【生化代谢基础笔记】RNA 合成

第一节 原核生物转录的模板和酶

⚠️ RNA合成需要：DNA Template，NTP，RNA pol，其他蛋白质因子，$Mg^{2+}$

一、原核生物转录模板

1. 模板链（Template strand） VS 编码链（Coding strand）

   1. 模板链为合成模板

   2. 另一股单链为编码链，mRNA 碱基序列与编码链一致

      

二、RNA 聚合酶催化 RNA 的合成

1. RNA 聚合酶能从头启动 RNA 链的合成

   😅 RNA链的起始合成不需要 RNA 引物

2. RNA 聚合酶由多个亚基组成

   

   1. 全酶
      1. σ subunit：辨认转录起始点
      2. 核心酶（Core enzyme）：α2ββ‘ω：转录活性
   2. HSP 蛋白（热激蛋白）
      1. 特殊转录起点，σ32 辨认
   3. 利福平（rifampicin）：特异性抑制原核生物 RNA pol的β subunit

三、RNA 聚合酶结合到启动子上启动转录

1. 操纵子 Operon：
   1. 每一段转录区为转录单位
   2. 包含若干个基因编码区及其调控序列
2. 转录起点（TSS/initiator）：+1
3. 启动子 Promoter（AT rich）：

   1. -35 区域：RNA pol 对转录起始时的识别序列

   2. -10 区域：Pribnow box，形成稳定的 RNA pol-DNA 复合物，转录开始

      

第二节 原核生物的转录过程

一、转录起始需要 RNA 聚合酶全酶

1. Step1：RNA pol 识别并结合启动子，形成闭合转录复合体
   1. -35 识别
   2. 酶移动向-10
2. Step2：DNA 双链打开，闭合转录复合体转换为开放转录复合体
   1. 双链解开范围在 17bp 左右，远小于复制叉
3. Step3：第一个磷酸二酯键形成
   1. 启动子解脱/启动子清除：RNA pol 离开启动子
4. 流产式起始（abortive initiation）：合成长度小于 10 个核苷酸的 RNA 分子。

二、RNA聚合酶独立延长 RNA 链

1. 转录泡

   

2. 转录泡特点：

   1. 8bp 双螺旋
   2. 模板链 3-5 = 编码链 5-3

三、原核生物转录延长与蛋白质翻译同时进行

四、原核生物转录终止：ρ-dependent VS ρ-independent

1. 依赖 ρ 因子的 termination

   1. ρ 因子：

      1. 同六聚体 pro，亚基 64kD

      2. 能与 RNA 结合，对 polyC 结合力强

         

   2. 原理：

      1. RNA 3‘的 polyC 结合 ρ 因子，RNA pol 移动停止
      2. ρ有解旋酶活性，解旋 RNA/DNA杂化双链
2. 非依赖 ρ 因子的 termination
   1. 3’ polyU 结构，上游GC rich 形成 hairpin 结构
   2. 机制

      1. RNA 分子形成的茎环结构改变 RNA pol 构象

      2. poly AU 的不稳定性配对

         

第三节 真核生物 RNA 合成

😅 真核生物 RNA pol 需要辅因子才能结合模板；真核存在反义 RNA，双链都可以作为模板；存在基因间长非编码 RNA

一、真核生物有多重 DNA 依赖的 RNA 聚合酶

分类	定位	功能	α-鹅膏蕈碱敏感性
RNA Pol I	核仁	合成 rRNA 前体	不敏感
RNA Pol II	核内	合成 mRNA 前体	十分敏感
RNA Pol III	核内	合成 tRNA，5SrRNA，核小 RNA	比较敏感

1. 结构比原核复杂

   

2. Pol II 的 CTD 的磷酸化在转录中起到重要作用

3. 双向启动子

   

二、顺式作用元件和转录因子在真核转录起始中有重要作用

1. 转录起始相关的顺式作用元件

   

   1. 核心启动子序列
      1. TATA box（Hognest box）
         1. 某些 house-keeping gene 没有 TATA box
      2. 起始子（initiator，Inr）
         1. 位于转录起始位点附近
         2. Pol II 保守识别
   2. 启动子上游元件（近端序列）
      1. CAAT box 和 GC box
         1. 上游 40~200bp
         2. 结合 TF，增强转录效率
   3. 增强子（远端序列）
      1. 1000bp-50000bp
      2. 可以调控上下游的启动子

2. 转录因子 TF：

   😅 **反式作用因子**：直接，间接辨认和结合转录上游区间 DNA 或增强子的蛋白质
   1. 分类

      1. TF I

      2. TF II

         

         1. TFII D：

            1. TBP（TATA box-binding protein）：保证基础转录
            2. TAF（TBP-associated factor）：Co-activator 辅激活因子，人体中 12 种，结合不同启动子

         2. II中的四类转录因子

            

      3. TF III

3. 转录起始前复合物

   ⚠️ 真核生物 RNA pol 不直接与 DNA 结合，依赖众多 TF

   

   1. TF II F：防止 pol II 与 DNA 非特异结合，协助 RNA pol II 与 启动子 （promoter）的靶向结合，延长阶段仍然结合 pol II
   2. TF II H：
      1. 解旋酶活性：解旋起始点附近的 DNA
      2. 激酶活性：磷酸化 CTD，改变开放复合体构象

4. 少数反式作用因子的搭配启动特定基因转录

三、真核生物 RNA 转录延长过程与翻译不同步

1. 转录过程中核小体只是发生位移
2. 核小体的组蛋白富含精氨酸，精氨酸带正电与磷酸酸根负电荷作用，转录中精氨酸被乙酰化

四、真核生物的转录终止和加尾修饰同时进行

1. 转录不是在 poly A 位置（AATAAA）停止，而是超出后停止
2. 前体 mRNA 在修十点被切断，假如 polyA tail 和 5’ cap，下游虽然转录但是很快被降解
3. RNA pol 没有3’-5’ exonuclease 功能，转录有一定错误率

第四节 真核生物前体 RNA 的加工和降解

一、前体 mRNA 经过首、尾修饰、剪接和编辑加工后才能成熟

1. 5‘ cap：

   1. 加帽时间：25~30nt 时期

   2. 结构：7-甲基鸟嘌呤-ppp-5‘RNA

      

   3. 机理：

      

      1. 加帽酶：与 RNA pol II 的 CTD 结合，具有磷酸酶活性
      2. 甲基转移酶

   4. 作用：

      1. 使 mRNA 免遭核酸酶攻击

         ⚠️ **RNase A：降解单链； RNase H：降解 DNA/RNA 杂合链；RNase P：切割 tRNA 前体**

      2. 与帽结合蛋白质复合体结合，参与 mRNA 和核糖体的结合

2. 前体 mRNA 在 3’特意位点断裂加上 polyA
   1. 长度：80-250nt
   2. 特点：
      1. polyA 不依赖 DNA 模板
      2. pre-mRNA 长度大于成熟 mRNA
      3. 核酸内切酶切割
      4. 尾部修饰和转录终止同时进行
   3. poly A的长度与 mRNA 的寿命呈现正相关
   4. 特例：组蛋白 gene 没有 poly A
3. 前体 mRNA 的剪接主要是去除内含子

   1. 内含子总成套索 RNA 被剪除（lariat RNA）

      

   2. 内含子在剪接接口处剪除

      1. pre-mRNA 含有可以被剪接体识别的特殊保守序列
      2. 5‘-GU ······ AG-OH-3’（剪接接口）：5‘-剪接位点，剪接分支点，3’-剪接位点

   3. 剪接过程需要两次转酯反应（不耗能）

      

   4. 剪接体（Splicesome）是内含子剪接场所

      1. 组成：
         1. 5 种 snRNA（U1，U2…富含尿嘧啶） 和 100 种以上 protein
         2. 每一种 snRNA分别于多种 pro 结合 5 种 snRNP
         3. 金属离子 U6 催化剪接反应

   5. 前体 mRNA 分子有剪切和剪接两种模式

   6. 前体 mRNA 分子可以发生可变剪接（alternative splicing）

4. mRNA 编辑是对基因的编码序列进行转录后加工
   1. 分化加工：mRNA 的 nt 位可以被改变

二、真核前体 rRNA 经过剪切形成不同类别的 rRNA

1. rRNA gene 属于冗余基因（redundant gene）

   1. 定义：染色体上相似或完全一样的纵裂串联基因（randem gene）单位的重复。
   2. 举例：5S rRNA，组蛋白 gene，免疫球蛋白 gene
   3. 每个 gene 被不能转录的基因间隔（gene spacer）分段分开

2. 18S，5.8S，28S rRNA gene 串联在一起

   

三、真核前体 tRNA 的加工包括核苷酸的碱基修饰

1. 真核生物有 40-50 中不同的 tRNA
2. 加工过程：

   1. 5‘ 核苷酸前导序列由 RNase P 切除
      RNase P为核酶（Ribozyme）

   2. 3’的两个 U 被 RNase Z 切除

   3. 核苷酸转移酶添加 CCA

   4. 碱基化学修饰

   5. tRNA 剪切内切酶（TSEN）切除内含子，tRNA 连接酶催化连接

      

四、RNA 催化一些内含子的自剪接（Self-splicing）

1. 定义：RNA 分子催化自身内含子剪接的反应

五、真核 RNA 在细胞内的降解有多种途径

1. 依赖脱腺苷酸化的 mRNA 降解是重要的 mRNA 代谢途径

   

   1. 途径 1
      1. mRNA 形成封闭环状结构以防止脱腺苷酸化酶和脱帽酶的攻击
      2. 脱腺苷酸化酶：入侵环状结构，消除 3‘ polyA tail
      3. 脱帽酶：结合 mRNA 的 5’端，对 7-甲基鸟嘌呤水解
   2. 途径 2：少部分 mRNA 可以不被脱腺苷酸化酶处理直接脱帽
   3. 途径 3：有些 mRNA 可以被核酸内切酶切割

2. 无义介导的 mRNA 降解是一种重要的真核 mRNA 质量监控机制

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本文作者：FangHao
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