【生化】03物质的生物合成-RNA的生物合成

这是一篇关于【生化】03物质的生物合成-RNA的生物合成的思维导图，详细的总结了概述，转录，转录后加工。

RNA的生物合成

• ◎启动子、RNA聚合酶、TF II D、TBP、hnRNA及tRNA前体的加工修饰需要注意，尤其是真核hnRNA相关的内容在考题中出现的较多。
• 概述
  • 转录的特点
    • 转录:以DNA单链为模板，以碱基互补配对方式沿5'→3'方向合成互补单链RNA的过程 ①DNA双链中只有一条链作模板，称模板链；与RNA互补 ②另一条为编码链；与RNA序列一致(U/T不同)
    • 模板链：DNA双链中只有一条链作模板；与RNA互补 编码链：另一条为编码链；与RNA序列一致(U/T不同)
    • ②转录具有选择性
      • 转录具有选择性， 在生物体生长、发育的不同阶段或机体处于不同生理状态下，要转录的基因有所不同，而不是全部基因同时转录。因此位于同一条染色体上的相邻基因未必同时转录
    • ③转录具有不对称性
      • 不对称转录： DNA双链在一次转录中只有一条链作为模板进行转录，生成RNA；另一条链不作模板，不被利用的这一特点
    • ♦转录不需要引物； ♦转录原料：NTP； ♦RNA聚合酶无校正活性 ♦转录具有不对称性
    • ④结构基因
      • 结构基因：能转录生成RNA的DNA区段。在其上、下游往往还存在调控序列，共同构成一个完整的转录单位
      • 充分理解一个转录的基因应包括： 结构基因和调控序列(上游启动子，下游终止子)
  • 比较
    • 复制 ♦模板：全部基因DNA双链全长 ♦主要原料：dNTP(A/G/C/T) ♦引物：需要 ♦产物：子链DNA ♦主要酶：DNA聚合酶(有校正活性) ♦配对原则：A=T；G=C ♦特点：半保留、半不连续、双向复制
      • 转录 ♦模板：某基因DNA一条链的局部 ♦主要原料：NTP(A/G/C/U) ♦引物：不需要 ♦产物：各种RNA(如mRNA.RNA、rRNA等) ♦主要酶：RNA聚合酶(无校正活性) ♦配对原则：A=U；G=C；T=A ♦特点：不对称转录
      • ♦模板均为DNA ♦都需依赖DNA的聚合酶 ♦聚合过程均为核苷酸之间生成磷酸二酯键 ♦都从5'→3'方向延长聚核苷酸链 ♦都遵循碱基互补配对原则
• 转录
  • 转录:以DNA单链为模板，以碱基互补配对方式沿5'→3'方向合成互补单链RNA的过程 ◎转录是基因表达的开始，尤其是转录起始还是基因表达调控的主要控制点。必须熟悉启动子的含义和形式以及RNA聚合酶与启动子的结合，尤其是真核RNA聚合酶Ⅱ、TF Ⅰ与TATA盒的关系，是这一部分的考试重点。
  • 原核
    • 启动子
      • 启动子：是上游调控序列中的特异DNA片段， 是RNA聚合酶识别并结合模板的区域。
      • -10区(Pribnow盒)：RNA聚合酶稳定结合模板的区域
      • -35区：RNA聚合酶辨认模板的区域
      • 启动子：RNA聚合酶 识别并结合的DNA片段
    • RNA聚合酶
      • RNA聚合酶：不需要引物，转录产物第一位是GTP
      • 全酶：α₂ββ'σ，转录起始需要全酶
      • 核心酶：α₂ββ'，转录延长仅需核心酶
      • σ因子：识别、辨认转录起始点
        • σ因子不参与延长， 转录延长只有核心酶
      • α：决定转录基因的种类和类型 β：催化聚合反应→利福平或利福霉素作用部位 β'：结合DNA模板 σ：辨认转录起始位点→种类多;进入转录延长阶段脱落
    • 过程
      • 起始：①σ因子识别-35区；②全酶稳定结合-10区
        • (1)σ因子辨认启动子-35区，RNA聚合酶全酶与模板疏松结合。 (2)RNA聚合酶前移，稳定结合到启动子-10区。 (3)双螺旋打开，RNA聚合酶催化合成第一个磷酸二酯键(RNA聚合酶不需要引物；合成的RNA第一位往往是GTP，并保留至转录完成)。 (4)σ因子脱落，核心酶继续，进入延长阶段
      • 延长：①羽毛状现象；②转录与翻译同步进行
        • (1)RNA聚合酶核心酶催化。 (2)按碱基互补配对原则由5'→3'方向将底物NTPs逐个聚合到前一核苷酸3-OH末端，形成3'，5'-磷酸二酯键，使新生RNA链不断延长。 (3)在转录延长过程中，DNA双链解链范围只有17 bp大小，新生成的RNA单链可以暂时与DNA模板链互补配对形成约12 bp的杂化双链，共同构成转录空泡。 (4)在电子显微镜下观察原核生物的转录过程，会看到类似羽毛状的现象。 说明在同一DNA模板上有多个转录同时进行，转录产物mRNA尚未完全释放即被利用作为翻译的模板，核糖体依次结合起始多肽链的合成。这是因为原核生物细胞缺乏核膜的阻隔，转录尚未完成翻译就已启动，转录与翻译可以同时进行。
      • 终止：①依赖ρ因子终止；②非依赖ρ因子终止
        • (1)依赖ρ(Rho)因子的转录终止 当ρ因子与新生RNA链结合后，靠水解ATP提供的能量沿RNA链5'→3'方向移动，与RNA聚合酶相互作用，发挥解旋酶活性，使DNA-RNA杂交双链解体，RNA产物释放，转录结束。 (2)非依赖ρ因子的转录终止 在新生成的转录产物序列中存在局部互补配对区，借助自身形成的发夹结构(或称茎环结构)阻止核心酶继续前进，DNA-RNA 杂化双链解离，RNA产物释放，转录终止。在发夹结构下游经常出现连续的U，可能是终止的标志。 ρ因子是由六个相同亚基组成的蛋白质，能结合RNA单链 ρ因子具有ATP酶和解旋酶活性。
        • ρ因子：具有ATP酶和解旋酶活性 协助原核转录终止
          • ρ因子是由六个相同亚基组成的蛋白质，能结合RNA单链 ρ因子具有ATP酶和解旋酶活性。
  • 真核
    • 启动子
      • 启动子：是上游调控序列中的特异DNA片段， 是RNA聚合酶识别并结合模板的区域。 真核启动子(以转录生成mRNA的基因为主)
      • 核心启动子：TATA盒( Hogness盒)
      • 启动子上游元件：GC盒、CAAT盒
      • 真核启动子：以转录 生成mRNA的基因为主
    • RNA聚合酶
      • 真核RNA聚合酶有三种，负责不同类型RNA的转录。但转录得到的均为初级转录产物，需要转录后加工修饰才能转变为具有功能的成熟RNA。
      • RNA pol I (核仁)：初产物→45S rRNA；终产物→28S/18S/5.8S rRNA
      • RNA pol Ⅱ(核内)：初产物→hnRNA；终产物→mRNA
      • RNA pol Ⅲ(核内)：初产物→5S rRNA/tRNA/snRNA；终产物→/
      • RNA聚合酶：不需要引物， 转录产物第一位是GTP
    • 过程
      • 起始
        • ①三种RNA聚合酶转录产物不同。 ②RNA聚合酶不能与启动子直接结合，需要转录因子协助 ③转录因子(TF) ④RNA pol Ⅱ的转录起始
        • 转录因子(TF)
          • ①能够直接或间接协助RNA聚合酶与启动子结合； ②本身是蛋白质； ③在真核生物进化过程中高度保守(只存于真核细胞) ④不同RNA聚合酶有不同的转录因子(TFⅠ/Ⅱ/Ⅲ)
          • ①能够直接或间接协助RNA聚合酶与启动子结合 ②本身是蛋白质； ③在真核生物进化过程中高度保守(只存在于真核细胞) ④不同RNA聚合酶有不同的转录因子(TFⅠ、TFⅡ、TFⅢ)
          • ♦TF：协助RNA聚合酶与启动子结合TF Ⅰ/Ⅱ/ Ⅲ ♦RNA聚合酶Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ对应TF Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ
        • TFⅡ
          • ①TBP识别并结合TATA盒，TAF协助TBP； ②TFⅡB结合TBP和DNA模板，TFⅡA进一步稳定上述结合 ③RNApolⅠ与TFⅡF复合物结合到启动子区域； ④TFⅡE和TFⅡH加入，形成转录起始复合物； ⑤RNA polⅡ最大亚基的羧基末端具有羧基末端结构域(CTD，含许多Ser/Tyr)，磷酸化后具有活性。 TFⅡH发挥解螺旋酶活性，使转录起始点DNA双链打开； TFⅡH还具有激酶活性，促进RNA polⅡ的CTD磷酸化
          • ♦TFⅡD：TBP+TAF的复合物
          • ♦TBP(TATA盒结合蛋白)：结合TATA盒
          • ♦TAF(TBP辅助因子)：不同基因转录有不同TAF发挥作用
          • ♦mRNA基因转录需要 ♦协助RNA聚合酶Ⅱ结合TATA盒
            • •TBP(TATA盒结合蛋白)：结合TATA盒 •TAF(TBP辅助因子)：不同基因转录有不同TAF发挥作用 •TFⅡB：稳定TFⅡD-DNA复合物，结合RNA pol •TFⅡA：辅助TBP-DNA结合 •TFⅡF：协助RNA pol Ⅱ 进入起始位点 •TFⅡE：解螺旋酶，结合TFⅡH •TFⅡH：解旋酶；蛋白激酶(磷酸化CTD)
      • 延长：①核小体移位与解聚现象；②核内转录，胞浆翻译
        • 延长： 与原核生物大致相似，但没有转录与翻译同时进行的羽毛状现象。由于真核染色质是以核小体为单位构成的超螺旋结构，故在转录时可以观察到核小体的移位和解聚现象。
      • 终止：与加尾修饰同步
        • 终止：真核生物的转录终止与转录后加工修饰密切相关
• (真核)转录后加工
  • hnRNA加工
    • ①5'-末端戴帽子：m7Gppp
      • 新生hnRNA的5'-末端： 是以pppG作为起始第一个核苷酸的，当合成约25-30个核苷酸单位时，磷酸酶、鸟苷酸转移酶和甲基转移酶共同作用将鸟嘌呤核苷酸添加到其5'-末端，再由SAM提供甲基，形成m7Gppp帽子结构。
      • 加帽：SAM提供甲基 →使mRNA免遭核酸酶的水解， 起到保护作用，且与翻译过程的启动有关。
    • ②3'-末端加尾巴：PolyA尾
      • •RNA polⅡ转录合成的hnRNA中会出现AAUAAA及其下游富含GU序列的加尾信号，特异的核酸酶在AAUAA序列与富含GU序列之间进行切制，去除3'-末端的多余核苷酸。 •并由多聚腺苷酸聚合酶以ATP为底物，催化其中的AMP部分逐一添加到3'-末端，形成多聚腺苷酸尾巴 •Poly A的长度与mRNA的寿命有关，当poly A长度缩短时，mRNA作为翻译模板的活性降低。 •因此，poly A是维持mRNA翻译模板活性及mRNA稳定性必需的
      • 加尾信号：AAUAAA →poly A是维持 mRNA翻译模板活性及mRNA稳定性必需的
    • ③内含子剪接
      • ①真核生物基因既有外显子序列，又有内含子序列，属断裂基因。 ②初级转录产物hnRNA同样有外显子和内含子序列。 ③经过内含子剪接，hnRNA才能成为成熟mRNA ④snRNA：核内小RNA。富含尿嘧啶核苷酸(UMP)，参与hnRNA内含子剪接的有U1/2/4/5/6 snRNA ⑤snRNP：小分子核糖核蛋白体。是由各种snRNA与相应蛋白质共同构成的，分别为U1/2/4/5/6 snRNA。在剪接过程中，5种snRNP组装成剪接体，能与hnRNA的内含子区城结合并使内含子形成套索状结构。 ⑥剪接实质：两次羟基发起的转酯反应(断裂3'，5'-磷酸二酯键)。
      • snRNA(核内小RNA)：富含尿嘧啶核苷酸(UMP)
      • snRNP(小分子核糖核蛋白体)： snRNA与蛋白质的复合物
        • 能与hnRNA的内含子区城结合 并使内含子形成套索状结构
      • 内含子规则：GU-AG
      • 内含子的剪接：剪接体/套索样切除、两次羟基转酯反应
      • 剪接实质：两次羟基发起的转酯反应 (断裂3'，5'-磷酸二酯键)
    • ④RNA编辑：个别核苷酸的改动
      • RNA编辑：改变个别碱基，使得一种转录初产物最终指导合成多种蛋白质
      • 可以使相同的基因、相同的初级转录产物最终转变为不同的成熟mRNA，从而翻译产生不同的蛋白质
        • 例如：人类基因组只有一个载脂蛋白B(apoB)基因，在肝和小肠黏膜细胞经转录后获得了相同的初级产物。肝细胞没有RNA编辑功能，初级产物经过正常的加工后进入翻译过程，产生了apoB100，组装为VLDL。但在小肠黏膜细胞，胞嘧啶核苷脱氨酶能将mRNA第66666位上的C改变为U，使原来的密码子CAA变成终止密码子UAA，翻译时多肽链的合成提前结束，结果只能翻译获得分子量小的apoB48(参与CM组装)。这一过程即为mRNA编辑
  • tRNA前体加工
    • ①切除末端多余核苷酸
      • 5'-末端的多余序列由RNaseP切除； 3'-末端的两个核苷酸由RNase D切除
    • ②内含子剪接
      • 剪接反密码环内含子：反密码环中的插入序列(内含子)通过剪接去除
    • ③3'-末端添加CCA
      • 经核苷酸转移酶催化，在3'-末端添加CCA-OH
    • ④化学修饰出现稀有碱基
      • 转录产物中部分碱基或核苷经相应酶催化修饰成为稀有碱基或稀有核苷
  • rRNA前体加工
    • ①RNA pol Ⅰ转录生成的初级转录产物是45S rRNA ②剪切实质:rRNA前体自身核酶活性催化的自我加工过程 ③需要snoRNA(核仁内小RNA)与蛋白质构成的snoRNP(核仁小核糖核蛋白)参与。 ④先剪切产生18S rRNA，余下部分再经剪切产生28S与⑤8S rRNA。 ⑤28S rRNA与⑤8 rRNA以及RNA聚合酶I合成的5S rRNA组装进入大亚基，18S rRNA组装成小亚基。 ⑥组装过程在核仁内进行，形成核糖体后再输出到胞质，作为蛋白质合成的场所。
    • snoRNA参与
    • 28S/18S/⑤8S rRNA
    • 核仁内组装成核糖体
    • rRNA前体加工：前体是45S rRNA， 在核仁内进行，属于核酶的自我剪切， snoRNA协助，组装成核糖体大小亚基。