1、,第十四章 RNA的生物合成,转录 转录后加工,从DNA到蛋白质的信息流,转录,DNA分子中的遗传信息转移到RNA分子中的过程，与DNA复制一样，也遵循碱基互补原则 由RNA聚合酶催化，使用的是核苷-5-三磷酸（NTPs)作为合成原料 生成的RNA有主要有三类：信使RNA（mRNA) 、核糖体RNA（rRNA）和转移RNA（tRNA）,转录与复制的联系,在生物体内，基因的两条链都是转录所需要的，但除极少数例外，只有一条链直接作为转录的模板。 转录的模板DNA链称为模板链或反义链（antisense strand）,另一条链称为编码链或有义链（sense strand） 基因的转录不是将DNA的
2、信息全部转录，而是有选择的 转录和复制都遵循同样的基本化学原理：都有方向性和都需要模板来合成。,RNA聚合酶,RNA的合成是由RNA聚合酶催化的 原核生物的mRNA、rRNA和tRNA通常由同一种RNA聚合酶来合成 真核生物 mRNA、rRNA和tRNA 则分别由不同的RNA聚合酶来合成,DNA聚合酶与RNA聚合酶的比较,DNA复制在DNA聚合酶的作用下，链的增长速度约为5001000核苷酸/s，复制点较少；而转录在RNA聚合酶的作用下，链的增长速度约为50核苷酸/s，但发生在许多位点上 RNA聚合酶没有3-端外切活性， 转录的出错率为105分之一, 而复制则为1091010 分之一 RNA聚
3、合酶不需要引物,细菌RNA聚合酶的起始步骤,与启动子（promoter）的作用,RNA聚合酶在搜索启动子的过程中，与DNA的结合是非专一的 当RNA聚合酶找到启动子后，就会与其形成一个闭式复合物 RNA聚合酶解开-10到-1位的模板DNA的碱基对, 形成一个开式复合物,大肠杆菌启动基因结构特点,富含AT,细菌RNA聚合酶的链增长步骤,大肠杆菌RNA聚合酶在转录中的作用,转录时DNA超螺旋的变化,转录泡结构,RNA聚合酶催化机理,大肠杆菌RNA聚合酶的结构,链增长过程中RNA聚合酶的回撤,转录终止模型（与辅因子无关）,最后一段A序列,两段富含GC 序列配对,转录终止模型（与辅因子相关）,转录的抑
4、制剂,扁平结构可插入dGdC 之间，使模板变形,3-无羟基使得 RNA聚合中断,转录的调节,许多基因的转录只在需要时才进行 酶的诱导和抑制贯穿整个转录过程，特别是起始阶段,转录调节的操纵子模型,操纵子(Operon)：由功能相关的一组结构基因加上其上游的启动子(Promoter)和操纵基因(Operator)等组成的原核生物的转录单位。,乳糖操纵子的结构,CRP = cAMP receptor Protein,乳糖操纵子的阻遏,乳糖操纵子阻遏物的失活,真核细胞RNA聚合酶,有I、II和III三类，它们是结构不同的复合物，但是具有某些相同的亚基 I类与合成rRNA有关 II类与合成mRNA有关
5、III类主要是合成tRNA，5S rRNA和其他一些小 RNA,与真核细胞RNA聚合酶II有关的蛋白,真核细胞RNA聚合酶II识别的启动子的常见核苷酸序列,N代表任何一个核苷酸；Y则代表一个嘧啶核苷酸,真核细胞RNA聚合酶II催化的转录,转录小结,除极少数例外，只有一条DNA链被转录 不是全部基因都被转录生成RNA，转录是有选择的 RNA聚合酶使用核苷三磷酸（ATP，GTP, CTP和UTP）合成RNA 从DNA到RNA，碱基互补按照T-A，C-G，G-C，A-U 同DNA聚合酶一样，RNA聚合酶合成方向是从5端到3端 与DNA聚合酶不同的是，RNA聚合酶合成RNA不需要引物 与DNA复制一样
6、，转录也经引发、增长和终止三个阶段,转录后加工过程,各种RNA合成时，先以DNA为模板生成分子量较大的RNA前体（初级转录 产物 ），然后在专一酶的作用下切除多余的部分，或进行修饰，最后才生成有活性的“成熟”RNA。这个过程称为”转录后加工” 转录时产生的tRNA和rRNA前体需要加工， 真核生物mRNA前体也需要进行加工，原核生物mRNA不需要加工。,真核细胞mRNA的结构特点,一般是单顺反子，序列中无内含子，但其前体中含有内含子 大多数3末端有由100200个腺苷酸连续排列所组成的“尾巴” 5端有“帽子”结构。“帽子”是通过三磷酸键连接在mRNA 5端核苷酸残基上的7-甲基鸟苷 “帽子”和
7、“尾巴”都是不翻译区,mRNA的转录后加工过程,5端帽结构的生成(5-end capping) 3端多聚A的附加(poly(A) tail) mRNA前体的剪接（Splicing),真核细胞成熟mRNA的形成过程,真核细胞mRNA的5 帽子结构,7-甲基鸟嘌呤,三磷酸连接,5 帽子,5 帽的形成,5 帽的作用,5 帽可以防止mRNA被核糖核酸酶剪切，还可以与核糖体蛋白的特定区域结合从而起动翻译过程,真核细胞3 端多聚A尾巴的形成,尾巴80到250个核苷酸长,10-30个 核苷酸,真核细胞3 端多聚A尾巴的作用,作为与一个或多个特定蛋白结合的位点，避免被酶降解 一些mRNA的多聚A还与其顺利通过
8、核膜进入细胞质的过程有关,RNA内含子（intron）的剪接,内含子根据其剪接机理分为四类 类I和类II的剪接不需要蛋白酶的参与，可自剪接，也不需要ATP供给能量 类III，也是最多的一类，其剪接需要蛋白复合物（剪接体）的参与，也需要ATP供能 类IV，通常在tRNA，除了要求ATP外，还需要一个内切酶的参与,转酯反应,类I内含子的剪接,类II内含子的剪接,类III内含子通过剪接体剪接,剪接过程中的RNA配对,剪接与转录联合,真核细胞mRNA转录后加工实例,同一基因可转录生成多个mRNA,内含子的转录似乎只是消耗能量，没给生物带来任何好处，其详细机理和作用正在热研中 大多数真核细胞的mRNA转
9、录只生成一个成熟mRNA，后续翻译生成一条多肽链，但是也有一些能以多种方式剪接产生不同的mRNA，从而生成不同的多肽链,两种不同的后转录加工过程,rRNA,核糖体和所含的rRNA,细菌rRNA前体的转录后加工,rRNA转录后加工特点,有甲基化 tRNA和rRNA一起生成，一起加工 没有5帽也没有多聚A尾巴 需要核糖核酸酶参与。,细菌和真核细胞tRNA的后转录加工,一些tRNA转录后加工产生的碱基,RNA和DNA的合成途径概图,RNA复制（RNA指导的RNA合成）,某些大肠杆菌噬菌体如Q是RNA病毒，它是在宿主细胞中由RNA指导的RNA聚合酶或称RNA复制酶催化合成RNA。 RNA复制酶用NTP
10、为底物，催化合成与病毒RNA碱基序列互补的RNA链，新RNA链的合成方向也是5-3 RNA复制酶需要专一的RNA模板，它不能复制宿主细胞的RNA。,逆转录,某些RNA病毒的基因组是单链RNA，并带有以RNA为模板的DNA聚合酶，称为逆转录酶。 当病毒进入宿主细胞后，逆转录酶完成三个任务：1）合成一条与病毒RNA互补的DNA链，称为cDNA （complementray DNA）；2）降解病毒RNA；3）以cDNA为模板合成一新的DNA 导致的DNA双链嵌入到宿主细胞的DNA,AIDS 与逆转录病毒,HIV（human immunodeficiency virus)是引起AIDS的病毒，是一种逆
11、转录病毒 与其它逆转录病毒不同，HIV杀死其感染的细胞，特别是T淋巴细胞。 HIV逆转录酶出错率极高，十倍于其它逆转录酶，导致这种病毒极高的变异能力。,抗AIDS的药物,AZT三磷酸可与逆转录酸酶结合并抑制其活性。,多核苷酸磷酸化酶（无模板的RNA合成）,多核苷酸磷酸化酶特点,能使核苷二磷酸的混合物或一种核苷二磷酸聚合成多核苷酸，反应不需要模板，对NTP或者dNDP不起作用 反应产物没有专一的核苷酸序列，对四种核苷二磷酸，酶的活性都相同；反应产物的碱基组成反映介质中底物的相对浓度 利用这个酶可在实验室中制备具有不同核苷酸序列、不同碱基频率的多种类型的RNA聚合物，是一种极有价值的工具酶,The
12、 SELEX method,SELEX (Systematic Evolution of Ligands by Exponential Enrichment)：通过指数富集的配体系统进化 可以用来筛选与某一特定小分子结合的多核苷酸序列（aptamer） 通常使用多核苷酸磷酸化酶和PCR技术,SELEX选择与ATP结合的RNA,筛选出的可与ATP结合的RNA,核酸的生物合成小结,DNA复制：半保留复制，复制叉结构，半不连续合成，使用dNTP作为原料，需要引物；高精确性。 RNA合成（转录）：只有一条DNA链被转录，转录是有选择的，转录泡结构，使用NTP作为原料，不需要引物；出错率较高；有多种后加工过程 其他模式：酶RNA指导下的RNA合成，RNA指导下的DNA合成（逆转录），无模板的RNA合成,
