生物化学 RNA的合成

这是一篇关于生物化学 RNA的合成的思维导图，rRNA是由rDNA转录形成的，一部分在核仁中进行，还有一部分是在核仁外合成后移入核仁中的。

RNA的合成

• 转录准备
  • 模板
    • 双链中的一条链，并非永远是同一条单链（编码链+模板链，不对称转录）
  • 原料
    • NTP
  • 酶
    • RNA聚合酶（RNA pol）
      • 原核生物
        • 辅基
          • Mg2+
        • 作用机制
          • 在RNA的3' 端加入核苷酸（3'-OH亲核，进攻NTP α-磷酸，放出PPi）
        • 结构
          • α亚基（2个）
            • 决定转录的基因
          • β亚基
            • 全程作用，催化
          • β'亚基
            • 结合DNA模板，开链
          • ω亚基
            • β'折叠和稳定性；σ招募
          • 核心酶
          • σ亚基
            • 辨认起始点
        • 抑制剂
          • 抗生素——利福平，特异性结合β亚基，抗结核菌治疗
      • 真核生物
        • 分类
          • RNA pol I
            • 位置
              • 核仁
            • 功能
              • 合成rRNA前体（45S rRNA），进而产生5.8S、18S、28S rRNA
            • 对鹅膏蕈碱反应
              • 不敏感
          • RNA pol II
            • 最活跃的RNA pol
            • 位置
              • 核内
            • 功能
              • 合成hnRNA，以及lnc、pi、miRNA
                • mRNA寿命最短、最不稳定、需经常重新合成
            • 对鹅膏蕈碱反应
              • 极敏感
            • 结构
              • 羧基末端结构域CTD
                • pol I和III没有，所有真核生物的pol II都有
                • 最大亚基羧基末端的共有序列，不同生物该序列重复程度不同
          • RNA pol III
            • 位置
              • 核仁外，核内
            • 功能
              • 合成tRNA、5S rRNA、snRNA
            • 对鹅膏蕈碱反应
              • 较敏感
          • 分别使用I、II、III类启动子
            • II类启动子典例
              • 上游调控元件
              • TATA盒/下游启动子元件DPE
              • 起始元件
                • 起始子Inc共有序列
• 转录过程
  • 原核生物
    • 1||| 转录起始
      • 1||| σ亚基辨认转录起始区和转录起点，RNA pol全酶结合启动子，形成闭合转录复合体
      • 2||| DNA双链打开，形成开放转录复合体
        • DNA双链解开范围较复制叉小得多
      • 3||| 第一个磷酸二酯键形成
        • 第一位核苷酸，以GTP、ATP常见，转录延长中始终保留5' 端3个Pi
      • 特殊概念
        • 流产式起始（启动子校对）
          • 多次试探，合成短链RNA（不超过10nt）并释放，校对作用
        • 启动子清除/启动子解脱
          • RNA合成起始成功后，RNA pol离开启动子
    • 2||| 转录延长
      • 1||| σ亚基脱落，核心酶前移，催化RNA链延长
      • 2||| NTP不断聚合，产生PPi
      • 3||| 翻译同步
      • 特殊概念
        • 转录泡
          • 转录延长中的DNA双链、核心酶、新生成的RNA结合的空泡状结构
        • 空泡形成的原因、转录产物向外伸出的原因 P266
    • 3||| 转录终止
      • 依赖ρ因子
        • ρ（Rho）因子识别RNA上终止信号序列（丰富规律的C碱基）并与之结合，结合后ρ因子和RNA pol构象变化，RNA pol移动停顿，ρ因子释放RNA
        • ρ因子
          • 对PloyC结合能力强，对PolydC/dG结合能力低得多（结合RNA而不是DNA）
          • 具有解旋酶活性，使DNA/RNA杂化双链解离，释放RNA，终止转录
      • 非依赖ρ因子
        • 转录产物3'端形成多个连续U，上游一段特殊序列形成茎环/发夹结构
          • 茎环结构改变RNA pol构象，RNA pol不再向下游移动
          • RNA/DNA杂化双链本身不稳定，RNA从模板链上脱落，DNA双链复原 （RNA 3' 端多聚U也可促进RNA脱离）
  • 真核生物（RNA pol II）
    • 1||| 起始期
      • 转录起始前复合物PIC
        • TBP (TF II D和/或TF II A)-TATA盒
        • TF II B
          • 稳定TF II D-TATA盒
          • 募集pol
        • TF II F-RNA pol II
          • 结合pol，随其进入转录延长阶段，并始终防止pol结合DNA
        • TF II E
          • 募集TF II H并激活其激酶、解旋酶活性
          • 稳定解链状态
        • TF II H
          • 解旋，使闭合复合体转变为开放复合体，启动转录
          • 磷酸化CTD
        • 合成30nt长的RNA，释放TF II E、H
    • 2||| 延长期
      • TF II F始终结合pol发挥作用
      • 核小体发生移位（一时性解聚并重新装配）
      • 翻译不同步
    • 3||| 终止期
      • 同步加尾
      • 可读框下游 转录终止修饰点：共有序列AATAAA+大量GT序列
      • 转录越过修饰点后，hnRNA在修饰点处被切断进行加尾和加帽（保护其不被降解）
      • 下游RNA继续转录，但被迅速降解
    • RNA pol缺乏校对活性，故转录精确性远没有DNA复制高，但转录错误影响很小（RNA拷贝多，且最终会被降解和替代）
• 转录调控
  • 原核生物
    • 转录单位
      • 操纵子
        • 编码区
        • 调控序列
          • 启动子
            • 定义
              • RNA pol识别、结合、启动转录的一段DNA序列
            • 位置
              • 一般位于转录起始点的上游
            • 组成
              • -35区
                • 一致性序列：TTGACA
                • RNA pol（σ亚基）对转录起始的识别序列
              • -10区
                • 一致性序列：TATAAT（Pribnow盒）
                • 结合位点，形成RNA pol-DNA复合物，开始转录
            • 特点
              • 在真核细胞，一般不直接结合RNA pol，而是DNA双链通过通用转录因子结合RNA pol
  • 真核生物
    • 顺式作用元件
      • 又称：分子内作用元件 多个顺式作用元件共同发挥作用，不单独作用
      • 核心启动子序列
        • TATA盒/Hognest盒（TATAAAA），结合RNA pol II启动转录
          • 具有方向性，倒置后不发挥作用
          • 不典型，一些管家基因也可无TATA盒
            • 富含GC的启动子，有数个分离的转录起始点
            • 无GC富含区，有多个转录起始点（大多无活性，起调控作用）
      • 启动子上游元件/近端启动子元件
        • CAAT盒（GCCAAT）、GC盒（GGGCCG）
          • 结合相应蛋白因子（C/EBP、SP1）改变转录效率
      • 远隔序列
        • 增强子
          • 特点
            • 1. 与调控基因位于一条DNA链上
            • 2. 远距离调控，基因上下游皆可发挥作用（主要在上游），一般作用于最近的启动子
            • 3. 不具有方向性，倒置后仍发挥作用
            • 4. 常与启动子交错覆盖或连续，单拷贝/多拷贝串联形式存在
            • 5. 启动子依赖性，专一性不强
            • 6. 组织特异性转录因子结合部位
          • 功能
            • 远离转录起始点，结合特异基因调节蛋白，增强启动子转录活性，决定基因的空间、时间特异性表达
        • 沉默子
          • 结合特异蛋白因子，发挥负性调节作用
          • 远距作用，不具方向性，对异源基因也可作用
        • 绝缘子
          • 一般位于增强子/沉默子与启动子之间，结合特异蛋白因子从而阻碍增强子/沉默子对启动子的作用
          • 也可位于常染色质、异染色质之间，保护常染色质的基因表达不受异染色质结构的影响
          • 不具方向性
    • 反式作用因子/转录因子TF
      • 通用/基本转录因子
        • 结合RNA pol
        • 无组织特异性
        • 分为TF I、II、III（分别对应pol I、II、III），进化高度保守
          • TF IID
            • 亚基：TBP（TATA盒结合蛋白）+8~10个TAF（TBP相关因子）
            • TBP覆盖TATA盒，支持基础转录，并非增强转录所必需
            • TAF是诱导增强转录所必需，不同TAF与TBP结合可结合不同启动子
          • TF IIH
            • 解旋酶，ATP酶，蛋白激酶：磷酸化CTD（羧基末端结构域），启动转录
      • 特异转录因子
        • 特点
          • 个别基因转录必需，有组织特异性，决定基因表达的时空特异性
        • 分类
          • 辅激活因子
            • TAF和中介子
            • 在pol/通用TF 与 其他特异转录因子（上游因子、可诱导因子）之间起中介作用
          • 上游因子
            • 结合启动子上游元件，协助通用TF
              • SP1结合GC盒
              • C/EBP结合CAAT盒
          • 可诱导因子
            • 结合增强子等远端调控序列，特殊生理/病理情况下表达
              • MyoD在肌肉细胞中表达
              • HIF-1在缺氧时高表达
          • 标注
            • 转录激活因子
              • 通常是增强子结合蛋白EBP
            • 转录抑制因子
              • 沉默子结合蛋白质/通过蛋白质-蛋白质相互作用中和转录激活因子 或 TF IID
    • 顺式作用蛋白
      • 基因产物特异识别、结合自身基因的调控序列，调节自身基因开启/关闭
• 转录后加工（真核生物）
  • mRNA
    • 首尾修饰
      • 5' -“帽”结构
        • 酶
          • 加帽酶
            • 氨基端具磷酸酶活性
            • 羧基端具鸟苷酸转移酶活性
          • 甲基转移酶
            • SAM提供甲基，两次甲基化（G和G后第1/2位核苷酸的C-2'）
        • 功能
          • 保护mRNA免受核酸酶降解
          • 子主题
            • 参与mRNA结合核糖体，启动蛋白质生物合成
      • 3' -Poly(A)尾
        • 酶
          • 核酸内切酶
            • 切去hnRNA 3' 端一些核苷酸
          • 多聚腺苷酸聚合酶PAP
            • PABP II可促进PAP催化加尾，也可在尾结构足够长时使PAP停止作用
        • 功能
          • 防止外切酶的水解，增强mRNA的稳定性
          • 参与mRNA从核内向胞质的定向转移
          • Poly(A)长度与mRNA寿命、翻译活性呈正相关
    • 剪接
      • 场所
        • 剪接体
      • 步骤
        • 内含子形成套索RNA
        • 内含子在剪接接口处剪除
        • 两次转酯反应
          • 连接外显子
    • 剪切
      • 剪去内含子后在上游的外显子末端加尾，不进行连接反应
    • 可变剪接/选择性剪接
      • hnRNA可经过加工产生一种mRNA，也可剪接/剪切成结构有所不同的mRNA
      • 增加蛋白质多样性
    • mRNA编辑
      • mRNA上的一些序列在转录后发生了改变
  • rRNA
    • rDNA之间有不能被转录的基因间隔（不同于内含子），需要snoRNP协助去除
    • 45S--->5.8S+18S+28S（三者基因串联）
    • 5S rRNA基因属于冗余基因
  • tRNA
    • 其基因在基因组内有多个拷贝
    • 5' 前导序列
      • RNaseP（核糖核酸酶P，核酶）切除
    • 3' 序列
      • RNaseZ（核糖核酸内切酶）切除
      • 核苷酸转移酶，加CCA（氨基酸臂上）
    • 碱基修饰为稀有碱基
      • DHU、ψ、I等
    • 内含子
      • 一般在反密码子环
      • TESN（tRNA剪接内切酶）剪切
      • tRNA连接酶连接
  • 自剪接
    • RNA分子催化自身内含子的剪接
    • 组I型内含子
      • 不形成套索中间体
    • 组II型内含子
      • 形成套索中间体
    • 体外不需要酶可自行剪接，体内需要蛋白质帮助折叠成二级结构
• 转录后降解（真核生物）
  • 正常mRNA的降解
    • 1||| 脱腺苷酸化酶入侵环状结构
    • 2||| 脱帽酶结合5' 端，水解帽结构
    • 3||| 5' -->3' 核酸外切酶
  • 无义介导的mRNA降解（NMD）
    • 翻译中检测到提前终止密码子PTC（外显子拼接复合体EJC上游），核糖体被释放，之后mRNA被降解
• RNA pol和DNA pol
  • RNA pol
    • 不需要引物
    • 有校对活性（3' →5'外切酶活性）
  • DNA pol
    • 需要引物
    • 无校对活性（3' →5'外切酶活性）