發(fā)布時間：2019-04-12 16:18

【摘要】：RNA聚合酶(RNAP)在遺傳信息的表達(dá)過程當(dāng)中起至關(guān)重要的作用:在DNA鏈上移動并將包含遺傳信息的DNA鏈轉(zhuǎn)錄為RNA鏈。RNA聚合酶包含單體和多體兩種。在轉(zhuǎn)錄過程中,最重要的兩個步驟是:RNAP沿DNA鏈的移位(translocation)和RNAP對底物核糖核苷酸的選擇(selection)。RNAP一次可以轉(zhuǎn)錄上百到上千個核苷酸,在這個持續(xù)過程中RNAP的機(jī)械移動機(jī)制一直是研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。遺傳信息的保真度對生命體而言至關(guān)重要,在轉(zhuǎn)錄過程中與保真度相關(guān)的就是RNAP對底物核苷酸的選擇機(jī)制。近幾十年的研究已經(jīng)對RNAP的工作機(jī)制提供了很多信息,但仍然有很多地方還不清楚。分子動力學(xué)(Molecular Dynamics,MD)模擬作為實(shí)驗(yàn)的重要補(bǔ)充在近些年的研究中扮演了不可替代的角色。本文利用分子動力學(xué)模擬的方法對RNA聚合酶的移位機(jī)制和選擇機(jī)制進(jìn)行了研究,為其工作機(jī)制的研究提供了重要的信息。全文主要包括以下幾個部分:多體RNA聚合酶Pol II的移位機(jī)制研究。通過和細(xì)菌內(nèi)的多體RNAP結(jié)構(gòu)的對比,一個螺旋(Bridge Helix,BH)的flipped-out構(gòu)象和straight構(gòu)象之間的轉(zhuǎn)變被賦予了重要的意義。然而,結(jié)晶結(jié)構(gòu)并未在Pol II中發(fā)現(xiàn)BH的flipped-out構(gòu)象。通過分子動力學(xué)的模擬,我們發(fā)現(xiàn)了2個BH的flipped-out構(gòu)象,這兩個構(gòu)象對RNAP的移位過程均有促進(jìn)作用,而且其中一個結(jié)構(gòu)與結(jié)晶結(jié)構(gòu)在細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)的BH的flipped-out構(gòu)象非常類似,證明了BH的flipped-out構(gòu)象在Pol II中的存在。單體T7 RNA聚合酶的移位機(jī)制研究。T7 RNAP作為研究單體RNAP的模型,關(guān)于其移位機(jī)理主要有:Power-Stroke模型和布朗棘輪(Brownian-Ratchet)模型。我們分子動力學(xué)模擬的結(jié)果表明:T7 RNAP的移位機(jī)理為布朗棘輪模型。我們進(jìn)一步解釋了實(shí)驗(yàn)中移位前后的能量差的來源。計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果定量吻合。單體T7 RNA聚合酶的選擇機(jī)制研究。我們通過分子動力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn),在T7 RNAP移位過程中存在一個中間態(tài)。在這個中間態(tài)中,將要作為模板配對的過渡DNA核苷酸(TN)能夠移位到活性位點(diǎn),參與對底物NTP的選擇。這個結(jié)構(gòu)并沒有相應(yīng)的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。我們利用分子動力學(xué)模擬對這個狀態(tài)時NTP的選擇機(jī)制進(jìn)行了研究。我們發(fā)現(xiàn),NTP的選擇可以依靠NTP與DNA模板堿基之間的WC(Watson-Crick)相互作用,活性位點(diǎn)附近的穩(wěn)定性和Y639殘基。這可能揭示了傳統(tǒng)選擇路徑之外的另一條選擇路徑。
[Abstract]:RNA polymerase (RNAP) plays an important role in the expression of genetic information: it moves through the DNA chain and transcribes the DNA chain containing genetic information into the RNA chain. RNA polymerase contains two kinds of monomers and polysomes. Two of the most important steps in the transcription process are the transfer of RNAP along the DNA strand (translocation) and RNAP's choice of substrate ribonucleotides (selection). RNAP can transcribe hundreds to thousands of nucleotides at a time. In this continuous process, the mechanism of mechanical movement of RNAP has always been the focus and focus of research. The fidelity of genetic information is very important to the whole life. In the process of transcription, the selection mechanism of substrate nucleotides by RNAP is related to fidelity. The research of recent decades has provided a lot of information about the working mechanism of RNAP, but there are still many things that are not clear. Molecular dynamics (Molecular Dynamics,MD) simulation plays an irreplaceable role in recent studies as an important complement to experiments. In this paper, the molecular dynamics simulation method was used to study the mechanism of RNA polymerase translocation and selection, which provided important information for the study of its working mechanism. The main contents of this paper are as follows: studies on the translocation mechanism of multi-body RNA polymerase Pol II. By comparing with the multi-body RNAP structure in bacteria, the transition between the flipped-out conformation and the straight conformation of a Bridge Helix,BH is of great significance. However, the flipped-out conformation of BH was not found in Pol II. By molecular dynamics simulation, we found two flipped-out conformations of BH, both of which promote the translocation of RNAP, and one of them is very similar to the flipped-out conformation of BH found in bacteria with crystalline structure. The existence of flipped-out conformation of BH in Pol II was proved. The translocation mechanism of monomer T7 RNA polymerase was studied. As a model for studying monomer RNAP, T7 RNAP was used as the model of monomeric RNAP. The shift mechanism of T7 PCR was mainly Power-Stroke model and Brownian ratchet (Brownian-Ratchet) model. The results of our molecular dynamics simulation show that the shift mechanism of T 7 RNAP is Brownian ratchet model. We further explain the source of the energy difference before and after the shift in the experiment. The calculated results are in good agreement with the experimental results. Selection mechanism of monomer T7 RNA polymerase. We found that there is an intermediate state in the process of T7 RNAP shift by molecular dynamics simulation. In this intermediate state, the transition DNA nucleotide (TN), which will be paired as a template, can be transferred to the active site to participate in the selection of substrate NTP. This structure has no corresponding crystalline structure. We use molecular dynamics simulation to study the selection mechanism of NTP in this state. We found that the selection of NTP can rely on the WC (Watson-Crick) interaction between NTP and DNA template bases, the stability near the active site and the Y639 residue. This may reveal another alternative to the traditional selection path.
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：Q75

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 林浩,陳淡貞,朱湘雄,侯能俊,陳國瑚,莊大桓;抗-20誘導(dǎo)的三眠家蠶后絲腺RNA聚合酶和RNA的合成[J];昆蟲學(xué)報(bào);1991年04期

2 覃秉益;田穎川;方榮祥;;煙葉中依賴于RNA的RNA聚合酶的部分提純及其合成產(chǎn)物的性質(zhì)[J];微生物學(xué)報(bào);1982年04期

3 張強(qiáng);展鵬;劉新泳;;RNA聚合酶——抗流感病毒的新靶點(diǎn)[J];生命的化學(xué);2012年01期

4 徐濤;王磊;;植物中依賴于RNA的RNA聚合酶研究進(jìn)展[J];中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào);2011年06期

5 李曉峰;陳水平;姜濤;鄧永強(qiáng);秦成峰;于曼;秦鄂德;;重組西尼羅病毒NS5融合蛋白依賴RNA的RNA聚合酶特性鑒定[J];中國生物化學(xué)與分子生物學(xué)報(bào);2008年07期

6 明鎮(zhèn)寰;RNA鏈延伸中RNA聚合酶對信息的加工[J];遺傳;2000年01期

7 羅芬;馬衛(wèi)列;張志珍;;甲型流感病毒RNA聚合酶——抗病毒藥物靶點(diǎn)[J];中國生物化學(xué)與分子生物學(xué)報(bào);2014年05期

8 劉常宏;沈悅斐;薛雅蓉;彭士明;;大腸桿菌嚴(yán)謹(jǐn)型RNA聚合酶的篩選及體內(nèi)轉(zhuǎn)錄活性測定[J];微生物學(xué)報(bào);2007年02期

9 孫偉,龔祖塤,曹天欽;小麥叢矮病毒的依賴于RNA的RNA聚合酶[J];中國科學(xué)(B輯 化學(xué) 生物學(xué) 農(nóng)學(xué) 醫(yī)學(xué) 地學(xué));1987年09期

10 魏來,陳紅松,陳勇,封波,叢旭,王宇;互補(bǔ)引物/模板評價畢加酵母表達(dá)的丙型肝炎病毒RNA依賴的RNA聚合酶[J];病毒學(xué)報(bào);2002年01期

相關(guān)會議論文 前4條

1 白卉;周穎;薛小燕;侯征;桑國軍;閆華;羅曉星;;以RNA聚合酶σ_(70)因子為靶點(diǎn)的反義肽核酸的設(shè)計(jì)合成及廣譜抗菌作用研究[A];2010施慧達(dá)杯第十屆全國青年藥學(xué)工作者最新科研成果交流會論文集[C];2010年

2 胡楊波;陳士云;;結(jié)核分枝桿菌RNA聚合酶表達(dá)純化與體外轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)的建立[A];2013年湖北省暨武漢微生物學(xué)會會員代表大會暨學(xué)術(shù)年會論文摘要集[C];2013年

3 沙巍;肖和平;何國鈞;翁心華;;膿腫分枝桿菌RNA聚合酶的分離純化和活性研究[A];中華醫(yī)學(xué)會2008年全國結(jié)核病學(xué)術(shù)會議論文匯編[C];2008年

4 陳倩;樊崢;張敏;權(quán)力;張霆;;T7啟動子中CG位點(diǎn)的甲基化狀態(tài)對RNA聚合酶結(jié)合的影響[A];中華醫(yī)學(xué)會第十七次全國兒科學(xué)術(shù)大會論文匯編（下冊）[C];2012年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前5條

1 吳文哲;弗洛克豪斯病毒非結(jié)構(gòu)蛋白proteinA的RNA依賴的RNA聚合酶活性的研究[D];武漢大學(xué);2013年

2 盧剛;馬Ⅰ型RNA聚合酶啟動子在流感研究中的應(yīng)用及馬IFITM蛋白抗流感病毒的研究[D];華南農(nóng)業(yè)大學(xué);2016年

3 王展峰;分子動力學(xué)方法研究RNA聚合酶的移位和選擇機(jī)理[D];中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院物理研究所);2017年

4 伊光輝;豬瘟病毒RNA依賴的RNA聚合酶起始基因組RNA復(fù)制的分子機(jī)制研究[D];武漢大學(xué);2004年

5 張偉;Ⅰ.GL-7-ACA�；窩A130結(jié)構(gòu)與功能的研究 Ⅱ.SARS病毒中依賴于RNA的RNA聚合酶的研究[D];中國科學(xué)院研究生院（上海生命科學(xué)研究院）;2004年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前7條

1 高秋強(qiáng);棉花RNA依賴的RNA聚合酶（GhRdRP）基因的分離及功能分析[D];山東農(nóng)業(yè)大學(xué);2008年

2 王志堅(jiān);雷帕霉素通過下調(diào)DNA和RNA聚合酶抑制前B急淋白血病細(xì)胞的生長[D];蘇州大學(xué);2014年

3 桑國軍;以金黃色葡萄球菌RNA聚合酶σ~(70)因子為靶標(biāo)的反義肽核酸的設(shè)計(jì)、合成及抗MRSA的活性研究[D];第四軍醫(yī)大學(xué);2012年

4 周潔;十字花科黑腐病菌RNA聚合酶ω亞基的研究[D];廣西大學(xué);2008年

5 葛葉;流感病毒RNA依賴的RNA聚合酶亞單位的細(xì)胞定位研究及單克隆抗體制備[D];中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院;2009年

6 陸奇能;傳染性軟化病病毒（桐鄉(xiāng)株）的nested RT-PCR檢測及其RNA聚合酶的克隆和表達(dá)[D];浙江大學(xué);2007年

7 王超;Ⅰ型鴨肝炎病毒RNA聚合酶（RdRp）的基因克隆、表達(dá)及其亞細(xì)胞定位分析[D];甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué);2012年

，

本文編號：2457170