第36章RNA的生物合成和加工(BiosynthesisandprocessingofRNA)一、DNA指導下RNA的合成二、RNA的轉錄后加工三、在RNA指導下RNA和DNA的合成1ppt課件遺傳信息的流向2ppt課件轉錄和轉錄后的加工

貯存于DNA中的遺傳信息須通過轉錄和翻譯而得到表達。在轉錄過程中，以DNA的一條鏈作模板，在RNA聚合酶的催化下，利用4種NTP為原料，合成與模板鏈互補的RNA分子。與DNA模板鏈互補的另一條DNA單鏈為意義鏈。

細胞內的各種RNA都是通過轉錄產生的（某些RNA病毒除外，它們有RNA的復制），轉錄出的RNA通常需要經過各種加工才能成為成熟的、有功能的RNA產物。3ppt課件DNA意義鏈、模板鏈和RNA、蛋白質的關系非模板鏈模板鏈非模板鏈也叫意義鏈或編碼鏈4ppt課件轉錄的方向與模板鏈

在一個DNA分子長鏈上有許多基因，若將DNA分子的兩條鏈分別稱為A鏈和B鏈，有些基因的模板鏈位于A鏈上，有些基因的模板鏈位于B鏈上，這兩類基因的轉錄方向剛好相反（對DNA雙鏈分子而言）。注意：我們在描述一個基因的序列時，描述的是它的意義鏈。RNA5ppt課件一、DNA指導下RNA的合成

在DNA指導下合成RNA稱為轉錄。在DNA長鏈上有許多基因，也有許多轉錄起始點和轉錄終止點，形成相應的轉錄單位。一個轉錄單位可以只含一個基因，稱為單順反子（monocistron）；也可以含多個基因，稱為多順反子（multicistron）。在每一個轉錄起始點附近都有特殊的序列，只有具有這種特殊序列才能在此處起始轉錄，這種特殊的序列叫啟動子（promoter）。轉錄單位6ppt課件轉錄受到嚴格的調控

基因的轉錄是一種有選擇的過程，隨著不同的細胞類型、生長發育的不同階段、外界環境條件的變化而轉錄不同的基因。轉錄是基因表達調控中最重要的層次。7ppt課件核酸合成酶類DNA指導的DNA聚合酶：DNA聚合酶

（DNA-dircetedDNApolymerase，DDDP）DNA指導的RNA聚合酶：RNA聚合酶

（DNA-directedRNApolymerase，DDRP）RNA指導的RNA聚合酶：復制酶

（RNA-directedRNApolymerase，RDRP）RNA指導的DNA聚合酶：反轉錄酶（逆轉錄酶）

（RNA-directedDNApolymerase，RDDP）8ppt課件（一）DNA指導的RNA聚合酶

DNA指導的RNA聚合酶簡稱RNA聚合酶，它以4種NTP為底物，需要DNA模板，RNA鏈的合成方向也是5’→3’，5’端的第一個核苷酸的5’位帶有3個磷酸，其后每加入一個核苷酸脫去一個焦磷酸，形成磷酸二酯鍵。RNA鏈合成的起始不需要引物。RNA聚合酶沒有校對功能。9ppt課件大腸桿菌RNA聚合酶

細菌的mRNA、rRNA和tRNA都由同一種RNA聚合酶轉錄。RNA聚合酶的轉錄速度在37℃約為50個核苷酸/s，與多肽鏈的合成速度（15個氨基酸/s）大致相當。

大腸桿菌RNA聚合酶由5種6個亞基組成，α2ββ’σω，其中α2ββ’是核心酶。10ppt課件大腸桿菌RNA聚合酶各亞基的性質和功能亞基基因分子量亞基數目功能αrpoA40,0002酶的裝配與啟動子上游元件及活化因子結合βrpoB155,0001結合核苷酸底物催化磷酸二酯鍵形成β’rpoC160,0001與模板DNA結合σrpoD32,000~92,0001識別啟動子促進轉錄的起始ω9,0001未知11ppt課件σ因子的功能

σ因子的功能在于引導RNA聚合酶穩定地結合到DNA啟動子上，σ因子有多種，不同類型的啟動子由不同的σ因子識別。σ因子的存在對核心酶的構象有較大影響，它導致RNA聚合酶與DNA的一般序列及啟動子序列的親和力有很大不同，極大地降低了酶與DNA一般序列的結合常數和停留時間，同時又大大增加了酶與啟動子的結合常數和停留時間。12ppt課件RNA聚合酶與啟動子的結合

全酶可通過擴散與DNA任意部位結合，這種結合是疏松的，隨后酶結合的DNA部位迅速被置換，也可以說是酶在DNA上不斷地變換結合位點，直到遇上啟動子序列，隨即由疏松結合變成牢固結合。此處DNA雙鏈被局部解開，轉錄開始。轉錄開始后σ因子脫落，轉錄進入延伸階段。

13ppt課件大腸桿菌RNA聚合酶與DNA的相互作用σ因子與核心酶全酶全酶與DNA復合物核心酶鉗住DNAσ因子脫落14ppt課件大腸桿菌的RNA轉錄~17bp15ppt課件起始雙鏈DNA局部解開磷酸二酯鍵形成終止階段解鏈區到達基因終點延長階段53RNA

啟動子（promoter)

終止子(terminator)5RNA聚合酶5353553離開16ppt課件真核生物RNA聚合酶

真核生物RNA聚合酶主要有3類，通常有8～14個亞基，并含有Zn2+。它們分別負責合成不同類型的RNA,利用它們對抑制劑α-鵝膏蕈堿的敏感性的差異可以辨別它們。真核生物RNA聚合酶自身不能識別和結合到啟動子上，它也沒有σ因子，而是需要在啟動子上由多種轉錄因子（各種參與轉錄的蛋白質）和RNA聚合酶組裝成活性轉錄復合物才能起始轉錄。17ppt課件真核生物RNA聚合酶的種類和性質酶的種類功能對抑制劑的敏感性RNA聚合酶Ⅰ轉錄45SrRNA前體，經加工產生5.8S、18S和28SrRNA對α－鵝膏蕈堿不敏感RNA聚合酶Ⅱ轉錄所有編碼蛋白質的基因和大多數snRNA對α－鵝膏蕈堿敏感RNA聚合酶Ⅲ轉錄小RNA的基因，包括tRNA、5SrRNA、U6snRNA和scRNA對α－鵝膏蕈堿中等敏感18ppt課件真核生物細胞器RNA聚合酶

真核細胞的線粒體和葉綠體中也有自己的RNA聚合酶，它們分別轉錄線粒體和葉綠體中的基因。線粒體和葉綠體RNA聚合酶不同于細胞核RNA聚合酶，它們的結構較簡單，類似于原核生物的RNA聚合酶，能催化線粒體中和葉綠體中各種RNA的轉錄，并被原核生物RNA聚合酶的抑制劑利福平等抑制。19ppt課件（二）啟動子和轉錄因子

利用足跡法（footprint）和DNA測序法可以確定啟動子的序列結構。DNA-proteincomplexNakedDNAprotein（↑ArrowsindicateDNaseⅠcleavagesites）DenaturedsDNA-Setsoflabeledfragments20ppt課件足跡法測定DNA上蛋白質的結合位點21ppt課件RNA聚合酶與DNA的結合

習慣上DNA的序列按其意義鏈來描述。從左到右相當于5’→3’方向。轉錄單位的起點核苷酸編號為+1，往右依次為+2,+3,·

·

·

·

·

·

從+1往5’上游編號依次為-1,-2,·

·

·

·

·

·

當RNA聚合酶全酶最初與DNA結合時，它覆蓋的長度為75～80bp，從啟動子的-

55

～

+20。在轉錄起始階段結束時，σ因子被釋放，核心酶覆蓋的長度約為60bp。到核心酶再向前移動若干核苷酸后，核心酶進入延伸階段，只覆蓋30～40bp。22ppt課件大腸桿菌RNA聚合酶在轉錄的起始階段縮短覆蓋DNA的長度23ppt課件原核生物啟動子

在原核基因啟動子中，有一個位于-10的pribnowbox（TATAAT）和位于-35的sextamabox（TTGACA）。這兩個序列是決定啟動子強度的重要因素。Pribnowbox是RNA聚合酶的牢固結合位點及解鏈位點，sextamabox是RNA聚合酶的識別位點。在-10區和-35區之間的序列并不重要，然而這兩個區之間的距離卻十分重要。天然啟動子中這段距離大多為15~20bp，實驗表明這段距離為17bp時轉錄效率最高。24ppt課件大腸桿菌啟動子共有序列的功能sextamaboxpribnowbox25ppt課件含σ70的RNA聚合酶識別的幾個啟動子rrnBP126ppt課件大腸桿菌不同σ因子識別具有不同共有序列的啟動子基因因子用途-35序列間隔-10序列rpoDσ70通用TTGACA16~18bpTATAATrpoHσ32熱休克CCCTTGAA13~15bpCCCGATNTrpoEσE熱休克未知未知未知rpoNσ54氮源CTGGNA6bpTTGCAfli

AσF鞭毛CTAAA15bpGCCGATAA27ppt課件真核生物啟動子

真核生物啟動子有3類，分別由RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ起始轉錄，起始轉錄需要許多轉錄因子的參與，啟動子的識別也是靠轉錄因子的作用。類別Ⅰ啟動子控制的基因有許多拷貝，往往成簇存在。RNA聚合酶Ⅰ轉錄45SrRNA前體，經加工產生5.8S、18S和28SrRNA28ppt課件類別Ⅰ啟動子的結構

類別Ⅰ啟動子由兩部分保守序列組成：1.核心啟動子（corepromoter）位于轉錄起點附近，從-45~+20；2.上游控制元件（upstreamcontrolelement）位于-180~-107。

兩部分都有富含GC的區域。RNA聚合酶Ⅰ對其轉錄需要兩種轉錄因子的參與。29ppt課件真核生物類別Ⅰ啟動子的轉錄因子

UBF1和SL1是參與類別Ⅰ啟動子轉錄的兩種轉錄因子，其中UBF1為單鏈蛋白，SL1為四聚體蛋白。30ppt課件真核生物的類別Ⅱ啟動子類別Ⅱ啟動子包含4類控制元件：基本啟動子（basalpromoter）起始子（initiator）上游元件（upstreamelement）應答元件（responseelement）RNA聚合酶Ⅱ轉錄所有編碼蛋白質的基因和大多數snRNA31ppt課件幾種真核基因的基本啟動子

類別Ⅱ啟動子中的基本啟動子序列為中心在-25

~-30左右的7bp保守區，根據基本啟動子中保守序列的特點，也將其稱為TATABOX。32ppt課件RNA聚合酶Ⅱ和轉錄因子在啟動子上的裝配TF:transcriptionfactor33ppt課件34ppt課件轉錄起始復合物的裝配CTD:C-terminaldomain35ppt課件起始子

起始子是轉錄起始點處的一個保守序列，其共有序列如下Py

Py

ANPy

Py

+1

T

A36ppt課件上游元件和應答元件見P463表36-437ppt課件真核生物類別Ⅲ啟動子

類別Ⅲ啟動子涉及一些小分子RNA的轉錄。5SrRNA、tRNA以及scRNA（smallcytosolRNA）基因的啟動子位于轉錄起始點的下游，即在基因的轉錄區域內部。snRNA（smallnuclearRNA）基因的啟動子在轉錄起始點的上游，與通常的啟動子類似。爪蟾5SrRNA基因的啟動子位于+55

~

+80。RNA聚合酶Ⅲ轉錄小RNA的基因，包括tRNA、5SrRNA、U6snRNA和scRNA38ppt課件類別Ⅲ啟動子的結構特點下游啟動子snRNA基因的上游啟動子OCT：八聚體基序PSE：鄰近序列元件39ppt課件（三）終止子和終止因子

提供轉錄停止信號的DNA序列稱為終止子（terminator），協助RNA聚合酶識別終止信號的蛋白輔助因子稱為終止因子（terminationfactor）。有些終止子的作用可被特異的因子所阻止，使RNA聚合酶越過終止子繼續轉錄，這稱為通讀。這類能夠抗終止的蛋白質因子稱為抗終止因子（antiterminationfactor）。40ppt課件原核生物終止子的結構特點

大腸桿菌有兩類終止子：一類稱為不依賴于ρ因子的終止子，或簡單終止子；另一類稱為依賴于ρ因子的終止子。簡單終止子有一段回文結構，其后還有一系列U（約有6個），回文結構中通常有一段富含GC的序列，寡聚U序列可能提供信號使RNA聚合酶脫離模板。依賴于ρ因子的終止子其回文結構不含富有GC區，回文結構之后也無寡聚U。依賴于ρ因子的終止子在細菌染色體中少見，而在噬菌體中廣泛存在。41ppt課件原核生物的兩類終止子不依賴于ρ因子的終止子依賴于ρ因子的終止子42ppt課件不依賴ρ因子的轉錄終止機制

在轉錄過程中，RNA聚合酶沿著模板鏈向前移動，它感受的終止信號來自剛轉錄出的RNA中，而不是感受DNA模板上的信號。在轉錄出終止子序列后，RNA上的終止序列形成發夾結構，使RNA聚合酶感受到終止信號（發夾結構），整個復合物構象發生變化，新合成的寡聚U與模板鏈上的寡聚A結合不緊密，新生RNA鏈與模板DNA分開，RNA聚合酶也脫落。43ppt課件不依賴ρ因子的轉錄終止機制44ppt課件依賴ρ因子的轉錄終止機制ρ因子以六聚體的形式存在，在有RNA存在時它能水解NTP，最近發現ρ因子有RNA-DNA解旋酶的活性。45ppt課件抗終止作用

抗終止作用主要見于某些噬菌體基因表達的時序控制。在早期基因轉錄表達出抗終止蛋白后，使得轉錄通讀，進入晚期基因表達。這種方式可使一個啟動子控制后面基因的時序表達。46ppt課件真核生物基因的轉錄終止

真核生物轉錄的終止信號和終止過程還不清楚。實驗表明，RNA聚合酶Ⅱ的轉錄產物在3’末端切斷，然后加上腺苷酸尾（polyA）。47ppt課件真核生物基因的轉錄終止48ppt課件（五）RNA生物合成的抑制劑1.嘌呤和嘧啶類似物

它們抑制核苷酸合成酶類，或形成相應的核苷酸后摻入到核酸中，影響RNA轉錄，也能影響DNA復制，從而可以用于癌癥治療。49ppt課件嘌呤和嘧啶類似物6-巰基嘌呤硫鳥嘌呤5-氟尿嘧啶8-氮鳥嘌呤2,6-二氨基嘌呤6-氮尿嘧啶50ppt課件（五）RNA生物合成的抑制劑2.DNA模板功能的抑制物烷化劑：修飾堿基，引起細胞突變和致癌。放線菌素：與DNA形成非共價復合物，低濃度可抑制RNA轉錄，高濃度抑制DNA復制。嵌入染料：可插入雙鏈DNA的相鄰堿基對之間，導致移碼突變，也能抑制轉錄和復制。51ppt課件堿基的烷化劑苯丁酸氮芥環磷酰胺52ppt課件放線菌素D53ppt課件放線菌素D針劑【作用特點】本品為細胞周期非特異性藥物，選擇性地與DNA中的鳥嘌呤結合，抑制以DNA為模板的RNA聚合酶，從而抑制RNA的合成，阻止癌細胞生長。靜脈注射后迅速分布至各組織，廣泛與組織結合，但不易透過血腦屏障。T1/2為36小時，在體內代謝的量很小。緩慢自尿及糞排泄，原形藥10%由尿排出，50%由膽道排出，9日后僅能發現注射劑量的30%。【功能主治】

主用于惡性淋巴瘤、腎母細胞瘤、絨毛膜上皮癌及惡性葡萄胎等。54ppt課件放線菌素D針劑【用法用量】

靜脈注射或靜脈滴注:每次0.2～0.4mg，用生理鹽水10～20ml溶解后推注，或加于5%葡萄糖液500ml中滴注，每日或隔日l次，10～14次為一個療程，療程間隔10～14天。胸、腹腔注射:每次0.4～0.6mg。【不良反應】1.可引起白細胞及血小板減少，厭食、惡心、嘔吐等。

2.靜脈注射可引起靜脈炎，漏出血管可引起疼痛、局部硬結及潰破。

3.可有脫發、皮炎、發熱、肝功能損傷。

4.有免疫抑制作用。

5.對妊娠者可引起畸胎。

6.長期應用可抑制睪丸或卵巢功能，引起閉經或精子缺乏。55ppt課件嵌入染料吖啶黃原黃素吖啶橙溴乙錠56ppt課件（五）RNA生物合成的抑制劑3.RNA聚合酶的抑制劑利福霉素：抑制細菌RNA聚合酶的活性。利鏈菌素：抑制細菌RNA聚合酶的活性。α-鵝膏蕈堿：抑制真核生物RNA聚合酶活性。57ppt課件利福平和利福霉素的結構式58ppt課件α－鵝膏蕈堿的結構式59ppt課件二、RNA的轉錄后加工60ppt課件（一）原核生物中RNA的加工61ppt課件原核生物tRNA的轉錄后加工62ppt課件原核生物tRNA的轉錄后加工2iPA=2-異戊烯基腺苷2mG=2-O-甲基鳥苷

4tU=4-硫尿嘧啶核苷

Ψ=假尿嘧啶核苷63ppt課件tRNA3’末端CCA的產生

所有成熟tRNA分子的3’端都有CCA結構，它對于接受氨酰基是必要的。細菌tRNA前體存在兩類不同的3’端序列。一類其自身具有CCA的結構，將3’端多余的序列切除后剛好暴露出CCA序列；另一類是當切除3’端多余序列后，通過tRNA核苷酰轉移酶加上CCA。

tRNA的加工還包括堿基的修飾。64ppt課件原核生物mRNA前體的加工

細菌中的mRNA大多不需要加工，一經轉錄即可直接進行翻譯。甚至在轉錄出部分mRNA序列時就已經開始了翻譯，也就是一邊轉錄一邊翻譯，翻譯滯后一些。但也有少數多順反子mRNA須通過核酸內切酶切割成較小的單位，然后再翻譯。這些較小的單位可以是單個基因，也可以是多個基因序列的組合。65ppt課件原核生物中的邊轉錄邊翻譯66ppt課件（二）真核生物中RNA的一般加工

真核生物rRNA和tRNA前體的加工過程與原核生物相似，但mRNA前體必須經過復雜的加工，才能成為成熟的mRNA。67ppt課件真核生物rRNA前體的加工

哺乳類動物的18S、5.8S和28SrRNA基因構成一個轉錄單位，轉錄產生45SrRNA前體，然后通過剪切加工成各個成熟的rRNA。68ppt課件真核生物rRNA的修飾

rRNA在成熟過程中可被甲基化，主要的甲基化位點也在核糖2’羥基上。還有尿嘧啶轉變成假尿嘧啶的修飾。這些修飾和切割是由核仁小RNA（smallnucleolarRNA,snoRNA）指導的。69ppt課件snoRNA指導rRNA位點特異的修飾snoRNAsnoRNA

C/DsnoRNAH/ACAsnoRNA

指導2’-O-甲基化指導假尿苷酸化

CboxDboxHboxACAboxrRNA70ppt課件真核生物tRNA前體的加工

真核生物tRNA的加工與原核生物類似，只是真核生物tRNA3’端的CCA都是后加的。部分真核生物tRNA前體有內含子。71ppt課件真核生物tRNA前體的加工PrimarytranscriptIntermediate72ppt課件真核生物tRNA前體的加工IntermediateMaturetRNATyr73ppt課件真核生物mRNA前體的加工

mRNA的前體稱為核內不均一RNA（heterogeneousnuclearRNA，hnRNA），因為一個細胞中有許多種不同的mRNA，也就有許多種不同的前體。hnRNA在加工成熟的過程中有5’端加帽、3’端加尾、去除內含子等過程。74ppt課件5’端加帽(m7Gppp)

大約轉錄出30個核苷酸時，在鳥苷轉移酶催化下，GTP與新生RNA鏈的5’端的三磷酸發生縮合反應，在RNA的5’端加上G殘基的帽子，在帽子上再進行甲基化，通常甲基化的位點是堿基上的7位，核糖的2’位也可以甲基化。帽子結構將在其后的翻譯中發揮重要作用；另一個作用可能是保護新生的RNA，避免其在合成過程中被降解。75ppt課件mRNA5’端的帽子結構存在于所有類型帽子中在Ⅰ類型帽子中，此位點也可被甲基化G通過5’－5’鍵加入存在于Ⅰ類型帽子中存在于Ⅱ類型帽子中76ppt課件3’端加多聚腺苷酸尾

真核生物mRNA的3’端通常都有20～200個腺苷酸，但也有例外，如組蛋白、呼腸孤病毒和不少植物病毒的mRNA沒有多聚腺苷酸尾。加尾過程在細胞核內進行，通過多聚腺苷酸聚合酶催化反應完成（不需要模板）。

polyA尾的存在可以提高mRNA的穩定性。77ppt課件（三）RNA的拼接、編輯

大多數真核基因都是斷裂基因，但也有少數編碼蛋白質的基因以及一些tRNA和rRNA基因是連續的。斷裂基因的轉錄產物須通過拼接，去除插入部分（intron，內含子），連接保留部分（exon，外顯子）成為連續序列。78ppt課件典型的真核生物基因結構79ppt課件各種RNA前體的剪接

類型Ⅰ類型Ⅱ核mRNA的核tRNA的自我剪接自我剪接剪接體剪接酶促剪接80ppt課件各種剪接類型的分布

類型Ⅰ自我剪接的內含子分布很廣，存在于真核生物的線粒體和葉綠體基因、低等真核生物核的rRNA基因、細菌和噬菌體的個別基因中。

類型Ⅱ內含子也具有自我催化功能，它與類型Ⅰ內含子自我剪接的差別在于轉酯反應無需游離鳥苷酸（或鳥苷）發動。類型Ⅱ內含子只見于某些真菌線粒體和植物葉綠體基因。有些Ⅰ和Ⅱ型內含子中也編碼有核酸內切酶、逆轉錄酶或成熟酶等。81ppt課件反式剪接

反式剪接是分子間剪接，從兩個不同的轉錄本中各取一段連接起來。存在于錐蟲的眾多mRNA，其5’端有一共同的35個核苷酸長的前導序列。該前導序列來自一些重復單位的轉錄產物，從這些轉錄產物中剪下前導序列再連接到其他mRNA的5’端。82ppt課件反式剪接示意圖83ppt課件選擇性剪接

一個基因的轉錄產物，通過不同的剪接方式，可以產生不同的mRNA，從而翻譯出不同的蛋白質。一個基因轉錄本通過選擇性剪接產生的不同蛋白質稱為同源體（isoform）。84ppt課件選擇性剪接示意圖85ppt課件RNA編輯

RNA編輯是指修飾或輕微改變mRNA的核苷酸序列，使它們與對應的模板DNA序列有所不同的預定過程。迄今發現真核生物線粒體中存在的RNA編輯類型有：核苷酸的轉錄后插入和缺失；轉錄物在C轉換成U時創造終止密碼子UAA；堿基間的轉換。

常見的RNA編輯是C→U的轉換。86ppt課件堿基轉換Cytosine（C）Uracil（U）87ppt課件RNA編輯的發現

1986年BenneR等在研究錐蟲線粒體DNA時發現，其細胞色素氧化酶亞基Ⅱ（coⅡ）基因與酵母或人的相應基因對比存在一個－1的移碼突變，然而酶的功能又是正常的。進一步比較coⅡ基因與其轉錄物的序列，發現轉錄物在移碼突變位點附近有4個不被基因DNA編碼的額外尿苷酸，正好糾正了基因的移碼突變。由于用分子雜交技術在線粒體內找不到第二個coⅡ基因，所以認為這些尿苷酸是在轉錄中或轉錄后插進去的。88ppt課件錐蟲coⅡ基因與其表達產物的序列比較DNA正鏈序列GA

GAAmRNA序列

GAUUGUAUA

蛋白質序列AspCysIle89ppt課件RNA編輯的生物學意義可以糾正基因突變造成的損害增加基因產物的多樣性與生物發育和分化有關有利于生物進化90ppt課件R