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第六章 RNA 的生物合成 DNA 携带的遗传信息(基因)传 递给 RNA 分子的过程称转录 ( transcription )。 在生物界, RNA 合成有两种方式:一 是 DNA 指导的 RNA 合成,此为生物体 内的主要合成方式。另一种是 RNA 指 导的 RNA 合成,此种方式常见于病毒。 转录产生的初级转录本是.

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1 第六章 RNA 的生物合成 DNA 携带的遗传信息(基因)传 递给 RNA 分子的过程称转录 ( transcription )。 在生物界, RNA 合成有两种方式:一 是 DNA 指导的 RNA 合成,此为生物体 内的主要合成方式。另一种是 RNA 指 导的 RNA 合成,此种方式常见于病毒。 转录产生的初级转录本是 RNA 前体 ( RNA precursor ),需经加工过程 ( processing )方具有生物学活性。

2 反应体系: DNA 模板,NTP, 酶, Mg2+,Mn2+ ,合成方向 5'→3' 。 连接方式 -- 3', 5' 磷酸二酯键。 转录特点:不对称转录 --DNA 片段转录时,双链 DNA 中只有一 条链作为转录的模板,这种转录方式称作不对称转录。 模板链 (template strand) 及反意义链 (antisense strand): 指导 RNA 合成的 DNA 链为模板链,又称反意义链。 编码链 (coding strand) 及有意义链 (sense strand) :不作为转录 的另一条 DNA 链为编码链,又称有意义链。由于基因分布于不 同的 DNA 单链中,即某条 DNA 单链对某个基因是模板链,而对 另一个基因则是编码链。 原料:四种磷酸核苷 NTP,DNA 中的 T 在 RNA 合成中变为 U 合成过程 : 连续, 方向: 5 ‘ →3 ’ 从头合成,5´ — 末端的起始核苷酸常为 GTP 或 ATP 一、转录基本特点

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5 不对称转录 “ 转录单位 ” ( transcription unit ) 以操纵子( operon )为转录的功能单位, 结构上包括四 个功能区:多顺反子(结构基因区)、启动子、操作子、 终止子和调节基因。 以操纵子( operon )为转录的功能单位, 结构上包括四 个功能区:多顺反子(结构基因区)、启动子、操作子、 终止子和调节基因。操纵子 原核 RNA 聚合酶 原核 RNA 聚合酶 转录过程 二、原核细胞 RNA 转录合成特点

6 调节基因 启动子 操纵 基因 lacZlacY lacA CAP cAMP CAP-cAMP 复合物 mRNA +  - 半乳糖苷酶  - 半乳糖苷透过酶  - 半乳糖苷乙酰 基转移酶酶

7 大肠杆菌的 RNA 聚合酶 大肠杆菌的 RNA 聚合酶 全酶由 5 种亚基 α 2 ββ’  σ 组成, σ 因子与其它部 分的结合不是十分紧密,它易于与 β ’ βα 2 分离, 没有 σ 、  亚基的酶称为核心酶 —— 只催化链 的延长,对起始无作用。 全酶由 5 种亚基 α 2 ββ’  σ 组成, σ 因子与其它部 分的结合不是十分紧密,它易于与 β ’ βα 2 分离, 没有 σ 、  亚基的酶称为核心酶 —— 只催化链 的延长,对起始无作用。 五种亚基的功能分别为: 五种亚基的功能分别为: α 亚基:与启动子结合功能。 α 亚基:与启动子结合功能。 β 亚基:含催化部位,起催化作用,催化形 成磷 酸二酯键。 β 亚基:含催化部位,起催化作用,催化形 成磷 酸二酯键。  亚基:在全酶中存在,功能不清楚。  亚基:在全酶中存在,功能不清楚。 β’ 亚基:与 DNA 模板结合功能。 β’ 亚基:与 DNA 模板结合功能。 σ 亚基:识别起始位点。 σ 亚基:识别起始位点。

8 识别解链起始延伸终止

9 1. 起始位点的识别 1. 起始位点的识别 σ 识别正确的启动位点,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。 σ 识别正确的启动位点,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。 3’ 5’ +1 转录起始点 AACTGT ATATTA TTGACA TATAAT 5’ 3’ - 35 序列 Sextama 框 - 10 序列 Pribnow 框 2. 转录起始 加入的第一个核苷三磷酸常是 GTP 或 ATP 。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, σ 亚基就会被释 放脱离核心酶。

10 pppG 或 pppA 5‘5‘ 5‘5‘ 3‘3‘ 3‘3‘ 模板链 E  3. 链的延伸 以 NTP 为原料和能量,DNA 模板链为模板,靠核心酶的催 化,核苷酸间通过 3´,5´- 磷酸二酯键成核糖核酸链 (RNA)

11 4. 转录终止 转录终止信号有两种情况 转录终止信号有两种情况 弱终止子:依赖 ρ 因子(终止因子, terminators )的终止 弱终止子:依赖 ρ 因子(终止因子, terminators )的终止 NusA 蛋白识别 DNA 链上的终止信号,在 ρ 因子帮助终止。 NusA 蛋白识别 DNA 链上的终止信号,在 ρ 因子帮助终止。 强终止子:( 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)。 强终止子:( 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)。

12 三、真核生物的转录作用 酶类分布产物活性 分子量 (KDa) 反应条件 ⅠⅡⅢ核仁核质核质 rRNA ( 5.8S 、 18S 、 28S ) mRNA tRNA 、 5S rRNA 50 ~ 70 % 20 ~ 40 % 10 % 500 ~ 700 低离子强度要 求 Mg 2+ 或 Mn 2+ 高离子强度 高 Mn 2+ 浓度 1. 真核 RNA 聚合酶 2. 转录 真核 RNA 转录基本过程与原核类似,但其产生的 mRNA 为 “ 单顺反子 ” ,只编码一条肽链。

13 四、转录过程的选择性抑制剂 放线菌素 D 利福平 α -鹅膏蕈碱 原核抑制 不抑制 真核抑制不抑制抑制 RNA 聚合酶Ⅱ

14 五、转录产物的 “ 加工 ” (成熟过程) 在细胞内,由 RNA 聚合酶合成的原初转录物( primary transcript )往往需要一系列的变化,包括链的裂解、 5 和 3 末端的切除和特殊结构的形成、核苷的修饰、以及拼接 和编辑等过程,才转变为成熟的 RNA 分子。此过程总称为 RNA 的成熟或称为 RNA 的转录后加工。 原核生物的 mRNA 转录后一般不需要加工,转录的同时 即进行翻译(半寿期短)。 rRNA 前体的转录后加工 tRNA 前体的加工 真核 mRNA 前体的加工

15 rRNA 前体的加工 rRNA 基因之间以纵向串联的方式重复排列。 加工过程: 1 、剪切作用:需核酸酶参与。 2 、甲基化修饰:修饰在碱基上。 3 、自我剪接:一种核酶的作用。 原核 rRNA 加工: rRNA 含非转录的间隔区,其产物中含 tRNA 真核 rRNA 加工: 1.5S 自成体系加工少无修饰和剪接。 2.45S 加工中含剪切和甲基化修饰,需核酸酶。

16 大肠杆菌 rRNA 前体加工 真核生物 rRNA 前体加工

17 tRNA 前体的加工 tRNA 前体在 tRNA 剪切酶的作用下,切成一定在小的 tRNA 分子 3’ 末端加上 CCA 碱基的修饰:甲基化、脱氨和还原作用

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19 真核 mRNA 前体的加 工 真核 mRNA 前体的加 工 剪接( Splicing ) 去除内含子,连接外显子 5’ 帽端结构的生成(如图) 3’ 端多聚 A ( polyA )的附加

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21 六、 RNA 的复制合成( RNA 指导的 RNA 合 成)  噬菌体 Qβ 的 RNA 复制两阶段 ( 1 )其单链 RNA 可充当 mRNA ,利用寄主中的核糖体合成外 壳蛋白和 RNA 复制酶的 β 亚基。 ( 2 )复制酶的 β 亚基可与来自寄主细胞的亚基 α  δ 自动装配成 RNA 复制酶,可进行 RNA 的复制,以分子中单链 RNA 为模 板(正链),复制出一条新的 RNA 链(负链),再复制出正 链,与外壳蛋白组装成新的噬菌体颗粒。  某些 RNA 病毒可以以自身 RNA 为模板进行复制。  不同的 RNA 病毒复制方式不同 5 RNA RNA+ 释放 RNA+ RNA-  RNA- 及 RNA+ 的合成方向均为 5‘ 3’

22 本章重点 : 1. RNA 合成的机制 2. RNA 的转录后加工


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