RNA的生物合成转录课件.ppt

1、第第 6 章章RNA的生物合成的生物合成（转录转录）RNA Biosynthesis, Transcription转转录录RNADNA 转录转录 (transcription) 生物体以生物体以DNA为模板合成为模板合成RNA的过程的过程 。 也就是把也就是把DNA的碱基序列抄录成的碱基序列抄录成RNA的的碱基序列。碱基序列。参与转录的物质参与转录的物质原料原料: : NTP (ATP, UTP, GTP, CTP) 模板模板: : DNA酶酶: : RNA聚合酶聚合酶(RNA polymerase, RNA-pol)其他蛋白质因子其他蛋白质因子模板和酶模板和酶Templates and En

2、zymes第一节第一节一、转录模板一、转录模板 结构基因：结构基因：strucural gene 能转录出能转录出mRNA然后指导蛋白质生成然后指导蛋白质生成 的部分。的部分。 模板链：模板链：template strand 可作为模板转录成可作为模板转录成RNA的一股链。也的一股链。也称作称作负链、反义链负链、反义链或或Watson链链。 编码链：编码链：coding strand 相对于模板链的另一股链。也称为相对于模板链的另一股链。也称为正正链、有义链或链、有义链或Crick链链。 模板模板: 转录、翻译的序列比较转录、翻译的序列比较转录的不对称性转录的不对称性 不对称转录不对称转录：a

3、symmetric transcription DNA双链对一个基因而言，一股可转录，双链对一个基因而言，一股可转录，另一股不转录。另一股不转录。 模板链与编码链相对而言模板链与编码链相对而言5 5 3 3 3 3 5 5 模板链模板链编码链编码链编码链编码链模板链模板链结构基因结构基因转录方向转录方向转录方向转录方向二、二、 RNA聚合酶聚合酶 转录酶：依赖转录酶：依赖DNA的的RNA聚合酶聚合酶 DNA dependent RNA polymerase DDRP 原核生物的原核生物的RNA聚合酶聚合酶 大肠杆菌的大肠杆菌的RNA聚合酶聚合酶： 2 （4种亚基种亚基组成的五聚体聚合物）组成的

4、五聚体聚合物） 其中其中 2称为称为核心酶核心酶：只有转录功能：只有转录功能 亚基：辨别转录起始点亚基：辨别转录起始点 + 2=全酶全酶 受利福平或利福霉素（结核菌药物）的特受利福平或利福霉素（结核菌药物）的特异性抑制。异性抑制。核心酶核心酶 (core enzyme)全酶全酶 (holoenzyme) 原核生物的原核生物的RNA聚合酶聚合酶RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合聚合酶全酶在转录起始区的结合 真核生物的真核生物的RNA聚合酶聚合酶RNA聚合酶聚合酶II可认为是真核生物中最重要的可认为是真核生物中最重要的RNA聚合酶聚合酶三、模板与酶的辨认结合三、模板与酶的辨认结合原核生物一个转录区

5、段可视为一个转录单原核生物一个转录区段可视为一个转录单位，称为位，称为操纵子操纵子(operon)，包括若干个，包括若干个结构基因结构基因及其上游及其上游(upstream)的的调控序列调控序列。 5 3 3 5 结构基因结构基因调控序列调控序列RNA-polRNA聚合酶结合模板聚合酶结合模板DNA的部位，称为的部位，称为启启动子动子(promoter)。目目 录录开始转录开始转录T T G A C AA A C T G T-35 区区(Pribnow box)T A T A A T Pu A T A T T A Py-10 区区1-30-5010-10-40-205 3 3 5 原核生物启动

6、子保守序列原核生物启动子保守序列RNA-pol辨认位点辨认位点(recognition site) 5 5 RNA聚合酶保护区聚合酶保护区结构基因结构基因3 3 三、模板与酶的辨认结合三、模板与酶的辨认结合启动区的保守序列，原核生物有两个元件启动区的保守序列，原核生物有两个元件-35bp的的辨认位点辨认位点：5-TTGACA- 提供了提供了RNA聚合酶聚合酶亚基亚基识别位点识别位点 -10bp的的Pribnow盒盒: 5-TATAAT 亚基结合位点，亚基结合位点，有利于有利于DNA局部双链局部双链解开解开 TATA盒盒 CAAT盒盒 GC盒盒 增强子增强子 顺式作用元件顺式作用元件 结构基因结

7、构基因-GCGC-CAAT-TATA转录起始转录起始真核生物启动子保守序列真核生物启动子保守序列转录过程转录过程The Process of Transcription 第二节第二节 （一）转录起始（一）转录起始转录起始需解决两个问题：转录起始需解决两个问题：1. RNA聚合酶必须准确地结合在转录模板的聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域。起始区域。2. DNA双链解开，使其中的一条链作为转录双链解开，使其中的一条链作为转录的模板。的模板。一、原核生物的转录过程一、原核生物的转录过程转录起始过程转录起始过程转录空泡转录空泡(transcription bubble)：RNA-pol （核心

8、酶）（核心酶） DNA RNA（二）转录延长（二）转录延长1. 亚基脱落，亚基脱落，RNApol聚合酶核心酶变构，聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，沿着与模板结合松弛，沿着DNA模板前移；模板前移； 2. 在在核心酶核心酶作用下，作用下，NTP不断聚合，不断聚合，RNA链链不断延长。不断延长。(NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPi转录的延长转录的延长 转录的延长是以转录的延长是以5到到3的方向进行的。的方向进行的。 (NMP)n+NTP(NMP)n+1+PPi 以以G=C、A=U、T=A碱基配对。碱基配对。 转录完成部分的转录完成部分的DNA重新形成双链。重新形成双链。 较

9、长的较长的RNA链上有核糖体结合，说明在链上有核糖体结合，说明在某些情况下，转录的同时，翻译已经开某些情况下，转录的同时，翻译已经开始进行了。始进行了。转录的延长转录的延长5 3 DNA原核生物转录过程中的羽毛状现象原核生物转录过程中的羽毛状现象核糖体核糖体RNARNA聚合酶聚合酶（三）转录的终止（三）转录的终止 转录终止转录终止：是：是RNA聚合酶在模板上的某聚合酶在模板上的某一位置停顿，一位置停顿，RNA链从转录复合物上脱链从转录复合物上脱离出来。离出来。转录终止分为：转录终止分为： 依赖依赖Rho（）因子的转录终止）因子的转录终止 不依赖不依赖Rho（）因子的转录终止）因子的转录终止A

10、T P1. 依赖依赖 Rho因子的转录终止因子的转录终止2. 非依赖非依赖 Rho因子的转录终止因子的转录终止DNA模板上靠近终止处，有些特殊的碱模板上靠近终止处，有些特殊的碱基序列，转录出基序列，转录出RNA后，后，RNA产物形成特殊产物形成特殊的结构来终止转录。的结构来终止转录。茎环结构使转录终止的机理茎环结构使转录终止的机理 使使RNA聚合酶变构，转录停顿；聚合酶变构，转录停顿； 使转录复合物趋于解离，使转录复合物趋于解离，RNA产物释放。产物释放。5 pppG5 3 3 5 RNA-pol不依赖不依赖Rho因子的转录终止模式因子的转录终止模式 RNA 聚合酶DNA 转录产物RNA链出现

11、茎链出现茎-环结构，促进环结构，促进转录的终止。转录的终止。1.这样的结构改变这样的结构改变RNA聚合酶聚合酶的构象，使酶不再向下移动。的构象，使酶不再向下移动。2.DNA和和RNA各自形成自己的各自形成自己的局部双链，使杂化链更加不稳局部双链，使杂化链更加不稳定，以致转录复合物趋于解定，以致转录复合物趋于解体。体。接着的一串寡聚接着的一串寡聚U，则更是促则更是促进进RNA新链从模板上脱落的新链从模板上脱落的促进因素。促进因素。转录起始点转录起始点TATA盒盒CAAT盒盒GC盒盒 增强子增强子顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element)1. 转录起始前的上游区段转录起始前的

12、上游区段 AATAAA切离加尾切离加尾 转录终止点转录终止点 修饰点修饰点 外显子外显子 翻译起始点翻译起始点内内含含子子 OCT-1 OCT-1：ATTTGCAT八聚体八聚体原核生物、真核生物转录起始位点的结构差异三、真核生物的转录起始三、真核生物的转录起始（一）转录起始（一）转录起始真核生物的转录起始上游区段比原核生物真核生物的转录起始上游区段比原核生物多样化，转录起始时，多样化，转录起始时，RNA-pol不直接结合模不直接结合模板，其起始过程比原核生物复杂。板，其起始过程比原核生物复杂。2. 转录因子转录因子 能直接、间接辨认和结合转录上游区段能直接、间接辨认和结合转录上游区段DNA的蛋

13、白质，现已发现数百种，统称为的蛋白质，现已发现数百种，统称为反反式作用因子式作用因子(trans-acting factors)。 反式作用因子中，直接或间接结合反式作用因子中，直接或间接结合RNA聚合酶的，则称为聚合酶的，则称为转录因子转录因子(transcriptional factors, TF)。 参与参与RNA-pol转录的转录的TF 蛋白激酶活性，使蛋白激酶活性，使CTD磷磷酸化酸化TFHATPase57（ ） 34（ ）TFE解螺旋酶解螺旋酶30，74TFF促进促进RNA-pol结合及作结合及作为其他因子结合的桥梁为其他因子结合的桥梁33TFB稳定稳定TFD-DNA复合物复合物1

14、2，19，35TFA辅助辅助TBP-DNA结合结合TAF*结合结合TATA盒盒TBP* 38TFD功功能能亚基组成，分子量亚基组成，分子量(kD)转录因子转录因子蛋白激酶活性，使蛋白激酶活性，使CTD磷磷酸化酸化TFHATPase57（ ） 34（ ）TFE解螺旋酶解螺旋酶30，74TFF促进促进RNA-pol结合及作结合及作为其他因子结合的桥梁为其他因子结合的桥梁33TFB稳定稳定TFD-DNA复合物复合物12，19，35TFA辅助辅助TBP-DNA结合结合TAF*结合结合TATA盒盒TBP* 38TFD功功能能亚基组成，分子量亚基组成，分子量(kD)转录因子转录因子3. 转录起始前复合物转

15、录起始前复合物(pre-initiation complex, PIC) 真核生物真核生物RNA-pol不与不与DNA分子直接结分子直接结合，而需依靠众多的转录因子。合，而需依靠众多的转录因子。 POL-TFFAB由由RNA-Pol 催化转录的催化转录的PIC POL-TFFHETBPTAFTFD-A-B-DNA复合物复合物TATAABTBPTAFTATAHECTD-PPIC组装完成，组装完成，TFH使使CTD磷酸化磷酸化4. 模板理论模板理论(piecing theory) 一个真核生物基因的转录需要一个真核生物基因的转录需要3至至5个转个转录因子。转录因子之间互相结合，生成有活录因子。转录

16、因子之间互相结合，生成有活性，有专一性的复合物，再与性，有专一性的复合物，再与RNA聚合酶搭聚合酶搭配而有针对性地结合、转录相应的基因。配而有针对性地结合、转录相应的基因。 （二）转录延长（二）转录延长真核生物转录延长过程与原核生物大致相真核生物转录延长过程与原核生物大致相似，但因有核膜相隔，没有转录与翻译同步的似，但因有核膜相隔，没有转录与翻译同步的现象。现象。 RNA-pol前移处处都遇上核小体。前移处处都遇上核小体。 转录延长过程中可以观察到核小体移位和转录延长过程中可以观察到核小体移位和解聚现象。解聚现象。 RNA-PolRNA-PolRNA-Pol核小体核小体转转录录延延长长中中的的

17、核核小小体体移移位位转录方向转录方向5 -AAUAAA-5 -AAUAAA-核酸酶核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAA GTGTGTG转录终止的修饰点转录终止的修饰点5 5 3 3 3 3 加尾加尾AAAAAAA 3 mRNA（三）转录终止（三）转录终止 和转录后修饰密切相关。和转录后修饰密切相关。真核生物转录终止的特点真核生物转录终止的特点 真核生物真核生物mRNA带有聚腺苷酸尾巴的结带有聚腺苷酸尾巴的结构，这是转录之后加上的。构，这是转录之后加上的。 在模板链读码框架的在模板链读码框架的3端之后，常有一端之后，常有一组共同序列组共同序列AATAAA，再下游还有相当，再下游还有相

18、当多的多的GT序列，这些序列称为转录终止的序列，这些序列称为转录终止的修饰点。修饰点。真核生物的转录后修饰真核生物的转录后修饰Post-transcriptional Modification第三节第三节转录后的修饰转录后的修饰 转录生成的转录生成的RNA，称为，称为初级转录产物初级转录产物。 无论在真核生物或原核生物中，初级转无论在真核生物或原核生物中，初级转录产物都经过一定程度的修饰加工，才录产物都经过一定程度的修饰加工，才能表现其功能。能表现其功能。几种主要的修饰方式几种主要的修饰方式1. 剪接剪接(splicing)2. 剪切剪切(cleavage)3. 修饰修饰(modificati

19、on)4. 添加添加(addition)一、真核生物一、真核生物mRNA的转录后加工的转录后加工3端加上聚腺苷酸尾巴端加上聚腺苷酸尾巴 真核生物真核生物mRNA中中poly A的出现是不依赖于的出现是不依赖于DNA模板的。模板的。 加入加入poly A之前，先由核酸外切酶切去之前，先由核酸外切酶切去3末末端一些过剩的核苷酸，然后加入端一些过剩的核苷酸，然后加入polyA。 3端修饰也是在细胞核中，在剪接之前进行端修饰也是在细胞核中，在剪接之前进行的。的。 Poly A的有无与长短，是维持的有无与长短，是维持mRNA作为翻作为翻译模板的活性，以及增加译模板的活性，以及增加mRNA本身的稳本身的稳

20、定性。定性。3端修饰示意图端修饰示意图鸡卵清蛋白鸡卵清蛋白基因基因hnRNA首、尾修饰首、尾修饰hnRNA剪接剪接成熟的成熟的mRNA鸡鸡卵卵清清蛋蛋白白基基因因及及其其转转录、录、转转录录后后修修饰饰鸡卵清蛋白成熟鸡卵清蛋白成熟mRNA与与DNA杂交电镜图杂交电镜图DNAmRNA真核细胞真核细胞mRNA的剪接的剪接 DNA模板与模板与hnRNA是完全配是完全配对的，而成熟的对的，而成熟的mRNA与与hnRNA或或DNA杂交都只杂交都只是部分配对。是部分配对。 因此真核生物的因此真核生物的基因有基因有断裂性断裂性。内含子的功能内含子的功能 内含子有利于物种的进化选择内含子有利于物种的进化选择

21、调节功能调节功能二、二、tRNA的转录后加工的转录后加工 初级产物中有初级产物中有5端的端的16个碱基和反密码个碱基和反密码子环的子环的14个碱基需要去除。个碱基需要去除。二、二、tRNA的转录后加工的转录后加工tRNA前体前体RNA pol TGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNARNAaseP、内切酶内切酶tRNA核苷酸转移酶、核苷酸转移酶、连接酶连接酶ATPADP碱基修饰碱基修饰（2）还原反应）还原反应 如：如：U DHU （3）核苷内的转位反应）核苷内的转位反应 如：如：U （4）脱氨反应）脱氨反应 如：如：A I 如：如：A Am（1）甲基化）甲基化（1 1）（1 1）（3 3）（2 2）（4 4）涉及加工的反应涉及加工的反应 甲基化甲基化 还原还原 核苷内的转核苷内的转位反应位反应 脱氨反应脱氨反应 3端加上端加上CCA-OH三、三、rRNA的转录后加工的转录后加工转录转录45S - rRNA剪接剪接18S - rRNA5.8S和和28S-rRNArDNA内含子内含子内含子内含子28S5.8S18S