分子生物学 第7章 RNA加工和核糖核蛋白

一、原核生物 tRNA 加工
1. tRNA基因 • 原核的tRNA初始转录本多为多顺反子（polycistron）， 也就是几个tRNA分子串连在一起。 • 这有三种不同的情况： ① 串 联 的 tRNA 分 子 都 是 相 同 的 ， 如 在 27’ 的 tRNATyrtRNATyr； ②串联的tRNA分子是不同的，如71’的tRNAIle-tRNAAlatRNAThr； ③由tRNA和rRNA串联组成。 • 少数的tRNA前体为单顺反子（monocistron）
mRNA
二、真核生物mRNA加工
(一)、核不均一核糖核蛋白 (二)、 核内小分子核糖核蛋白(snRNP ) (三)、真核生物mRNA加工过程 (四)、内含子的剪接
(一)、核不均一核糖核蛋白
(hnRNA) ：不同的前mRNA统称为核不均一RNA，是 核内mRNA的初级转录产物。 hnRNA平均分子长度为8-10Kb(2Kb~14Kb)左右.比 mRNA的平均长度(1.8-2Kb)要大4-5倍。 hnRNA分子 经裂解和拼接，只有少部分序列转变为成熟的mRNA， 其余在加工过程中被降解。 hnRNA与三种丰富的hnRNP蛋白A、B、C复合形成
由RNA酶III的剪切释放出5s, 16s和23s的前体分子。
随后RNA酶M5,M16和M23分别在这Biblioteka Baidu前体的5´端和3´端进一步 剪切，最后释放出成熟的rRNA。
二、真核生物 rRNA 加工
1. rRNA 基因结构 在基因组内成簇排列，成串重复数百次集中在核仁内 可转录间隔区与非转录间隔区交替排列 真核生物的18S、5.8S和28S rRNA基因是串联在一起形成 一个转录本，初始转录本为45S前体 5S rRNA 是由RNA聚合酶III转录不相联的基因产生的， 而且几乎不需要加工。
真核的前体分子tRNA是单顺反子，但成
簇排列，基因间有间隔区；
一个16 nt 5’端前导序列
一个14 nt 内含子
两个额外的3’端核苷酸
二、真核生物 tRNA 加工
2. tRNA processing加工
初始转录物折叠形成具有特异性的茎环二级 结构。 内切酶识别切割5’端的前导区和2个3’端核苷 酸。 切除内含子 tRNA核苷酸转移酶将5’-CCA-3’序列加到3’端 碱基修饰。
转录后加工(posttranscriptional modification) 。
RNA加工的类型
RNA加工的类型 内切核酸酶和外切核酸酶切除核苷酸 在初始转录物或剪切产物的5’端或3’端加上 核苷酸 对某些核苷酸的碱基或糖苷进行修饰
RNA编辑
第1节 rRNA加工与核糖体
一、原核生物rRNA 加工 二、真核生物 rRNA 加工
hnRNP颗粒。
(二) 核内小分子核糖核蛋白
富含尿嘧啶的snRNAs与特异蛋白复合形成
snRNPs. 绝大多数参与前mRNA的剪接，也有许多参与 确定前rRNA甲基化的位点。 snRNAs是在细胞核内合成的，有一个普通的5’ 端帽子结构(序列5’-RA(U)nGR-3’) ,然后运到细 胞质中与8种常见蛋白结合，经甲基化后运回
第3节 mRNA加工，hnRNPs 和snRNPs
第4节 可变 mRNA加工
RNA加工的类型
基本概念：细胞内由RNA聚合酶合成的原初转录 物一般都需要经过一系列的变化，包括链的裂解、
5’端与3’端的切除、特殊结构的形成、核苷的修
饰、糖苷键的改变等过程，才能转变为成熟的
RNA分子，这些过程称为RNA的成熟，或RNA的
剪 切
(a)
添 加 (C) 剪 接
(b)
(d)
碱 基 修 饰
碱基修饰的方式：
（1）甲基化 （ 2） （ 1） （1）
如：A m A
（2）还原反应
如：U DHU
（3）核苷内的转位反应
如：U ψ
（ 3） （ 4） （4）脱氨反应
如：A I
真核tRNA的加工和原核的区别
(1)真核tRNA前体中无二聚体和多聚体； (2)增加了剪接内含子的过程； (3)都要加CCA。
(3) 部分退火，32S中间产物（含5.8S和28S rRNA） 中的5.8S和28S之间进行退火，形成发夹结构；
(4) 最后修正：通过外切酶等将20S中和已退火的32S 中残余的ITS切除掉。
47S前 rRNA经历了一系列剪切，先切去外部转录间隔区，再切去内部 转录间隔区，释放32S和20S两个前RNA，最后释放18S、5.8S、28S rRNA。
Dr. Thomas R. Cech 1988年与altman同 时获得诺贝尔化学奖
第3节 mRNA加工，hnRNPs 和snRNPs
一、原核生物mRNA加工 二、真核生物mRNA加工
一、原核生物mRNA的加工
• 原核生物的mRNA很少经过加工，由于转录和 翻译偶联，一般情况下一边转录一边就进行 翻译，中间没有可加工的间歇时间。 • 但在少数情况下多顺反子mRNA先被内切酶切 成较小的单位再成为翻译的模板。
•Molecular Biology Course
第七章 RNA PROCESSING AND RNPs
RNA加工和核糖核蛋白
教学要求
了解RNA加工类型 理解并掌握真核生物mRNA加工的机制 掌握原核生物rRNA和 tRNA的加工
主要内容
第1节 rRNA加工与核糖体 第2节 tRNA加工，RNA酶P和核酶
4-硫尿苷
2-甲基鸟苷
转录物前体形成茎环结构 →RNase E、F切割3’端 →RNase D对3’端修剪 →RNaseP 对5’端切除 →RNase D再除去3’端的两个核苷酸 → tRNA进行碱基修饰
假尿苷
2-异戊腺苷
二、真核生物 tRNA 加工
1. The structure of pre-tRNAs
• 例1，E.coli基因组上89’-90’处有一个操纵子含有4 个基因：rplj(L10)，rplL(L7/L12)(核糖体大亚基蛋 白)和rpoB(RNA聚合酶β亚基)，rpoC（RNA聚合酶 的β’亚基）。
E. coli 90’ /100’处
rplJ(L10) rplJ(L10) rpoB(β亚基) rpoC (β’亚基)
2. 大肠杆菌rRNA转录后加工
6500nt初始转录物折叠形成一 些茎环结构 初始转录物与蛋白质结合形成 核糖核蛋白复合体 进行甲基化修饰 S-adenosylmethionine (SAM， S-腺苷甲硫氨酸) 特异核酸酶剪切(RNase III, M5,M16 and M23)，释放出成 熟的rRNA
转录
前体多顺反子mRNA 加工 成熟的mRNA
RNase Ⅲ
T7噬菌体早期区转录单条前体RNA，经 RNase Ⅲ剪切成5条成熟的mRNA
P
A1 A2 A3 0.3 0.7 1
早期转录基因
1.1 1.2 1 .3 t
pppPu
RNaseⅢ
COH
pppPu
前导序列 0.3
0.7 1 1.1/1.2 1.3
Discovery of ribozymes
Before the discovery of ribozymes, only proteins were known to have catalytic activity. The first ribozyme was discovered in the early 1980s by Thomas Cech, who was studying RNA splicing (genetics) in the ciliated protozoan Tetrahymena thermophila. This ribozyme was found in the intron of a RNA transcript and removed itself from the transcript.
3.tRNA加工步骤
初始转录物折叠形成特异性的茎环结构。 RNase E或F开始对3’端切割 RNase D对3’端修剪至比成熟长度多2个2 nt。 RNase P切割5’端生成成熟的5’端。 最后，RNase D切除两个3’端的残基 碱基修饰：通过甲基化酶，硫醇酶，假尿嘧啶核苷 化酶等进行修饰，如氨基酸臂的4-硫尿苷(4tu), D 臂的2甲基鸟苷(2mG)，TψC臂的假尿苷(ψ)和反密 码子环上的2异戊腺苷(2ipA)
把尾序列
多顺反子
前导序列
单顺反子
16SrRNA tRNA
图6- 三种tRNA前体分子
20 单林娜 制作
一、原核生物 tRNA 加工
2. tRNA 加工: tRNA加工过程涉及特定的内
切和外切酶如RNase D、E、F和P剪切以及随
后对每一特定tRNA类型所进行的独特碱基修
饰。
一、原核生物 tRNA 加工
三、RNA酶P
是一种内切核酸酶，由一个RNA分子和一个蛋 白质分子组成。 其功能是产生成熟的tRNAs 5’端。 RNA 分子是一种具有催化活性的RNA或核酶。
四、 核酶
是一种能催化特异生化反应的RNA分子。 这些具有催化功能RNA分子能剪切自身或其他 RNA分子，也能进行连接或自我剪接反应。 能单独起作用，但在体内常跟蛋白质形成复合 物。
一、原核生物rRNA 加工
1. rRNA 基因的结构 E.coli 有7种不同的rRNA操纵子分散在整个基因组 中 每个操纵子包含一个拷贝的5s rRNA、16s rRNA、 23s rRNA序列。
有一到4个编码tRNA的序列。
每个转录单位转录 成单个的RNA前体 分子，经剪切后变 成为成熟的RNA的 分子。 rRNA前体的加工 是由RNase Ⅲ负责 的。
47S pre-rRNA
45S pre-rRNA
ETS：external transcribed spacers ITS：internal transcribed spacers
20S pre-rRNA
41S pre-rRNA
32S pre-rRNA
Methylation takes place at over 100 sites to give 2´-O-methylribose and this is now known to be carried out by a subset of small nuclear RNP particles which are abundant in the nucleolus. 细胞中的一种叫核 仁小核糖核蛋白颗粒（small nucleolar RNA, snoRNA）的短RNA分子指 导着rRNA分子特定位点的修饰作用。
二、真核生物 rRNA 加工
2. 哺乳动物前体rRNA的转录后加工事件
一系列特异的剪切：发生在转录间隔序列的外 部和内部 进行许多由小核糖核蛋白复合物控制的特异核 糖甲基化。
成熟的rRNA分子折叠并与核糖体蛋白形成复合
物。
真核细胞中rRNA的加工途径：
(1) 切 除 5′ 端 的 前 导 序 列 , 即 外 部 转 录 间 隔 序 列 （ETS）； (2) 从41S的中间产物中先切下18S的片段。Hela (人 类)细胞的切点在18S和5.8S之间的内部转录间隔序 列（ITS ），产物分别为20S（含18S rRNA片段） 和32S。
第2节 tRNA加工，RNA酶P和核酶
一、原核生物 tRNA 加工 二、真核生物 tRNA 加工 三、 RNA酶P 四、 Ribozymes 核酶
tRNA
70-80 nucleotides
•Bacteria has 30-40 tRNA for 61 codon and 20 amino acids •Some tRNA for the same amino acid recognizes more than one codon •More than one tRNA for one amino acid •Animals and plants have 50-100 tRNA •Codon and tRNA usage may differ under different differential stages in the same organism