工前体的加工包括：核酸外切酶从两端向内切去多余序列；在包括：核酸外切酶从两端向内切去多余序列；在3 3- -端加端加CCACCAOHOH序列序列; ;核苷酸的修饰与异构化；核酸内切酶切除居间序列。核苷酸的修饰与异构化；核酸内切酶切除居间序列。真核真核mRNAmRNA前体的加工前体的加工（1 1）hnRNAhnRNA被剪接被剪接把内含子（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

19、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 2）3 3端添加端添加polyApolyA “尾巴尾巴”；（3 3）5 5端连接端连接“帽子帽子”结构（结构（m7G5m7G5 ppp5ppp5 NmpNp-NmpNp-）；）；（4 4）分子内部的核苷酸甲基化修饰。分子内部的核苷酸甲基化修饰。因发现断裂基因而获因发现断裂基因而获1993年诺贝尔生理学奖的年诺贝尔生理学奖的Richard J Roberts and Phllip A Sharp真核细胞真核细胞mRNAmRNA的加工的加工5 “帽子帽子”PolyA 3 顺反子顺反子

20、(cistron ) m7G-5ppp-N-3 pAAAAAAA-OH 55端接上一个端接上一个“帽子帽子”(CAP)(CAP)结构结构 33端添加端添加PolyAPolyA“尾巴尾巴”, ,由由RNARNA末端核苷酸转移酶催化末端核苷酸转移酶催化 剪接：剪去内含子剪接：剪去内含子( (intronintron) )，拼接外显子拼接外显子( (extronextron) )二、二、RNARNA的拼接、编辑和再编码的拼接、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，产物产物需要通过拼接，去除插

21、入部分（即内含子，intronintron），），使编码区（即外使编码区（即外显显子，子，ExtronExtron）成为连续序成为连续序列，这是基因表达的一个重要环节。列，这是基因表达的一个重要环节。 RNARNA编码序列的改变称为编辑（编码序列的改变称为编辑（ editingediting），）， RNARNA编码和读码方式的改变称为再编码（编码和读码方式的改变称为再编码（recodingrecoding）。）。由于由于存在选择性的拼接、编辑和再编码，一个基因可以产生存在选择性的拼接、编辑和再编码，一个基因可以产生多种蛋白质。多种蛋白质。RNARNA编辑的不同类型和分布编辑的不同类型和分布

22、编辑类型编辑类型 机制机制 存在存在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mRNARNARNA编辑的生物学意义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、三、RNARNA生物功能的多样性生物功能的多样性1、RNA在遗传信息的翻译中起着决定作

23、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、四、RNARNA的降解的降解 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

24、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。第三节第三节 RNARNA复制（复制（噬菌体Q和灰质炎病毒） 概念概念：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亚基。（2）复制酶的亚基与来自宿主细胞的亚基自 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

25、的RNA链 （负链），然后以负链为模板复制出大量正链，再 与外壳蛋白组装成新的噬菌体颗粒。RNARNA复制酶的催化性质复制酶的催化性质 以四种以四种NTPNTP为底物；为底物； 专一性地选择病毒专一性地选择病毒RNARNA为模板；为模板； 按按5 5 3 3的方向合成病毒的方向合成病毒RNARNA； 无外切酶活性（即无校对功能）。无外切酶活性（即无校对功能）。5 35 RNA-5 3 3 RNA+释放释放释放释放35 3 3 5 5 RNA+RNA+RNA-vRNA-及 RNA+的合成方向均为病毒病毒RNARNA的复制方式的复制方式1）病毒含正链RNA：进入宿主细胞后先进行病毒RNA复制酶和有

26、关病毒蛋白质的合成（借助于宿主细胞的蛋白质合成体系），然后进行RNA的复制，再装配病毒颗粒。如：噬菌体Q和灰质炎病毒。2）病毒含负链RNA和复制酶：这类病毒进入宿主细胞后，先进行RNA的复制合成正链RNA，再以正链RNA为模板合成病毒蛋白质和RNA，然后装配病毒颗粒。如：狂犬病病毒、马水苞性口炎病毒。3）病毒含双链RNA和复制酶：这类病毒进入宿主细胞后，以双链RNA为模板，通过不对称复制产生正链RNA，并以正链RNA为模板合成病毒蛋白质，然后再合成负链RNA并形成双链RNA，再装配病毒颗粒。如呼肠病毒。第四节第四节 核酸合成的抑制剂核酸合成的抑制剂 核苷酸合成抑制剂核苷酸合成抑制剂氨基酸类似物:如重氮丝氨酸 叶酸类似物：氨基喋呤 碱基和核苷酸类似物：6-巯基嘌呤烷化剂：丝裂霉素C嵌合剂:放线菌素D,溴乙锭 与与DNA模板结合的抑制剂模板结合的抑制剂 作用于作用于DNA聚合酶或聚合酶或RNA集合酶的抑制剂集合酶的抑制剂抗菌素:如利福平、曲张霉素肽类化合物：-鹅膏蕈碱