1、第十七章第十七章 rnarna的生物合成的生物合成生物化學生物化學 rna synthesisrna synthesis2preface轉錄：轉錄：在在dnadna指導下合成指導下合成 rnarna 的過程。的過程。轉錄單位：轉錄單位：rnarna鏈的轉錄起始和終止點之間（模板鏈的轉錄起始和終止點之間（模板dnadna）的轉錄區域）的轉錄區域。可以為可以為一個基因或多個基因一個基因或多個基因。動態過程：動態過程：見動畫見動畫 rnarna轉錄過程轉錄過程0101生物化學生物化學 rnarnasynthesissynthesisemphasislrna rna 聚合酶的特性聚合酶的特性l啟動子和

2、終止子啟動子和終止子l操縱子操縱子lrna rna 后加工后加工生物化學生物化學 rnarnasynthesissynthesis4content轉錄及調控轉錄及調控rnarna轉錄后加工轉錄后加工rnarna復制復制rnarna生物合成的抑制劑生物合成的抑制劑生物化學生物化學 rnarnasynthesissynthesis5lrna聚合酶聚合酶l轉錄過程轉錄過程l啟動子和轉錄因子啟動子和轉錄因子l終止子和終止因子終止子和終止因子l轉錄過程的調節控制轉錄過程的調節控制1、轉錄及調控、轉錄及調控生物化學生物化學 rnarnasynthesissynthesis6（1 1）rnarna聚合酶聚合

3、酶 模板指導型酶：模板指導型酶：由模板由模板dna鏈指導，產物鏈指導，產物rna決定于模板決定于模板dna性質。性質。dna - directed rna polymerase 聚合方向：聚合方向：53；可逆，但由；可逆，但由 ppi 水解推動正反應。水解推動正反應。 底物：底物：dntp（三磷酸核苷酸，（三磷酸核苷酸，dutp），受），受 mg2+ 激活；激活； 不需要引物鏈：不需要引物鏈：可直接在模板上合成可直接在模板上合成rna； 無校對功能無校對功能 體內、外轉錄區別：體內、外轉錄區別：體內僅一條鏈或兩條鏈的不同區域分別體內僅一條鏈或兩條鏈的不同區域分別轉錄，轉錄，體外可雙鏈同時轉錄。

4、體外可雙鏈同時轉錄。生物化學生物化學 rnarnasynthesissynthesis7生物化學生物化學 rnarnasynthesissynthesis8附附1： e. coli 的的 rna 聚合酶組成聚合酶組成亞基亞基分子量分子量基因基因比例比例功能功能160 krpob1結合模板結合模板dna結合結合dntp催化磷酯鍵形成催化磷酯鍵形成催化中心催化中心核心酶組分核心酶組分150 krpoc137 krpoa2酶的裝配，結合啟動酶的裝配，結合啟動子上游元件子上游元件核心酶組分核心酶組分32-92 krpod1起始亞基，起始作用，起始亞基，起始作用，不同細胞變動較不同細胞變動較大。大。不同

5、不同識別不同識別不同啟動子啟動子9 k1未知未知全酶組分，全酶組分，非核心酶組分非核心酶組分生物化學生物化學 rnarnasynthesissynthesis9附附2：真核真核 rna聚合酶聚合酶種類種類名稱名稱分布分布合成的合成的rna類型類型a（i）對對a-鵝膏蕈堿不敏感鵝膏蕈堿不敏感ai(a+b), i, ia, rc-ii, aii, ib核仁核仁rrnab（ii）對低濃度對低濃度a-敏感敏感bi, ii, iia, rc-i, bii, iib核質核質mrna前體前體, snrnac（iii）對高濃度對高濃度a-敏感敏感aiii, iii, rc-iii核質核質trna和和5s rr

6、na生物化學生物化學 rnarnasynthesissynthesis500 kdal500 kdal, 8-14 subunit, 8-14 subunit，含，含 znzn2+2+10（2 2）轉錄過程轉錄過程起始起始 見：見：動畫動畫rna轉錄過程轉錄過程02 起起 始：始： rna polymerase 對雙鏈對雙鏈 dna 特定部位特定部位（promotor）的的識別識別；“局部局部” 解開解開 dna雙鏈，形成雙鏈，形成“轉錄泡轉錄泡” 最初兩個最初兩個 核苷酸核苷酸 間間 形成形成 磷酸二酯鍵，第一個核苷酸為磷酸二酯鍵，第一個核苷酸為 pppg/a生物化學生物化學 rnarnas

7、ynthesissynthesis11（2 2）轉錄過程轉錄過程延伸延伸 延延 伸：伸：dna 和和 rna聚合酶聚合酶 分子變構，釋放因子，分子變構，釋放因子，核心酶核心酶 沿著模板沿著模板dna（3- 5）移動并移動并（ 5- 3）合成合成rna，形成，形成局部局部 雜交雜交 dna-rna分子分子；dna再置換再置換rna。生物化學生物化學 rnarnasynthesissynthesis12（2 2）轉錄過程轉錄過程終止終止 終終 止：止：核心酶核心酶 到達到達 terminator，在，在終止因子終止因子幫助下，聚合幫助下，聚合反應終止，反應終止，rna鏈鏈 和和 核心酶核心酶 從從

8、dna脫落脫落 轉錄全過程：轉錄全過程：見見 動畫動畫rnarna轉錄過程轉錄過程0202生物化學生物化學 rnarnasynthesissynthesis13啟動子和轉錄因子：啟動子和轉錄因子：rna聚合酶能夠識別、結合和開始轉錄的一段聚合酶能夠識別、結合和開始轉錄的一段dna片段（片段（弱弱），轉錄時需要的輔助因子（），轉錄時需要的輔助因子（pn）為）為轉錄因子轉錄因子。啟動子的位置：啟動子的位置：上游或基因內上游或基因內正鏈和負鏈，上游和下游正鏈和負鏈，上游和下游（3）啟動子和轉錄因子啟動子和轉錄因子生物化學生物化學 rnarnasynthesissynthesisstartstart1

9、4附：附：rna polymerase binding to promotor 占據占據dna上上 75-80bp，即由啟動子，即由啟動子-55 bp +20bp動態：動態：見見rna聚合酶與聚合酶與dna結合結合生物化學生物化學 rnarnasynthesissynthesisstartpoint-50 bp-30 bp20 bp15 大腸桿菌大腸桿菌pribnow box（框）：（框）：大腸桿菌轉錄起點上游大腸桿菌轉錄起點上游（-10序列，序列，tata box）6bp 保守序列保守序列 t90a95t45a60a50t96。其突變不會影響其突變不會影響 rna酶酶 與與 啟動子啟動子 的

10、結合速度，但會降低雙鏈的解開速度。的結合速度，但會降低雙鏈的解開速度。識別區域識別區域 -35 序列：序列：t85t83g81a61c69a52，突變會影響突變會影響rna酶與啟動子的酶與啟動子的結合速度。結合速度。附：附：原核細胞啟動子的組成原核細胞啟動子的組成生物化學生物化學 rnarnasynthesissynthesis16生物化學生物化學 rnarnasynthesissynthesis17較原核細胞復雜且長，差異大，較原核細胞復雜且長，差異大，由轉錄因子識別由轉錄因子識別。可分為三類。可分為三類分別由分別由rna聚合酶聚合酶i、ii和和iii轉錄轉錄），通常第一個核苷酸為），通常第

11、一個核苷酸為a。類型類型ii啟動子：啟動子：編碼編碼 mrna 基本啟動子：基本啟動子： 起始子：起始子： 上游元件：上游元件： 應答元件：應答元件：附：附：真核細胞啟動子的組成真核細胞啟動子的組成i生物化學生物化學 rnarnasynthesissynthesis18生物化學生物化學 rnarnasynthesissynthesis上游元件上游元件基本啟動子基本啟動子起始子起始子19 基本啟動子：基本啟動子：basal promotor goldberg-hogness box （tata盒盒），），-25 -30 左右處左右處7bp 堿基頻率：堿基頻率：t82 a97 t85 a63/t3

12、7 a82 a60/t37 和和通用因子（通用因子（gif）組成轉錄的必要元件，非充分條件組成轉錄的必要元件，非充分條件 和和通用因子（通用因子（gif）成形成前起始復合物的主要成形成前起始復合物的主要裝配位點裝配位點 影響轉錄起始頻率影響轉錄起始頻率附：附：真核細胞啟動子的組成真核細胞啟動子的組成ii生物化學生物化學 rnarnasynthesissynthesis20 起始子：起始子：initiator 共有序列：共有序列：py py a n t/a p y py附：附：真核細胞啟動子的組成真核細胞啟動子的組成iii生物化學生物化學 rnarnasynthesissynthesis轉錄起點

13、轉錄起點21 上游元件：上游元件：upstream element, 轉錄輔助因子轉錄輔助因子 caat box（-75序列序列）:9bp，ggt/ccaatct, 與與rna酶的結合有關酶的結合有關 gc box：caat框上游處，框上游處，gggcgg，與，與caat框全稱為框全稱為上游因子（上游因子（upstream elements） 八聚體八聚體 octamer：atgcaaat附：附：真核細胞啟動子的組成真核細胞啟動子的組成iv生物化學生物化學 rnarnasynthesissynthesis22生物化學生物化學 rnarnasynthesissynthesis上游元件上游元件基本

14、啟動子基本啟動子起始子起始子23l終止子：終止子：提供轉錄停止信號的提供轉錄停止信號的dna序列序列l終止因子：終止因子：協助協助rna聚合酶識別終止信號的聚合酶識別終止信號的輔助因子輔助因子pnl通讀和抗終止因子：通讀和抗終止因子：終止子被特異的因子所阻止，使終止子被特異的因子所阻止，使rna聚合酶聚合酶趆過終止子趆過終止子繼續轉錄（繼續轉錄（read through）；引起抗終）；引起抗終止作用的止作用的pn抗終止因子抗終止因子。l回顧：回顧：見動畫見動畫rna轉錄過程轉錄過程02（4）終止子和終止因子終止子和終止因子生物化學生物化學 rnarnasynthesissynthesis24終

15、止子的識別與特點終止子的識別與特點:真核生物機制不詳真核生物機制不詳 rna聚合酶和輔助因子本身可識別終止子；聚合酶和輔助因子本身可識別終止子； 終止子位于已轉錄終止子位于已轉錄dna序列中（序列中（聚合酶只能感受已轉錄的聚合酶只能感受已轉錄的dna 在終止信號前均有一個回文序列，產生的在終止信號前均有一個回文序列，產生的rna可形成由可形成由莖環莖環構構成的成的發夾結構發夾結構，可使，可使聚合酶聚合酶移動移動減緩或暫停減緩或暫停rna的合成；的合成； 終止子識別的輔助因子：終止子識別的輔助因子：nus 因子，因子，69kd酸性多肽酸性多肽注：注：rna產生的發夾型結構較多，但只有產生的發夾型

16、結構較多，但只有終止序列終止序列可能使轉錄可能使轉錄停止。停止。生物化學生物化學 rnarnasynthesissynthesis25附：附：終止因子終止因子 e.coli 終止子的兩種類型：終止子的兩種類型：不依賴于不依賴于 的終止子：的終止子：簡單終止子，終點前富含簡單終止子，終點前富含6 u，回文結構對稱區，回文結構對稱區富含富含gc；依賴型終止子：依賴型終止子：回文結構不含富有回文結構不含富有gc區；回文結構后無寡聚區；回文結構后無寡聚u 因子：因子：46 kd六聚體蛋白，具有依賴六聚體蛋白，具有依賴rna的的ntpase（水解三磷酸核（水解三磷酸核苷酶）活力苷酶）活力（供能）（供能）

17、和和rnadna解螺旋酶（解螺旋酶（helicase）活力。）活力。依賴型的終止方式：依賴型的終止方式：rna聚合酶遇終止子發生暫停，使聚合酶遇終止子發生暫停，使追上酶，追上酶， 與酶相互作用使與酶相互作用使rna釋放，并使聚合酶與釋放，并使聚合酶與從從dna鏈上脫落下來。鏈上脫落下來。生物化學生物化學 rnarnasynthesissynthesis26l轉錄調節控制是基因表達最重要的調控途徑？轉錄調節控制是基因表達最重要的調控途徑？ 主要方式：主要方式：時序調控和適應性調控時序調控和適應性調控 調節過程：調節過程：轉錄起始和終止階段轉錄起始和終止階段 operon structural m

18、odel:monod & jacob（france），），操操縱子：縱子：原核生物功能相關的基因的組合，是基因表達和調控的原核生物功能相關的基因的組合，是基因表達和調控的單位：單位：控制部位（控制部位（啟動子啟動子+操縱基因操縱基因）和和結構基因結構基因 操縱基因：操縱基因：上、下游各有一個相似的回文結構序列上、下游各有一個相似的回文結構序列（5）轉錄過程的調節控制轉錄過程的調節控制生物化學生物化學 rnarnasynthesissynthesis27生物化學生物化學 rnarnasynthesissynthesis動態過程：動態過程：見動畫見動畫 操縱子模型操縱子模型28真核生物與原

19、核生物轉錄水平的差異真核生物與原核生物轉錄水平的差異 不組成操縱子不組成操縱子 存在大量順式元件和反式因子，調節復雜存在大量順式元件和反式因子，調節復雜 以正調節為主，可誘導因子以共價修飾為主（磷酸化）以正調節為主，可誘導因子以共價修飾為主（磷酸化） 具有染色質結構水平調節網絡具有染色質結構水平調節網絡了解：了解： 正調控，負調控，葡萄糖效應，乳糖操縱子、多（單）順反子正調控，負調控，葡萄糖效應，乳糖操縱子、多（單）順反子 順式元件：順式元件：調節子，操縱子，增強子、衰減子、沉默子調節子，操縱子，增強子、衰減子、沉默子 反式作用因子：反式作用因子： crp、 hth、zinc finger、h

20、lp、zip生物化學生物化學 rnarnasynthesissynthesis29生物化學生物化學 rnarnasynthesissynthesis302、rna轉錄后加工轉錄后加工 耗能：耗能：大腸桿菌大腸桿菌nad（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸）；（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸）；動物細動物細胞和噬菌體胞和噬菌體atp。 后加工的途徑：后加工的途徑： 鏈的裂解鏈的裂解 末端切除和特殊結構形成末端切除和特殊結構形成 堿基修飾和糖苷鍵的改變堿基修飾和糖苷鍵的改變 拼接、編輯拼接、編輯生物化學生物化學 rnarnasynthesissynthesis31附：附：mrna mrna 與與 dnadna 的區別的區

21、別m m7 7g g55pppppp55nmnm5-cap5-cap5-5-非編碼區非編碼區編碼區編碼區編譯起始編譯起始控制區控制區抑制因子抑制因子結合位點結合位點augaugugaugauaauaauaguag抑制因子抑制因子結合位點結合位點3-3-非編碼區非編碼區定位定位信號信號a an naaaohaaaoh3poly(a)3poly(a)aauaaaaauaaa生物化學生物化學 rnarnasynthesissynthesis32（1）原核生物中）原核生物中rna后加工后加工 rrna前體的加工前體的加工剪切：剪切：30s 前體（前體（2.1md，6.3kb） 16s rrna+23s

22、rrna ; 5末末端和端和 3末端序列的切除末端序列的切除甲基化：甲基化：16s （m4cm） trna前體的加工前體的加工前體兩端被內切酶切斷前體兩端被內切酶切斷外切酶從外切酶從3末端逐一將附加序列切除（修剪）末端逐一將附加序列切除（修剪）在在trna3terminor 添加胞苷酸胞苷酸腺苷酸（添加胞苷酸胞苷酸腺苷酸（-ccaoh）：）：所有所有trna的的3結構；結構；核苷的修飾：核苷的修飾：甲基化等甲基化等 mrna前體的加工前體的加工大多數不用加工？大多數不用加工？少數多順反子需通過內切成較小的單位少數多順反子需通過內切成較小的單位生物化學生物化學 rnarnasynthesissy

23、nthesis33（2）真核生物的）真核生物的rna后加工后加工rrna前體的加工前體的加工剪切：剪切：45s 前體（前體（41md） 41s32s +20s 28s+5.8s+18s;甲基化：甲基化：2-oh 甲基化甲基化; trna前體的加工前體的加工:數量（數量（2501300）遠多于原核細胞（）遠多于原核細胞（60個）個）前體兩端被內（外）切酶切斷前體兩端被內（外）切酶切斷在在trna3terminor 添加胞苷酸胞苷酸腺苷酸（添加胞苷酸胞苷酸腺苷酸（-ccaoh）：）：核苷的修飾：核苷的修飾：甲基化等甲基化等mrna前體的加工前體的加工5cap （m7g5ppp5nmpnp-）3ta

24、il（poly a）除去內含子序列，將外顯子進行拼接。除去內含子序列，將外顯子進行拼接。鏈內部核苷酸甲基化鏈內部核苷酸甲基化生物化學生物化學 rnarnasynthesissynthesis34（3）rna后加工的方式后加工的方式 rna的拼接的拼接 rna的編輯的編輯 rna的再編碼的再編碼 rna的降解的降解生物化學生物化學 rnarnasynthesissynthesis35i、rna的拼接的拼接 拼接的目的：拼接的目的：大多數真核基因為斷裂基因，轉錄后需要通過拼接去除內大多數真核基因為斷裂基因，轉錄后需要通過拼接去除內含子，使編碼區成為連續序列。含子，使編碼區成為連續序列。 方式：方式

25、：分子內拼接分子內拼接（順式拼接）（順式拼接）+ 分子間拼接分子間拼接（反式拼接）（反式拼接）類型類型i自我拼接自我拼接（ribozyme自我催化，只需要陽離子和鳥苷酸，無需能量自我催化，只需要陽離子和鳥苷酸，無需能量和酶催化）和酶催化）類型類型ii自我拼接自我拼接（真菌線粒體和植物葉綠體基因）（真菌線粒體和植物葉綠體基因）hnmrna拼接：拼接：由由intron 自我催化完成；自我催化完成；核內核內hntrna拼接拼接：核酸內切酶作用，耗能；核酸內切酶作用，耗能；反式拼接和選擇性拼接：反式拼接和選擇性拼接：不同不同rna間拼接；一個間拼接；一個rna不同階段的不同拼不同階段的不同拼接方式得到

26、不同接方式得到不同 mrna和和 pn。生物化學生物化學 rnarnasynthesissynthesis36rna的拼接生物學意義的拼接生物學意義 疑惑：疑惑：為何要先轉錄內含子再切除？為何保留耗費巨大的為何要先轉錄內含子再切除？為何保留耗費巨大的拼接過程？內含子由何而來？為何只存在于真核生物？內含拼接過程？內含子由何而來？為何只存在于真核生物？內含子到底有何功能？子到底有何功能？是生物機體進化的結果：是生物機體進化的結果：外顯子與外顯子與pn結構域的對應結構域的對應是基因表達調節的重要環節是基因表達調節的重要環節內含子的存在可促進同源重組內含子的存在可促進同源重組extron &

27、intron 是相對的是相對的生物化學生物化學 rnarnasynthesissynthesis37ii、rna的編輯的編輯 rna編輯：編輯：改變改變rna編碼序列的方式：編碼序列的方式：核苷酸的插入，取代核苷酸的插入，取代 生物學意義：生物學意義： rna編輯可消除移碼突變等基因突變的危害：在編輯可消除移碼突變等基因突變的危害：在基因突變過程中丟失的基因突變過程中丟失的遺傳信息可借助遺傳信息可借助 guide rna為模板編輯補足為模板編輯補足 增加了基因產物的多樣性：增加了基因產物的多樣性：由同一基因轉錄后可編輯表達出多種同源體由同一基因轉錄后可編輯表達出多種同源體蛋白質；蛋白質； 與生

28、物發育與分化有關，與生物發育與分化有關，是基因調控的一種重要方式；是基因調控的一種重要方式； 可能增加基因產物獲得新的結構和功能，可能增加基因產物獲得新的結構和功能，有利于生物進化；有利于生物進化； 可能與學習和記憶有關可能與學習和記憶有關生物化學生物化學 rnarnasynthesissynthesis38iii、rna的再編碼的再編碼 rna的再編碼：的再編碼：在翻譯過程中，可以不同方式譯碼（違反翻譯在翻譯過程中，可以不同方式譯碼（違反翻譯的譯碼規則），改變了原來編碼的含義。的譯碼規則），改變了原來編碼的含義。 生物學意義：生物學意義：可以校正因基因錯義、無義和移碼突變，修正它可以校正因基

29、因錯義、無義和移碼突變，修正它們造成的基因活性降低或失活所帶來的損害們造成的基因活性降低或失活所帶來的損害 方式：方式：程序性閱讀框架移位（翻譯打嗝）；跳躍閱讀。程序性閱讀框架移位（翻譯打嗝）；跳躍閱讀。生物化學生物化學 rnarnasynthesissynthesis39iv、rna的降解的降解 特點：特點：rrna & trna壽命長、穩定，更新率較低；壽命長、穩定，更新率較低；mrna 壽命壽命差異大，總體不穩定，更新率非常高，數秒鐘至數小時，細胞內一個差異大，總體不穩定，更新率非常高，數秒鐘至數小時，細胞內一個世代中各類世代中各類 mrna 約周轉約周轉10次次 原因：原因：使生物細胞和生物機體以適應生長和對環境作出快速反應，使生物細胞和生物機體以適應生長和對環境作出快速反應，如：如：基因水平調控，即分子水平調節基因水平調控，即分子水平調節 降解體系：降解體系：主要依賴主要依賴核酸外切酶核酸外切酶和和內切酶內切酶 指導降解的信號：指導降解的信號：mrna-5-cap & mrna-3-tail生物化學生物化學 rnarnasynthesissynthesis403、rna復制復制