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1、,遗传信息在转录后要经过扩充和修饰，表现出“非忠实传递”的特点。,第八章 转录后加工,8.1 原核生物基因转录产物的加工 8.1.1 mRNA 8.1.2 rRNA 8.1.3 tRNA8.2 真核生物基因转录产物的加工 8.1.1 tRNA 8.1.2 rRNA 8.1.3 mRNA,carries the coding sequence,provides the amino acid corresponding to each codon,a major component of the ribosome that provides the environment for protein
2、synthesis,RNA 加工,RNA processing is the collective term used to describe various alterations (processing events) which allow the primary transcripts to become the mature RNA.Occurs in both prokaryotes and eukaryotes,加工主要包括3方面内容：,1 减少部分片段：切除5端前导序列，3端尾巴和中部的内含子。2 增加部分片段： 5端加帽， 3端加poly(A)，通过编辑加入一些碱基。3 修饰
3、：对某些碱基进行甲基化等处理。,Splicing,8.1.1 原核生物mRNA前体的加工,原核生物mRNA一般不需加工多顺反子产物被RNase加工为较小的单位后，分别翻译。,rRNA分子会形成广泛的次级结构,原核基因也有基因重复的情况。rRNA基因有7个拷贝，其中有6个位于复制起点附近。,8.1.2 原核生物rRNA转录后的加工,5S, 16S, 23S rRNA基因与tRNA在一个转录单位中。E.coli 中有7个这样的转录单位，其中rRNA基因等比例出现，tRNA基因的种类、数量和位置各不相同。rRNA前体的加工内容： a. 剪切-RNaseIII(粗加工) 、 修剪-成熟酶（M16，M2
4、3,细加工） b. 核苷酸的修饰: 甲基化等,原核rRNA 加工过程,RNA 折叠形成茎环结构核糖核蛋白复合体RNP的形成 RNP: Ribonucleoproteins特定碱基的甲基化伴随RNA 的剪切,核糖体的组装,The initial transcript has a sedimentation coefficient of 30s (6000 nt) and is normally quite short-lived.,transcription,RNase III起到核酸内切酶的作用,能够识别16S和23S的茎环,并在茎上交错切割.,8.1.3 原核生物tRNA转录后的加工,相同
5、tRNA基因 不同tRNA基因 tRNA基因与rRNA基因,tRNA前体的加工内容： a. 剪切（cutting）和修剪（trimming） b. II型tRNA基因的3端添加CCAOH c. 核苷酸的修饰,多顺反子转录单位,剪切和修剪,RNase P： tRNA 5成熟酶 RNA蛋白质复合物(核酶)RNase F 、RNaseIII、RNaseE: 3 内切核酸酶RNase D: 3 外切核酸酶（ 3 成熟酶）,Cut & Trim,3端:(1) RNase E/F 留下9Nt(2) RNase D依次切掉7Nt; RNaseP 加工 5端后， RNase D再切除另2个Nt.5端; RNa
6、se P（核酶）,RNase E/F,RNase D,RNase P,Fig. 1 Pre-tRNA processing in E.coli.,RNase P P210-211科学故事,RNase P具有核酸内切酶的活性,能识别tRNA 5端特殊的二级结构.RNase P具有两种组分, 375nt的RNA和20kDa 的多肽, RNA具有单独的催化活性,多肽组分能大幅度提高反应速率.核酶:ribozyme 具有催化活性的RNA.,b. II型tRNA基因的3端添加CCAOH,原核生物大部分tRNA基因为I型，转录后有CCA序列存在；少数如：T4噬菌体tRNA基因为II型，转录产物 3端剪切后
7、需添加CCAtRNA核苷酸转移酶 （tRNA nucleotidyl transferase）,c. 核苷修饰,修饰酶： tRNA甲基转移酶 /甲基化酶 异戊烯转移酶 假尿苷合成酶 tRNAtyr： U （假尿嘧啶） U4tU（4-硫尿嘧啶） G 2 mG（2-O-甲基鸟嘌呤） A2 ipA（2-异戊烯基腺嘌呤）,8.2 真核生物基因转录产物的加工,8.2.1 真核生物tRNA转录后的加工P209 真核生物tRNA基因的结构： 单顺反子，构成基因簇，属于复杂基因家族， 有内含子。 真核生物tRNA加工过程： 剪切和修剪 3端均需添加CCAOH 核苷修饰 内含子剪接：酶促拼接,Processin
8、g of yeast pre-tRNATyr,16 nt 5-leader,a 14 nt intron,3- 2 extra nucleotides,base modification,newly added,1 内切酶2 tRNA核苷酸 转移酶,Splicing of intron in yeast pre-tRNATyr Endonucleolytic cleavage Ligation,酵母菌tRNA中的内含子可在脊椎动物细胞内加工，说明真核生物的tRNA加工机制高度保守。,3-2环磷酸5-OH,环磷酸二酯酶,GTP激酶连接酶,内切酶,2-磷酸转移酶,真核tRNA内含子的剪切特点：,1
9、 没有交界序列，也没有内部引导序列2 依赖于RNase3 反应的本质不是转酯反应,以什么作为精确剪切的信号？,研究表明，真核tRNA内含子本身的序列和大小都不重要，其剪切原则上依赖于对tRNA共同二级结构的识别，分子不同部分的区域对于剪切是重要的，包括受体臂，D环，T环和反密码子环。,常见tRNA中的修饰核苷酸,真核生物的 rRNA基因组成简单多基因家族，每个转录单位包含 1618S, 5.8S ，28S 各一个拷贝，100个或更多的转录单位之间呈串联重复 ，由RNA Pol I转录。真核 5S rRNA 由 RNA Pol III 转录，基本不需要加工。,6.2.2 真核生物rRNA转录后的
10、加工P205,1618S，5.8S，28S rRNA基因组成一个转录单位，为简单多基因家族rRNA前体的加工内容： a. 剪切、修剪 d. 核苷修饰: 甲基化等 c. 少数需进行内含子的剪切,20S,32S,The large precursor RNA undergoes a number of cleavages to yield mature RNA and ribosome.,(ETS:external transcribed spacer; ITS: internal transcribed spacer),真核生物rRNA转录后的加工,1 修饰:小分子核仁RNA (snoRNA)
11、核糖2-OH甲基化box C/D 假甲尿苷形成H/ACA box rRNA被修饰的同时或修饰后,进行剪切.2 剪切和修剪: 特定的核酸酶,两类,真核rRNA加工机制,加工信号,2核糖甲基化,指导假甲尿苷形成,8.2.3 真核生物mRNA前体的剪接,mRNA前体的加工内容： a. 5 端添加帽子结构 b. 3 端添加多聚腺苷酸 c. 内含子的剪接,Pre-mRNA molecules are processed to mature mRNAs by 5-capping, 3-cleavage and polyadenylation, splicing and methylation.,A: 5
12、端添加帽子结构,当新生RNA链长度约为25nt 时，其5端经修饰被加上一个7-甲基G，以5-5三磷酸连接。鸟苷酸转移酶（guanyltransferase）鸟嘌呤-7-甲基转移酶（guanosine ethyltransferase） 帽子0： m7G5 ppp5XpYp帽子1： m7G5 ppp5XmpYp帽子2： m7G5 ppp5XmpYmpcap0是核糖体识别必须的， cap1、 cap2有促进的作用。,CAP1:OCH3,CAP2:OCH3,CAP 0,SAM,Step2,Step1,GMP,Step3,Caps function?,RNA三磷酸酶,鸟苷转移酶,酵母,高等生物,脊椎动
13、物,帽子结构的功能：,1 有助于mRNA前体的正确拼接；2 有助于成熟的mRNA穿越核膜，进入细胞质；3 保护mRNA的5端不被核酸酶降解；4 翻译时供相应的起始因子和核糖体识别。,RNA pol II CTD的磷酸化与加尾和加帽反应的关系,B 3端切割和多聚腺苷酸化,加尾反应需要的顺式元件,3 端添加多聚腺苷酸,长度：20200 nt加尾信号： 切割与加尾： a. 剪切/多聚腺苷酸化特异性因子（cleavage and polyadenylation specificity factor, CPSF） b. 剪切刺激因子（cleavage stimulation factor, CstF）
14、c. 剪切因子I，II（CFI， CFII） d. poly(A)多聚酶（polyadenylate polymerase, PAP） e. poly(A)结合蛋白（poly (A) binding protein, PBP）,mRNA的多聚腺苷酸化过程,CPSF因子专一性与加尾信号AAUAAA结合CstF因子与富GU区结合CFI、CFII在加尾信号下游的1525 nt处切割poly(A)多聚酶催化多聚腺苷酸化，先添加约10个腺苷酸，速度较慢poly(A)结合蛋白的结合加快多聚酶延伸速度，控制多聚腺嘌呤尾巴的长度,CPSF,PAP,PAPB,Pol II的CTD促进切割,Generation
15、of the 3 end of histone H3 mRNA depends on a conserved hairpin and a sequence that base pairs with U7 snRNA.,3 端多聚腺苷酸尾巴的功能,提高mRNA的稳定性在核质转运中起作用提高mRNA的翻译效率影响最后一个内含子的切除创造终止密码子UGA选择性加尾调节基因的表达,8.2.3 真核生物mRNA前体的剪接,mRNA前体的加工内容： c. 内含子的剪接 a. 5 端添加帽子结构 b. 3 端添加多聚腺苷酸,1. mRNA依赖snRNA的拼接2.选择拼接3.顺式和反式拼接4. I型自我拼接5
16、. II型自我拼接,hnRNP,hnRNA: the population of different RNA Pol II transcripts are called heterogeneous nuclear RNA .核不均一RNAhnRNP: the hnRNA synthesized by RNA Pol II and rapidly becomes covered by proteins to form heterogeneous nuclear ribonucleoprotein .核不均一RNPThe hnRNP proteins are thought to help kee
17、p the hnRNA in a single-stranded form and to assist in the various RNA processing reactions.,内含子的剪接,1. mRNA依赖snRNA的拼接2.选择拼接3.顺式和反式拼接4. I型自我拼接（线粒体基因、四膜虫rRNA）5. II型自我拼接（低等真核生物细胞器）,1. mRNA依赖snRNA的拼接,内含子边界保守序列剪接体mRNA依赖snRNA的拼接过程,内含子边界保守序列,“GU-AG” 规则、分支点序列、嘧啶富含区、ESE,The simplified mechanism of nuclear mR
18、NA precursor,剪接体,剪接过程由 U1, U2, U4, U5 , U6 snRNPs催化，也有其他剪接因子的参与。这些snRNPs中的RNA成分与 5-和 3剪接点及分支点的多种保守碱基配对。Splicesome: The large RNA-protein body on which splicing of nuclear mRNA precursors occurs.,外显子拼接增强子,SR:剪接因子,剪接体中的snRNP,U2和U6构成催化反应的核心,U5拉近相邻的2个外显子,U1 snRNA has a base-paired structure that creates
19、 several domains. The 5 end remains single stranded and can base pair with the 5 splicing site.,U2 snRNP可以与分支点序列配对,U6 snRNP可以与5端剪接区域配对,U4结合隐藏U6,BBP识别结合分支点,U2取代BBP,U4 U5 U6进入U6代替U1U1 U4离开,U6与U2配对,催化转酯反应,U5拉近相邻外显子第2次转酯反应,Copyright The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or
20、 display.,次要拼接途径AT AC,2.选择拼接,选择性拼接/可变剪接(alternative splicing) 基本转录体通过选择使用外显子以不同方式加工，产生表达不同基因产物的相关成熟转录本。,By using different promoters,By using different poly(A) sites,By retaining certain introns,By retaining or removing certain exons,小鼠免疫球蛋白重链基因的选择性剪接,3 顺式和反式拼接(cis-/ trans-splicing),反式拼接： 两个或更多不同的基因
21、的初始转录本上的外显子被连接在一起。,Cis- splicing,trans- splicing,Spliced leader,反式剪接 （trans-splicing）, 以一条pre-RNA 为底物 以两条不同来源的pre-RNA 为底物, 在spliceosome中完成 在spliceosome中完成, 组成型剪接 在成熟RNA的5端 选择性剪接 拼接一外来的35Nt的spliced lead (对供点或受点的识别差异) (SL, 剪接前导序列),4. II型自我拼接（低等真核生物细胞器）,自身催化剪接特定二级结构（六个茎环结构域）将外显子距离拉近自由羟基供体：内部腺嘌呤2-OH拼接过程
22、经历两次转酯反应，形成套索结构中间体，与mRNA依赖snRNA的拼接过程类似植物和低等真核生物细胞器基因组中发现,Group II self-splicing,二酯键,II型的催化活性来自于自身的特征二级结构，使外显子距离拉近。,GU,AG,5. I型自我拼接（线粒体基因）p 207,在四膜虫（单细胞真核生物）rRNA前体的拼接时发现（核酶，ribozyme）自由羟基供体：鸟嘌呤核苷酸辅因子（鸟苷/GMP/GDP/GTP） 3-OH内部指导序列（internal guide sequence, IGS）：与5 拼接点上游外显子序列互补，形成保守的二级结构中P1发夹结构。,Group I sel
23、f-splicing,反应的专一性由I型内含子高度保守的二级结构所控制，其有9个发夹结构，3个参与外显子的识别。,U,G,IGS,I型内含子再次发生剪切,核酶,核酶（ribozyme）由核糖核酸（ribonucleic acid）和酶（enzyme）重组而成.其本质为RNA或以RNA为主含有蛋白质辅基的一类具有催化功能的物质，它与普通的酶有所区别：（1 ）一般的酶是蛋白质，而核酶的主要功能成分为RNA；（2）有的核酶既是催化剂又是底物，随着反应的进行，自身也消失了。,The Nobel Prize in Chemistry 1989,for their discovery of catalyt
24、ic properties of RNA Ribozyme,Sidney AltmanYale University New Haven, CT, USA 1939 -,Thomas R. Cech University of Colorado Boulder, CO, USA1947,1939 -,RNA拼接方式的特点,RNA编辑,指在转录期间或转录后改变mRNA外显子的编码信息的机制，主要发生在细胞器基因组，基因的产物结构不能从DNA序列直接推导得到 Changing RNA sequence (after transcription),Insertion or deletion of U
25、 in protozoa,(deamination),人的脱辅基载脂蛋白B,Editing 的生物学意义, 形成/删除AUG, UAA, UAG, UGA, 改变codon信息，“出错”还是“纠错”, 扩大编码的遗传信息量, mRNA editing 较大程度地改变了DNA的遗传信息， 使该基因的DNA序列仅是一串简略意义模糊的序 列（abbreviated ）或称为隐秘基因、模糊基因 （cryptic gene, cryptogene）,Editing 的生物学意义？ 结论为时过早, 中心法则的发展,第八章 转录后加工,8.1 原核生物基因转录产物的加工 8.1.1 mRNA 8.1.2 rRNA 8.1.3 tRNA8.2 真核生物基因转录产物的加工 8.1.1 tRNA 8.1.2 rRNA 8.1.3 mRNA,
