14-rna的生物合成(课件).ppt
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- 14 rna 生物 合成 课件
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1、14.1 RNA14.1 RNA生物合成的概况生物合成的概况转录(转录(DNADNA指导的指导的RNARNA合成)的概念合成)的概念 DNA携带的遗传信息(基因)传递给RNA分子的过程称转录(transcription )。 DNA RNA转录产物有转录产物有mRNAmRNA、tRNAtRNA、rRNArRNA等等 反应体系:以反应体系:以DNADNA模板模板,NTP,NTP为原料为原料,RNA,RNA聚合聚合酶催化。酶催化。模板需要解旋解链,但不需要引物。模板需要解旋解链,但不需要引物。合成连续进行,合成方向:合成连续进行,合成方向: 5 5 3 3 从头合从头合 成,成,5 5 末端的起始
2、核苷酸常为末端的起始核苷酸常为GTPGTP或或ATPATP。不对称转录不对称转录不对称转录不对称转录-DNA-DNA片段转录时,片段转录时, 双链双链DNADNA中只有一条链作为中只有一条链作为 转录的模板,这种转录方式转录的模板,这种转录方式 称作不对称转录。称作不对称转录。模板链模板链(template strand)(template strand):指导指导RNARNA合成的合成的DNADNA链为模板链,链为模板链,又称反义链。又称反义链。非模板链非模板链( (nentemplatenentemplate strand) strand): 不作为转录的另一条不作为转录的另一条DNADN
3、A链链为有义链,又称编码链。为有义链,又称编码链。(模板链并非永远在同一条单链上)(模板链并非永远在同一条单链上)不对称转录不对称转录GCAGTACATGTC5533DNACGTCATGTACAG编码链模板链GCAGUACAUGUCmRNA转录14.2 原核生物的转录1.RNA1.RNA聚合酶聚合酶(以大肠杆菌为例)(以大肠杆菌为例)全酶由全酶由5 5种亚基种亚基2 2 组成组成;因子与其它部分的结合不因子与其它部分的结合不是是 十分紧密,它易于与十分紧密,它易于与2 2分离;分离;没有没有亚基的酶称为亚基的酶称为核心核心酶酶只催化链的延长,对起始只催化链的延长,对起始无作用。无作用。 全酶全
4、酶 ( (holoenzymeholoenzyme) ) 核心酶核心酶 (core enzyme)(core enzyme) 大肠杆菌大肠杆菌RNARNA聚合酶各亚基的功能聚合酶各亚基的功能亚基亚基 基因基因 Mr 亚基亚基 功能功能 数目数目 rpoArpoA 40,OOO 2 40,OOO 2 酶的装配,与启动子上游酶的装配,与启动子上游 元件和活化因子结合元件和活化因子结合 rpoBrpoB 155,000 1 155,000 1 结合核苷酸底物,催化磷结合核苷酸底物,催化磷 酸二酯键形成酸二酯键形成rpoCrpoC 160,000 1 2 160,000 1 2个个Zn2+参与催化过程
5、参与催化过程 ,与模板结合与模板结合 rpoDrpoD 32,OOO- 1 32,OOO- 1 识别启动子,促进转录识别启动子,促进转录 92 92,000 000 的起始的起始 9,OOO 1 9,OOO 1 未知未知启动子:启动子:指能被指能被RNARNA聚合酶识别、结合并启动聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段基因转录的一段DNADNA序列。序列。 RNA聚合酶能否与启动子相互作用是起始转录的关键问题。转录起点:转录起点:与新生与新生RNARNA链第一个核甘酸相对应链第一个核甘酸相对应DNADNA链上的碱基。链上的碱基。 转录起点是转录起点是+1+1,上游是,上游是-1-1。不同的不同的
6、 因子可识别不同的启动子因子可识别不同的启动子。因子因子 编码基因编码基因主要功能主要功能7070rpoD参与对数生长期和大多数碳代谢过参与对数生长期和大多数碳代谢过程基因调控程基因调控5454rpoN参与多数氮源利用基因的调控参与多数氮源利用基因的调控3838rpoH分裂间期特异基因的表达调控分裂间期特异基因的表达调控3232rpoS热休克基因的表达调控热休克基因的表达调控2828rpoF鞭毛趋化相关基因的表达调控鞭毛趋化相关基因的表达调控2424rpoE过度热休克基因的表达调节过度热休克基因的表达调节大肠杆菌中的各种大肠杆菌中的各种因子比较因子比较 for standard promote
7、rs; for standard promoters; for heat-shock promoters; for heat-shock promoters; for nitrogen-starvation promoters for nitrogen-starvation promotersStandardHeat-shockNitrogenstarvation不同的不同的因子识别不同启动子因子识别不同启动子RNA聚合酶的作用1)1)与与DNADNA结合并使之解链,另外还具有解旋、重新使结合并使之解链,另外还具有解旋、重新使DNADNA螺旋化作用。螺旋化作用。2)2)催化催化RNARNA聚合
8、反应,负责三种聚合反应,负责三种RNARNA合成。合成。3)3)RNARNA聚合酶核心酶通过与不同的聚合酶核心酶通过与不同的 亚基结合,识别亚基结合,识别不同的启动子。不同的启动子。4)4)识别启动子,主要依赖于识别启动子,主要依赖于 亚基,亚基, 亚基只参与亚基只参与转录的起始,并决定转录的方向。转录的起始,并决定转录的方向。小结14.2.2转录的起始转录的起始(原核生物)原核生物)v转录起始点的确定转录起始点的确定 启动子被启动子被RNARNA聚合酶识别、结合并启动基因转录聚合酶识别、结合并启动基因转录 v确定启动子的方法确定启动子的方法-足迹法足迹法足迹法确定足迹法确定启动子序列启动子序
9、列RNA聚合酶能否与启动子相互作用是起始转录的关键问题。转录起点:转录起点:与新生与新生RNARNA链第一个核甘酸相链第一个核甘酸相对应对应DNADNA链上的碱基。链上的碱基。转录起点是转录起点是+1,上游是,上游是-1。原核生物的启动子结构原核生物的启动子结构-10序列(序列(Pribnow框)框) 在转录起点上游大约在转录起点上游大约-10-10处,有一个处,有一个6bp6bp的保守序列的保守序列TATAATTATAAT,称,称PribnowPribnow框。框。此段序列出现在此段序列出现在-4-4到到-13bp-13bp之间,之间,各碱基出现频率如下:各碱基出现频率如下: T89A89T
10、50A65A65T100 Pribnow框决定转录方向。框决定转录方向。酶在此部位与酶在此部位与DNA结合形成稳定的复结合形成稳定的复合物,合物,Pribnow框中框中DNA序列在序列在转录方向上解开,形成开放型起转录方向上解开,形成开放型起始结构,它是始结构,它是RNA聚合酶牢固的聚合酶牢固的结合位点,是启动子的关键部位。结合位点,是启动子的关键部位。编码链AACTGTATATTA模板链TTGACATATAAT35DNA转录起始点Probnow盒子启动子3510+1转录区53RNA-3535序列序列(SexfamaSexfama box box)(识别区域)识别区域)只含只含-10-10序列
11、的序列的DNADNA不能转不能转录,在录,在-10-10序列上游还有序列上游还有一个保守序列,其中心约一个保守序列,其中心约在在-35-35位置,称为位置,称为-35-35序列,序列,此序列为此序列为RNARNA聚合酶的识聚合酶的识别区域。别区域。各碱基出现频率如下:各碱基出现频率如下:T T8585T T8383G G8181A A6161C C6969A A5252 ,其中其中TTGTTG十分保守。十分保守。编码链AACTGTATATTA模板链TTGACATATAAT35DNA转录起始点Probnow盒子启动子3510+1转录区53RNA大肠杆菌启动子共有序列的功能大肠杆菌启动子共有序列的
12、功能 AGTCTTGACA TAT ATAAAT AACTGT AAT Pribnow框框-10序列序列-35序列序列识别区识别区16-19bp5-9bp起点有助于DNA局部双链解开提供了RNA聚合酶识别的信号起始过程起始过程全酶在全酶在因子参与下接触到因子参与下接触到DNA上;上;RNA聚合酶通过聚合酶通过因子识别因子识别启动子启动子并与之结合,形并与之结合,形成封闭性的起始复合物;成封闭性的起始复合物;酶结合在酶结合在-10区,区,启动子启动子活化;然后解开双链,暴活化;然后解开双链,暴露模板链;露模板链;酶移动到转录起始位点,加上第一个核苷三磷酸酶移动到转录起始位点,加上第一个核苷三磷酸
13、(大大多是多是GTP或或ATP),形成三元复合物,转录开始。,形成三元复合物,转录开始。-35-10pppG或pppA55553333模板链模板链E 14.2.3 RNA14.2.3 RNA链的延伸链的延伸以以NTPNTP为原料和能量为原料和能量,DNA,DNA模板链为模板,靠核心模板链为模板,靠核心酶的催化,核苷酸间通酶的催化,核苷酸间通过过3 3 ,5,5 - -磷酸二酯键成磷酸二酯键成核糖核酸链核糖核酸链(RNA)(RNA)整个转录过程是由同一整个转录过程是由同一个个RNARNA聚合酶来完成的一聚合酶来完成的一个连续不断的反应,个连续不断的反应,RNARNA生成后,暂时与生成后,暂时与D
14、NADNA模板模板链形成链形成DNADNARNARNA杂交体,杂交体,长度约为长度约为1818个碱基对,个碱基对,形成一个转录泡。形成一个转录泡。拓扑异构酶负责消除正拓扑异构酶负责消除正超螺旋和形成负超螺旋超螺旋和形成负超螺旋14.2.3 RNA14.2.3 RNA链的延伸链的延伸亚基释放亚基释放在合成在合成8 8个核苷酸后,个核苷酸后,亚基释放,离开核心酶,使核心酶亚基释放,离开核心酶,使核心酶的的亚基构象变化,与亚基构象变化,与DNADNA模板亲和力下降,在模板亲和力下降,在DNADNA上移上移动速度加快,使动速度加快,使RNARNA链不断延长。链不断延长。因子被释放的原因因子被释放的原因
15、: :它已不起作用;它已不起作用;因子如仍然存在将会造成因子如仍然存在将会造成RNARNA聚合酶与启动子序列结合过聚合酶与启动子序列结合过紧,以致不能再沿着模板移动。紧,以致不能再沿着模板移动。所以当所以当因子被释放后,新生链因子被释放后,新生链- -酶复合体与酶复合体与DNADNA模板的结合模板的结合很弱,并且酶亦不再要求与特异序列的很弱,并且酶亦不再要求与特异序列的DNADNA结合时,链的延结合时,链的延伸才能达到最佳状态。伸才能达到最佳状态。14.2.4 转录的终止v终止子:终止子:提供转录终子信号的提供转录终子信号的DNA序列称为序列称为终止子,终止子,有两类:有两类:依赖依赖 -因子
16、的终止子和不因子的终止子和不依赖依赖 -因子的终止子。因子的终止子。v 终止因子:终止因子:协助协助RNA聚合酶识别终止信号聚合酶识别终止信号的辅助因子(或蛋白质)。的辅助因子(或蛋白质)。v抗终止因子:抗终止因子:引起抗终止作用的蛋白质称为引起抗终止作用的蛋白质称为抗终止因子。抗终止因子。nusA蛋白蛋白 是一种分子量为是一种分子量为69kd的酸性蛋白,它能与的酸性蛋白,它能与RNA及及RNA聚合酶相结合,在终止部位使两者被释放。即聚合酶相结合,在终止部位使两者被释放。即NusA结合到核心酶上(结合到核心酶上(),由),由NusA识别终止子序列;转录终止后,识别终止子序列;转录终止后,RNA
17、聚合酶脱离模板,聚合酶脱离模板,NusA又被又被所取代,由此所取代,由此形成形成RNA聚合酶起始复合物和终止复合物两种形式聚合酶起始复合物和终止复合物两种形式的循环。的循环。 大肠杆菌两类终止子的回文结构大肠杆菌两类终止子的回文结构A. 不依赖于不依赖于Rho( )的终止子的终止子A. 依赖于依赖于Rho( )的)的终止子终止子富含富含G-C系列系列U该区域提供信号使RNApol脱离模板不依赖于不依赖于的终止的终止特征特征:v终止子上游存在一个富含终止子上游存在一个富含GCGC碱基的二重对称区,由碱基的二重对称区,由这段这段DNADNA转录产生的转录产生的RNARNA容容易形成发卡式结构;易形
18、成发卡式结构;v在终止点前面有一段由在终止点前面有一段由4-84-8个个A A组成的序列,导致转录组成的序列,导致转录产物的产物的33端为寡聚端为寡聚U U。v这两种结构特征的存在决这两种结构特征的存在决定了转录的终止。定了转录的终止。 (a a)是延伸复合物恰好完是延伸复合物恰好完成富含成富含U U的的RNARNA链;链;(b b)RNA-RNARNA-RNA杂交物(发杂交物(发夹)的形成破坏了一部夹)的形成破坏了一部分分RNA-DNARNA-DNA杂交链,仅留杂交链,仅留下多聚下多聚U U与多聚与多聚A A的一段的一段杂交链;杂交链;(c c)多聚多聚U U与多聚与多聚A A杂交物杂交物解
19、离,转录本即被释放。解离,转录本即被释放。 RNA合成时形成的发夹终止结构此图表示,此图表示,RNA的一段短的双螺的一段短的双螺旋和富含旋和富含U的序列如何导致终止的序列如何导致终止作用和作用和RNA链的释放的。链的释放的。为什么这为什么这两个结构能引起终止两个结构能引起终止呢呢? ?v在新生在新生RNA中出现发卡式结构会导致中出现发卡式结构会导致RNA聚合酶的暂停,破坏聚合酶的暂停,破坏RNA-DNA杂合链杂合链5端端的正常结构。的正常结构。v寡聚寡聚U的存在使杂合链的的存在使杂合链的3端部分出现不稳端部分出现不稳定的定的rUdA区域区域。v于是新生于是新生RNARNA链将很快自链将很快自D
20、NADNA双链中被排除双链中被排除出来。出来。依赖依赖的终止子的终止子依赖依赖的终止子没有不依赖的终止子没有不依赖的终止子特有的的终止子特有的多聚多聚dAdA序列,并且也不是都能形序列,并且也不是都能形成成稳定的发夹稳定的发夹。终止点前无寡聚终止点前无寡聚U U序列,回序列,回文对称区不富含文对称区不富含GCGC。依赖依赖的终止子,必需在的终止子,必需在因子存在时,才发生终止因子存在时,才发生终止作用。作用。 因子(因子( RhoRho因子因子) 因子(因子( RhoRho因子因子):):是是45KD45KD的的蛋白质(六聚体蛋白)。蛋白质(六聚体蛋白)。有有ATPATP酶和解螺旋酶酶和解螺旋
21、酶两种活性两种活性, ,因此能结合转录产物的因此能结合转录产物的33末末端区并使转录停顿及产物端区并使转录停顿及产物RNARNA脱离脱离DNADNA模板。模板。 因子在因子在RNARNA的存在下能的存在下能水解水解ATPATP,说明它能与新生说明它能与新生RNARNA链链结合,并可能应用结合,并可能应用ATPATP放出的放出的能量将能量将RNARNA链从酶和模板中释链从酶和模板中释出。出。 因子参与的因子参与的RNA合成终止模式合成终止模式RNARNA合成过程合成过程起始起始双链双链DNA局部解开局部解开磷酸二酯磷酸二酯键形成键形成终止阶段终止阶段解链区到达解链区到达基因终点基因终点延长阶段延
22、长阶段5 3 RNA 启动子(启动子(promoter) 终止子终止子(terminator)5 RNA聚合酶聚合酶 5 3 5 3 5 5 3 离开离开14.3. 14.3. 真核细胞的转录真核细胞的转录真核生物的转录和原核转录的不同点:真核生物的转录和原核转录的不同点: (1) (1) 原核只有一种原核只有一种RNARNA聚合酶,而真核细聚合酶,而真核细 胞有三种聚合酶;胞有三种聚合酶; (2) (2) 启动子的结构特点不同,真核有三种启动子的结构特点不同,真核有三种 不同的启动子和有关的元件;不同的启动子和有关的元件; (3) (3) 真核的转录有很多蛋白质因子的介入。真核的转录有很多蛋
23、白质因子的介入。14.3.1 14.3.1 真核细胞真核细胞的的RNARNA聚合酶聚合酶v真核细胞真核细胞RNARNA聚合酶有聚合酶有、三类三类, ,均由均由多亚基构成多亚基构成. .v三种三种RNARNA聚合酶对转录抑制剂鹅膏覃碱的敏感聚合酶对转录抑制剂鹅膏覃碱的敏感性反应不同性反应不同. .酶酶类类分分布布产产物物- -鹅膏蕈碱鹅膏蕈碱对酶的作用对酶的作用分子量分子量反应条件反应条件I I核仁核仁核质核质核质核质5.8SrRNA5.8SrRNA18SrRNA18SrRNAmRNAmRNA,snRNAsnRNAtRNAtRNA 5SrRNA5SrRNAU6snRNAU6snRNAscRNAs
24、cRNA不抑制不抑制低浓度抑制低浓度抑制高浓度抑制高浓度抑制500000500000700000700000700 000700 000_低离子强度低离子强度, ,要要求求MgMg2+2+或或MnMn2+2+高离子强度高离子强度高高MnMn2+2+浓度浓度真核细胞的真核细胞的RNARNA聚合酶聚合酶14.5 14.5 转录过程的选择性抑制转录过程的选择性抑制放线菌素放线菌素D是原核和真核细胞是原核和真核细胞RNA聚合酶的专一抑制剂。聚合酶的专一抑制剂。利福平利福平是原核细胞是原核细胞RNA聚合酶的抑制剂。聚合酶的抑制剂。 特异地抑制细菌特异地抑制细菌RNARNA聚合酶(与聚合酶(与RNARNA
25、聚合酶的聚合酶的亚基结合)的活性。亚基结合)的活性。-鹅膏蕈碱鹅膏蕈碱是真核细胞是真核细胞RNA聚合酶的抑制剂聚合酶的抑制剂。放线菌素放线菌素D D利福平利福平鹅膏蕈碱鹅膏蕈碱原核原核抑制抑制抑制抑制不抑制不抑制真核真核抑制抑制不抑制不抑制抑制抑制RNARNA聚合酶聚合酶1414RNARNA转录后的加工转录后的加工vRNARNA聚合酶合成的原初转录产物,要经过剪切、聚合酶合成的原初转录产物,要经过剪切、修饰、拼接等过程,才能转变成成熟的修饰、拼接等过程,才能转变成成熟的RNARNA分分子,此过程称子,此过程称RNARNA转录后加工。转录后加工。v不论原核或真核生物的不论原核或真核生物的rRNA
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