RNA的合成

这是一篇关于RNA的合成的思维导图，在RNA聚合酶的催化下，以一段DNA链为模板合成RNA，从而将DNA所携带的遗传信息传递给RNA的过程称为转录。

RNA的合成

• 概述
  • 转录
    • 定义
      • 在RNA聚合酶的催化下，以一段DNA链为模板合成RNA，从而将DNA所携带的遗传信息传递给RNA的过程称为转录
    • 例子
      • 经转录生成的RNA有多种，主要的是rRNA，tRNA，mRNA，snRNA，miRNA和HnRNA等
• 原核生物转录的模板和酶
  • 原核生物转录的模板
    • RNA转录合成时，必须以双链DNA中的一条单链（结构基因）作为模板，指导RNA链的转录合成
    • DNA双链中，能够按照碱基配对规律指导RNA转录合成的单链称为模板链
    • 与模板链互补的另一条DNA单链则称为编码链
  • RNA聚合酶催化RNA合成
    • RNA聚合酶能直接启动RNA的合成
      • 催化RNA转录合成的RNA聚合酶是一种不同于引物酶的依赖DNA的RNA聚合酶（DDRP）
      • 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
    • RNA聚合酶由多个亚基组成
      • 原核生物中的RNA聚合酶全酶由五种亚基构成，即α2ββ'σω
      • σ亚基（ σ因子）与转录起始点的识别有关，在转录合成开始后被释放；余下的部分（α2ββ'ω）被称为核心酶，与RNA链的聚合有关
  • RNA聚合酶结合到DNA的启动子上启动转录
    • 启动子
      • 通常位于结构基因上游，与RNA聚合酶识别、结合，形成转录起始复合体序列被称为启动子
    • 原核生物转录起始时，首先由RNA聚合酶中的σ因子识别转录起始点(启动子)，并促使核心酶结合形成全酶复合物
    • 被RNA聚合酶辨认的区段就是位于转录起始点-35区的TTGACA序列
    • RNA聚合酶与该区结合后，即滑动至-10区的TATAAT序列，并启动转录
  • RNA转录特点
    • 转录的不对称性
    • 转录的连续性
    • 转录的单向性
    • 有特定的起始和终止位点
• 原核生物的转录过程
  • 原料：NTP （ATP, UTP, GTP, CTP）
  • 模板：单链DNA
  • 酶：RNA聚合酶（DDRP，RNA-pol）
  • 其他蛋白质因子：如终止因子、激活因子等
  • 原核生物转录起始需要RNA聚合酶(全酶)
    • 转录起始需解决两个问题
      • RNA聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域
      • DNA双链解开，使其中的一条链作为转录的模板
  • 转录的起始过程
    • σ亚基辨认转录起始点（启动子）
    • RNA聚合酶全酶与模板DNA结合，形成闭合转录复合体
    • DNA局部双链解开，形成开放转录复合体（转录起始的限速步骤）
    • 在RNA聚合酶催化下发生第一次聚合反应后，形成转录起始复合物
  • 原核生物的转录延长与蛋白质翻译相偶联
    • 在原核生物RNA转录的延长阶段，亚基从全酶上脱离（启动子清空），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
    • σ亚基脱落，RNA聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，沿着DNA模板前移
    • 在核心酶作用下，NTP不断聚合，RNA链不断延长
    • 核糖体结合到正在延伸的RNA链上，开始进行翻译合成多肽链
  • 原核生物转录终止有两种不同的机制
    • 依赖ρ因子的转录终止
      • 由终止因子（ρ因子）识别特异的终止信号，并促使RNA的释放
      • 目前认为， ρ因子是与RNA转录产物相结合，促使RNA聚合酶变构，DNA-RNA杂化双链拆离，RNA被释放
    • 非依赖ρ因子的转录终止
      • 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
• 真核生物前体RNA的加工和降解
  • 核不均一RNA经加工修饰后成为mRNA
    • mRNA前体在5'-端添加“帽”结构
      • 加帽即在mRNA的5'-端加上m7GTP的结构。此过程发生在细胞核内，即mRNA转录合成达25~30个核苷酸时即可进行加帽修饰
      • 加帽过程需要的酶：加帽酶 甲基转移酶
      • 意义：免受核酸酶的水解；参与mRNA和核糖体的结合，启动蛋白质的生物合成；有助于转运至胞质；提高剪接效率
    • mRNA前体在3'-端添加“poly A”结构
      • 加尾过程也是细胞核内完成，首先由核酸内切酶切去3'-端一些过剩的核苷酸，然后再加入poly A
      • 此过程与转录终止相偶联，至少有6种蛋白因子（酶）参与
    • mRNA前体经剪接加工去除内含子编码序列
      • 外显子 —— 在基因序列中，出现在成熟mRNA分子上的序列（结构基因中能够指导多肽链合成的序列）
      • 内含子 —— 断裂基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列（结构基因中不能指导多肽链合成的序列）
    • mRNA编辑是对编码序列进行转录后加工
  • 真核生物rRNA前体经加工修饰形成不同的rRNA
  • 真核生物tRNA前体经加工修饰转变为成熟的tRNA
    • 真核生物tRNA前体主要有以下几种加工方式
      • 切断
      • 剪接
      • 3'-末端-CCA序列添加
      • 碱基化学修饰
  • RNA催化一些内含子的自剪接
    • 核酶
      • 具有催化活性的RNA称为核酶
    • 基因表达调控
      • 指生物体通过特定的蛋白质与DNA、蛋白质与蛋白质之间的相互作用来控制基因是否表达，或调节表达产物的多少以满足生物体的自身需求以及适应变化的过程
    • 转录水平主要通过顺式作用元件与反式作用因子的相互作用来实现
    • 转录后水平主要通过调控特定mRNA的降解来实现
    • 翻译水平主要通过调控多肽链生物合成速率来实现
    • 翻译后水平则主要通过对蛋白质的修饰及靶向转运来实现
  • 原核生物基因组的特点是
    • 重复序列很少
    • 结构基因通常为单拷贝或多拷贝的连续基因
    • 编码序列所占比例>50%
    • 结构基因通常组织成操纵子
    • 原核生物中转录和翻译在同一空间完成，其基因表达调控主要在转录水平，其次在翻译水平
  • 操纵子
    • 在原核生物中，功能相关的若干结构基因成串排列，由同一组调控序列调控，这种基因的组织形式称为操纵子
    • 乳糖操纵子的调控机制即是典型的诱导/阻遏基因表达调控
    • 乳糖操纵子常见的诱导剂包括乳糖的代谢物别乳糖，或人工合成底物异丙基硫代半乳糖苷（IPTG）
  • 协同调节
    • 阻遏蛋白封闭转录，CAP不能发挥激活作用
    • 没有CAP加强转录活性，阻遏蛋白即使解聚，转录活性也很低
• 真核生物RNA的合成
  • 真核生物的RNA聚合酶至少有三种
    • 真核生物中的RNA聚合酶可按其对-鹅膏蕈碱的敏感性而分为三种，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RNA聚合酶Ⅱ最大亚基的分子结构具有其独特的羧基末端结构域（carboxyl terminal domain, CTD），该结构域由7个氨基酸残基
    • （Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Ser）的重复序列所构成
  • 真核生物转录起始需要多种酶及蛋白因子参与
    • 在真核生物中，转录的起始过程较为复杂，需要多种顺式作用元件、RNA聚合酶和多种蛋白因子（酶）参与
    • 现已发现数百种蛋白因子与RNA转录合成有关
    • 凡与基因表达调控相关的DNA序列，统称为顺式作用元件
    • 常见的顺式作用元件包括：启动子、增强子、沉默子、终止子等
    • 增强子
      • 能够促进真核基因启动子工作效率的顺式作用原件称为增强子
    • 位于结构基因附近，可抑制基因转录水平的DNA序列称为沉默子（silencer）或负性增强子
  • 真核生物转录起始点上游的顺式作用元件
  • 转录因子/反式作用因子
    • 凡是与基因表达调控相关的蛋白因子统称为反式作用因子
      • 通用转录因子：能识别并结合启动子核心序列，直接或间接参与转录起始复合体的形成的蛋白因子
      • 特异转录因子：特定类型细胞中高表达，对基因的转录进行时空调控
  • 转录起始前复合体的组装
  • 真核生物转录延长需要核小体移位和解聚
    • 真核生物转录延长过程与原核生物类似，但由于存在核小体的高级结构，故在转录延长过程中可观察到核小体移位和解聚现象
  • 真核生物转录终止与加尾修饰相偶联