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17 RNA 生物合成和加工

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17 RNA 生物合成和加工

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  1. 17 RNA生物合成和加工

  2. 本章重点讨论RNA的生物合成, 对RNA的合成后加工和RNA的复制作一般介绍。 第一节 DNA指导下RNA的合成(转录) 第二节 RNA转录后加工 第三节 RNA指导下RNA的合成(RNA的复制) 第四节 核酸生物合成的抑制剂 思考 返回

  3. 复制 DNA 转录 逆转录 蛋白质 RNA 翻译 复制 遗传信息传递的 中心法则 生物的遗传信息以密码的形式储存在DNA分子上,表现为特定的核苷酸排列顺序。在细胞分裂的过程中,通过DNA复制把亲代细胞所含的遗传信息忠实地传递给两个子代细胞。在子代细胞的生长发育过程中,这些遗传信息通过转录传递给RNA,再由RNA通过翻译转变成相应的蛋白质多肽链上的氨基酸排列顺序,由蛋白质执行各种各样的生物学功能,使后代表现出与亲代相似的遗传特征。后来人们又发现,在宿主细胞中一些RNA病毒能以自己的RNA为模板复制出新的病毒RNA,还有一些RNA病毒能以其RNA为模板合成DNA,称为逆转录这是中心法则的补充。 中心法则总结了生物体内遗传信息的流动规律,揭示遗传的分子基础,不仅使人们对细胞的生长、发育、遗传、变异等生命现象有了更深刻的认识,而且以这方面的理论和技术为基础发展了基因工程,给人类的生产和生活带来了深刻的革命。

  4. 第一节 DNA指导下RNA的合成 一、转录的概念 二、RNA聚合酶及催化反应 三、RNA合成过程 四、启动子和转录因子 五、终止子和终止因子

  5. 转录是在 DNA的指导的RNA聚合酶的催化下,按照碱基配对的原则,以四种NTP为原料合成一条与模板DNA互补的RNA 的过程。 经转录生成的RNA有多种,主要的是rRNA,tRNA,mRNA,snRNA 和 hnRNA。 转录的概念

  6. 转录的特点: 1.转录不需要引物。 2.转录从DNA模板的特定位点开始,并在一定的位点终止。即有启动子和终止子。此转录区域为一个转录单位。对于真核生物一个转录单位就是一个基因,而原核生物可以是多个基因 模板链(template strand) 反意义链(antisense strand) 启动子(promoter) 终止子(terminator) DNA 5´ 3´ 3´ 5´ 有意义链(sense strand) 非信息区

  7. 转录的特点: 3.转录只发生在DNA的任意一条链上。为“不对称转录”。 被转录的链称为模板链或反义链;不被转录的链称为有义链。 4.转录后的产物需经过加工修饰,才能成为成熟、有活性的RNA分子。 模板链(template strand) 反意义链(antisense strand) 启动子(promoter) 终止子(terminator) DNA 5´ 3´ 3´ 5´ 有意义链(sense strand) 非信息区

  8. 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。

  9. RNA聚合酶催化RNA合成所必需的组分 1. 模板:双股DNA是有效的模板,产物的性质取决于模板 2. 4种NTP; 3. 二价的金属离子Mg2+和Mn2+。 在E.coli细胞内,或者说细菌细胞内的所有三种细胞RNA(mRNA,tRNA和rRNA)都是同一种RNA聚合酶根据模板合成出来的。

  10. 5´ RNA聚合酶催化的反应 U 5´ A G C C G A U 3´ 新合成RNA 模板DNA

  11. 原核生物中的RNA聚合酶全酶由五个亚基构成,即α2ββ'σ。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。

  12. 大肠杆菌RNA聚合酶的结构示意图     起始因子 核心酶(α2ββ) 全酶(αββ ) β——和模板DNA结合 β——起始和催化聚合反应 α——?

  13. 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,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。

  14. 酵母RNA聚合酶Ⅰ和Ⅱ

  15. 启动子和转录因子 启动子( promoter)是指RNA聚合酶识别、结合和开始转录的一段DNA序列。 RNA聚合酶起始转录需要的辅助因子(蛋白质)称为转录因子(transcriptional factor)。 利用足迹法(footprint)和DNA测序法可以确定启动子的序列结构。 例:大肠杆菌启动子共有序列的功能

  16. 足迹法确定启动子序列

  17. Pribnow 框 5-9bp 16-19bp 识别区 A × × × × × × × × × × AAT× AAT× G × × × × TTGACA × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × ×TAT AACTGT T × × × × × × × × × × × × × ×ATA C -10序列 × × -35序列 × × 大肠杆菌启动子共有序列的功能 起点 提供了RNA聚合酶识别的信号 有助于DNA局部双链解开

  18. 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辅助因子(蛋白质)则称为终止因子 (termination factor)。有的终止信号的作用可被特异的因子所阻止,使RNA聚合酶得以越过终止子继续转录,这称为通读(readthrough),这类引起抗终止作用的蛋白质称为抗终止因子(antitermination factor)。 例:大肠杆菌的两种终止因子

  19. 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。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:是一种分子量为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。即NusA结合到核心酶上(形成α2ββ NusA复合物),由NusA识别终止子序列;转录终止后,RNA聚合酶脱离模板,NusA又被σ所取代,由此形成RNA聚合酶起始复合物和终止复合物两种形式的循环。

  20. 大肠杆菌两类终止子的回文结构 该区域提供信号使RNApol脱离模板 富含G-C 系列U A. 不依赖于Rho()的终止子 A. 依赖于Rho()的终止子

  21. 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。 酶与该区结合后,即滑动至-10区的TATAAT序列(Pribnow盒),并启动转录。 RNA转录合成的基本过程

  22. 原核生物中转录起始区的共同序列 (通常为A或G)

  23. 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。

  24. 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。

  25. 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。

  26. 启动子(promoter) 终止子(terminator)     RNA聚合酶 5 离开 3    5 3 3 5 5 5 3 5 RNA合成过程 起始 双链DNA局部解开 磷酸二酯键形成 延长阶段 解链区到达基因终点 终止阶段 RNA

  27. 模板链(反义链) 有义链 解链 复链 3´ RNA-DNA杂交螺旋 新生RNA 聚合酶的移动方向 延长部位 5´ RNA链的延伸图解

  28. 真核生物和原核生物转录的差别 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 DNA mRNA前体 加工 mRNA 核 mRNA 转运 核糖体 新生蛋白质 原核生物 真核生物

  29. 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的降解

  30. 原核生物中rRNA前体的加工 30S前体 甲基化作用 专一核酸外切酶 17S 25S tRNA 专一核酸外切酶 专一核酸外切酶 16S rRNA tRNA 23S rRNA 5S rRNA

  31. 四膜虫前rRNA的自身剪接(Self-splicing) Mg2+ Ribozyme

  32. 主要有以下几种加工方式: 切断。(由核酸内切酶在tRNA两端切断) 剪接。由核酸外切梅从3‘端逐个地切去附加的顺序,进行修剪(trimming) 化学修饰。在tRNA 3‘端加上-CCAOH 核苷酸的修饰和异构化。 原核生物tRNA的转录后加工

  33. 原核生物tRNA前体分子的加工 a、切除tRNA前体两端多余的序列: 5’—端切除几到10个核苷酸。 RNAaseF RNAaseF RNAaseP RNAaseP RNAaseD ACC RNAaseD b、末端添加:3’-端添加CCA序列。  c、修饰:形成稀有碱基如DH2 。   表示核酸内切酶的作用 表示核酸外切酶的作用 表示核苷酸转移酶的作用 表示异构化酶的作用

  34. 酵母酪氨酸tRNA前体的加工 加工 成熟tRNA 早转录本

  35. m7G-5´ppp-N-3 ´ p 真核细胞mRNA的加工  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(intron),拼接外显子(extron) 顺反子(cistron ) 5´“帽子” PolyA3´ AAAAAAA-OH

  36. mRNA的转录后加工 1.加帽(adding cap): 即在mRNA的5'-端加上m7GTP的结构。mRNA在真核生物中的初级产物称为hnRNA。 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。

  37. 2.加尾(adding tail): 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。

  38. 3.剪接(splicing): 真核生物中的结构基因基本上都是断裂基因。结构基因中能够指导多肽链合成的编码顺序被称为外显子,而不能指导多肽链合成的非编码顺序就被称为内含子。 真核生物hnRNA的剪接一般需snRNA参与构成的核蛋白体,通过形成套索状结构而将内含子切除掉。

  39. 外显子1 外显子2 外显子3 5’末端加帽和转录终止 hnRNA加工成 mRNA的过程 3’末端剪切和聚腺苷酸化 内含子 剪去内含子并拼接 向细胞质转运

  40. 4.内部甲基化: 由甲基化酶催化,对某些碱基进行甲基化处理。

  41. 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(即外含子,Exon)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。 1、RNA的拼接 2、RNA的编辑 3、RNA的再编码

  42. RNA的拼接方式 核mRNA的拼接体的拼接 核mRNA的酶促拼接 类型I自我拼接 类型II自我拼接

  43. RNA拼接的生物学意义 1、RNA拼接是生物体在进化过程中形成的,是进化的结果。 2、RNA拼接是基因表达调节的重要环节。 3、基因是由模块装配而成,模块之间的间隔序列也就演变成了内含子,因此外显子和内含子有着同样古老的历史。 4、RNA拼接主要存在于真核细胞,原核生物极为少见,但并非完全没有。 5、外显子和内含子是相对的,有些内含子具有编码序列,能够产生蛋白质和功能RNA。

  44. 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 (P487) 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 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

  45. RNA的再编码 1、概念: 在某些情况下,编码在mRNA上的遗传信息可以用不同方式译码,即改变了原来的编码的含义,称再编码(recording) 2、RNA再编码的方式 (1)校正tRNA (2)翻译移码(核糖体移码)

  46. 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。

  47. 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出快速反应的要求。 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。