Lec19_RNA Metabolism-st

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,RNA,Metabolism,RNA,分子,RNA,是由,DNA,模板转录,而来的,RNA,以,单链,起作用，这些,RNA,链本身的回折，很多结构变化,RNA,是已知唯一在遗传信息的,储存、转移和催化,过程中同时起作用的大分子,具有催化作用的,RNA,核酶,改变了酶的定义,核酸都与蛋白质形成复合物,信使,RNA(mRNA):,编码一个或一组基因指定的一个或多个多肽上的氨基酸顺序,转移,RNA(tRNA):,读取,mRNA,中的编码信息，运输合适的氨基酸至增长的多肽链,核糖体,RNA(rRNA):,核糖体的组成成分，合成蛋白质。,2,依赖,DNA,的,RNA,合成,由,RNA,聚合酶合成,RNA,一条,DNA,模板,4,种核苷,5-,三磷酸和,Mg,2+,合成方向,5,3,碱基配对,不需要引物去起始,RNA,合成,开始：,RNA,聚合酶结合,启动子,的特殊,DNA,序列,3,依赖,DNA,的,RNA,合成,转录泡,DNA,双螺旋解开一段链，,17 bp,杂合的,DNA-RNA,双螺旋，,8 bp,E.Coli:50-90 nt/s,转录前是正超螺旋,转录后形成负超螺旋,4,依赖,DNA,的,RNA,合成,模板链：作为模板用于,RNA,合成的链,非模板链（编码链）：与模板互补的链,5,不对称转录,RNA,合成起始于启动子,6,启动子：,特定序列，用来指导,DNA,基因中邻近片段的转录,RNA,聚合酶结合到转录起始点之前,70bp,到转录起始点后,30bp,RNA,分子起始部位的,DNA,碱基对为正值，之前为负值,-10,区和,-35,区，短序列很相似,UP,元件：富含,AT,亚基的结合部位,RNA,合成起始于启动子,RNA,聚合酶结合到启动子上并引发转录的效率在很大程度上取决于这些序列、序列间的间隔和它们与转录起始点的距离,-35,区和,-10,区,的重要性,影响启动子功能的突变常常涉及这些区域中的一个碱基对,共有序列的改变影响着,RNA,聚合酶的结合与转录起始的效率,仅仅对,一个碱基对,的改变会使结合速率慢几个数量级,启动子序列建立了特定大肠杆菌基因表达的基础水平，随基因的不同会有很大差别,7,转录的起始,结合阶段,聚合酶结合到启动子上，形成一个闭合的复合体,1215bp,松开，形成一个开放的复合体,起始阶段,转录开始,启动子出空,一旦,89nt,聚合形成新的,RNA,，,亚基就被释放，聚合酶就离开启动子催化,RNA,的延长,8,RNA,合成的终止,RNA,合成是,持续的,E.Coli,的转录终止信号：,不依赖,因子，简单终止,形成发夹结构的自我互补序列,RNA,的,3,末端形成一段,U,依赖,蛋白因子,终止子没有重复的,U,序列，有时也会有一小段可形成发夹结构的序列,蛋白在特定位点结合,RNA,，按,5,3,方向，追上,RNA,聚合酶,蛋白具有依赖,ATP,的,RNA-DNA,解链酶,的活性，释放,RNA,9,真核细胞的,RNA,聚合酶,真核生物有三种,RNA,聚合酶，有各自的功能，并与特定的启动子序列相结合,RNA,聚合酶,I,（,Pol I,）：,只 与前核糖体,RNA,的合成有关，包含了,18S,、,5.8S,和,28S,的,rRNA,RNA,聚合酶,II,（,Pol II,）：,主要合成,mRNA,和某些特殊的,RNA,。能识别成千上万种启动子，有几个共同序列，,TATA,盒，,Inr,RNA,聚合酶,III,（,Pol III,）：,合成,tRNA,，,5S rRNA,以及一些特殊的小,RNA,10,转录与复制的,相似和区别,都以,DNA,为模板,需要核苷酸作原料，从,5,到3,延长,；生成磷酸二酯键以连接核苷酸,都遵从碱基配对规律,都需要依赖,DNA,的聚合酶,产物都是很长的多核苷酸,RNA,的加工过程,12,新合成的,RNA,分子,初始转录本,真核,mRNA,和细菌及真核,tRNA,的初始转录本都要进一步加工,mRNA,的加工,剪接过程,除去内含子,连接外显子,两端都要被修饰,5,帽,3,尾巴,:,多聚,A,非编码片段,内含子编码片段,外显子,RNA,的加工过程,原核和真核生物,tRNA,的初始转录本加工：,切除两端多余的序列,少数情况下还进行除去内含子的剪接,分子中的许多碱基和糖基被修饰,任何,RNA,的最终命运都是彻底的降解,RNA,的转换速率对决定其状态稳定的程度起关键作用,转换速率也决定着细胞何时来关闭那些不再需要产物的基因,13,内含子的剪接,细菌中，一条多肽有一段,DNA,编码，连续对应，不中断,真核生物，,编码基因被非编码基因分割,内含子与基因的其他部分一起被,RNA,聚合酶转录，然后切除内含子，外显子连接为成熟的功能性,RNA,14,外显子：,400nt,，锤头状核酶,41nt,三级结构对其功能非常重要,28,催化所需的最小序列,磷酸二酯键的水解反应,I,型内含子,四膜虫,26 S rRNA,前体的自我剪接,I,型内含子的二级结构,阴影：催化核心,绿色：外显子,黄色：内含子,红色箭头：,5,剪接位点,蓝色箭头：,3,剪接位点,29,30,414nt,丢失,5,端的,19nt,395nt,的线状,RNAL-19,间插序列,(IVS),L-19,IVS,催化核苷酸转移反应,使一些寡聚核苷酸延长了，另一些缩短了,循环的转酯反应,100,个底物,/hr,比蛋白酶低，但是比非催化反应高,10,10,与蛋白酶一样具有底物诱导、共价催化和金属离子催化等作用,mRNA,的降解,基因表达的调控手段之一：,该基因的转录产物,mRNA,的浓度,合成速度和降解速度,降解途径确保,mRNA,不会在细胞内无意义累积,暂时需要的基因产物，,mRNA,半衰期,几分钟甚至几秒种,总是需要的基因产物，,mRNA,保持稳定水平,哺乳动物：平均半衰期,3h,，每一代细胞,mRNA,更新,10,次左右,细菌：半衰期,1.5min,降解,5,3,，,3,端带有一段抑制核酸外切酶的序列,(,polyA),真核细胞：,缩短,polyA,尾巴的长度、,5,端脱帽、,5,3,降解,31,依赖,RNA,的,RNA,合成和,DNA,合成,大多数,RNA,指导的聚合酶来源于,RNA,病毒,RNA,复制的发现对中心法则进行了补充,32,涉及到的酶在重组,DNA,技术中十分有用,对研究可能存在的前生物期的自我复制分子的性质具有深远的意义,反转录酶催化由病毒,RNA,产生,DNA,ssRNA,病毒基因组和反转录酶进入宿主细胞,催化合成一条互补,DNA,链,降解,RNA-DNA,中的,RNA,，并以,DNA,链取代,dsDNA,整合到真核宿主细胞基因组中，类似转座子,1962,年，,Howard Temin,预言,RNA,病毒中存在反转录酶,1970,年，,Temin,和,David Baltimore,各自独立检测到这些酶,证实遗传信息从,RNA,回流到,DNA,33,反转录病毒,典型的反转录病毒,三个基因：,gag,、,pol,、,env,gag,和,pol,长的多蛋白质，酶切后产生,6,个功能蛋白质,gag,编码蛋白质组成病毒颗粒的内核,pol,编码能降解这个长多肽的蛋白酶、整合酶和反转录酶,env,编码病毒的外壳蛋白,长末端重复序列,(LTR),：促使病毒整合，提供启动子,34,反转录酶,催化,3,种不同的反应，分别来自酶的不同活性部位,RNA,依赖的,DNA,合成,RNA,降解,DNA,依赖的,DNA,合成,启动,DNA,合成的引物：病毒颗粒带有的前一次感染中获得的宿主细胞的,tRNA,延伸方向：,5,3,类似,RNA,聚合酶，也不具有,3,5,外切核酸酶的校正活性,错误率：,1/20 000nt,，不同于正常,DNA,复制,实验上，以,RNA,为模板合成互补,DNA,35,病毒反转录酶引起癌症和艾滋病,大多数病毒反转录酶不能杀伤宿主细胞，但能整合于细胞内的,DNA,，刺激细胞分裂,人类免疫缺陷病毒,(HIV),会引起获得性免疫缺陷综合症,(AIDS),HIV,是反转录病毒，会杀伤许多受感染细胞,(T,淋巴细胞,),而引起肿瘤,HIV,反转录酶的错误率比其他已知的反转录酶高,10,倍多，,高突变率,36,Rous,肉瘤病毒基因,致癌基因高水平表达,促进细胞不规则分裂并导致癌症,Src,编码一种酪氨酸特异性蛋白激酶,影响细胞分裂、细胞间相互作用和通讯,除反转录病毒基因外，,HIV,还包含具有多种功能的几个小基因,真核生物的,DNA,转座子,具有与反转录病毒相似的结构，有时也称,反转座子,反转座子缺少一个,env,基因，不能形成病毒颗粒,从一个位置转移到另一个位置是,依靠,RNA,做媒介,，可能通过反转录酶合成,RNA,的,DNA,拷贝，接着,DNA,的整合,不同于细菌的转座子,反转录酶是一种多细胞生物演化之前出现的古老的酶,37,Ty,因子（酵母）,Copia,因子（果蝇属）,I,型和,II,型内含子的反转录,除自我剪接活性外，还编码促进其转移的,DNA,内切核酸酶,内切核酸酶在一个,寻靶,的过程中促进内含子插入到另一个不包含该内含子的同源基因拷贝的同一位点,38,寻靶内切核酸酶的产生,寻靶内切核酸酶,初级转录本,剪接的,I,型内含子,I,型和,II,型内含子的反转录,I,型内含子,寻靶,是通过,DNA,介导,的,39,寻靶,核酸内切酶切开,b,上对应于,a,内含子的位点,双链断裂修复,b,中产生该内含子的新拷贝,I,型和,II,型内含子的反转录,II,型内含子,寻靶,是通过,RNA,介导,的,内切核酸酶与反转录酶活性相缔合,RNA,内含子插入,DNA,内含子的逆转录,随时间的推移，一个种群中特定基因的每一个拷贝都可能得到这种内含子,40,反寻靶,端粒酶,特化的反转录酶,端粒,线性染色体的端位结构，许多重复的短寡核苷酸序列,一条,T,x,G,y,链和互补的,C,y,A,x,链,(x,y1-4),TG,链比互补链长，,3,端具有一段长达几百个,nt,的单链,DNA,端粒酶：,RNA,和蛋白质,RNA150nt,，包含,1.5,拷贝的,C,y,A,x,重复序列，端粒合成模板,染色体,3,端作为引物,5,3,方向进行,41,聚合及杂交,转位及重杂交,进一步聚合,RNA,世界假说,1960s,，,Carl Woese,Francis Crick,和,Leslie Orgel,提出大分子,RNA,可能充当了信息载体和催化剂两种角色,RNA,世界可能在从,“,前生命化学,”,过渡到生命的过程中起重要作用,米勒模拟实验：,产生了,0.5%,的腺嘌呤,腺嘌呤被认为是出现在地球上的第一种 也是数量最丰富的一种核苷酸组成成分,虽然腺苷在辅因子中没有起直接作用，但大部分的辅因子都以腺苷作为他们的结构组分,RNA,世界假说要求核苷酸聚合体自身繁殖,42,43,四膜虫的自剪接,rRNA,内含子可催化一个鸟苷酸残基对,5,剪接点的可逆攻击,由,RNA,模板来决定产物的排列顺序，从短链,RNA,变为长链,RNA,聚合体,RNA,到底是不是生命的起源呢？,支持,RNA,为生命起源假说的证据：,如果我们能找到完全或者主要依赖,RNA,进行生命活动的生物；,如果在现存生物的基因组里找到负责基本生命活动的功能性,RNA,的,“,痕迹,”,；,如果我们能够从随机,RNA,序列库中筛选到能够完成基本生命活动的,RNA,序列。,RNA,世界假说,RNA Recognizes Other Molecules,1,、,Tuerk,.C.;Gold,L.,Science,1990,249,505-10;,2,、,Ellington,A.D.;Szostak,J.W.,Nature,1990,346,818-22,3,、,Robertson,D.L.&Joyce,G.F.1990,，,Nature,344,