第14章RNA的生物合成课件.ppt

1、第一节第一节 RNA生物合成概况生物合成概况转录转录 (transcription)是是生物体以生物体以DNA为为模板合成模板合成RNA的过程的过程 。转转录录RNADNA 复制和转录的区别复制和转录的区别A-U，T-A，G-CA-T，G-C配对配对mRNA，tRNA，rRNA子代双链子代双链DNA（半保留复制）半保留复制）产物产物RNA聚合酶（聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶聚合酶酶酶NTPdNTP原料原料模板链转录（不对称转录）模板链转录（不对称转录）两股链均复制两股链均复制模板模板转录转录复制复制A-U，T-A，G-CA-T，G-C配对配对mRNA，tRNA，rRNA子代双链子代双链

2、DNA（半保留复制）半保留复制）产物产物RNA聚合酶（聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶聚合酶酶酶NTPdNTP原料原料模板链转录（不对称转录）模板链转录（不对称转录）两股链均复制两股链均复制模板模板转录转录复制复制引物引物 RNA 不需要不需要 n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-pol)其他蛋白质因子其他蛋白质因子5GCAGTACATGTC 33 c g t g a t g t a c a g 55GCAGUACAUGUC 3NAla Val His Val C编码链编码链模板链模板链mRNA

3、蛋白质蛋白质转录转录翻译翻译 DNA双链中按碱基配对规律能指引转录生成双链中按碱基配对规律能指引转录生成RNA的一股单链，称为模板链，也称作有意义链或负的一股单链，称为模板链，也称作有意义链或负链。相对的另一股单链是编码链，也称为反义链链。相对的另一股单链是编码链，也称为反义链或正链。或正链。第二节第二节原核生物的转录原核生物的转录一、一、RNA聚合酶聚合酶（1）RNA聚合酶能直接启动聚合酶能直接启动RNA链的合成链的合成 DNA依赖的依赖的RNA聚合酶催化合成聚合酶催化合成RNA；RNA合成的化学机制与合成的化学机制与DNA依赖的依赖的DNA聚合酶聚合酶催化催化DNA合成相似。合成相似。(N

4、MP)n+NTP (NMP)n+1+PPiRNA延长的延长的RNA DNA聚合酶在启动聚合酶在启动DNA链延长时需要引物存链延长时需要引物存在，而在，而RNA聚合酶不需要引物就能直接启动聚合酶不需要引物就能直接启动RNA链的延长。链的延长。RNA聚合酶和聚合酶和DNA的特殊序列的特殊序列启动子启动子(promoter)结合后，就能启动结合后，就能启动RNA合成。合成。（2）RNA聚合酶由多个亚基组成聚合酶由多个亚基组成 36512 决定哪些基因被转录决定哪些基因被转录 150618 催化功能催化功能 155613 结合结合DNA模板模板 70263 辨认起始点辨认起始点亚亚 基基分分 子子 量

5、量功功 能能核心酶核心酶(core enzyme)全酶全酶(holoenzyme)转录起始阶段转录起始阶段转录延长阶段转录延长阶段 转录是不连续、分区段进行的。转录是不连续、分区段进行的。每一转录区段可视为一个转录单位，称为操纵每一转录区段可视为一个转录单位，称为操纵子子(operon)。操纵子包括若干个结构基因及其上。操纵子包括若干个结构基因及其上游的调控序列。游的调控序列。5 3 3 5 结构基因结构基因调控序列调控序列RNA-pol调控序列中的启动子是调控序列中的启动子是RNA聚合酶结合模板聚合酶结合模板DNA的部位，也是控制转录的关键部位。的部位，也是控制转录的关键部位。原核生物以原核

6、生物以RNA聚合酶全酶结合到聚合酶全酶结合到DNA的启动子的启动子上而起动转录，其中由上而起动转录，其中由亚基辨认启动子，其他亚亚基辨认启动子，其他亚基相互配合。基相互配合。nRNA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: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。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。1、转录起始需要、转录起始需要RNA聚合酶全酶聚合酶全酶n转录起始需解决两个问题：转录起始需解决两个问题：二、原核生物的转录过程2.DNA双链局部解开，形成开放转录复合体；双链局部解开

7、，形成开放转录复合体；1.RNA聚合酶全酶聚合酶全酶(2)与模板结合，形成闭与模板结合，形成闭合转录复合体；合转录复合体；3.在在RNA聚合酶作用下发生第一次聚合反应，形聚合酶作用下发生第一次聚合反应，形成转录起始复合物：成转录起始复合物：RNApol(2)-DNA-pppGpN-OH 3 转录起始复合物转录起始复合物:5-pppG-OH +NTP 5-pppGpN-OH 3 +ppin转录起始过程：转录起始过程：第一个磷酸二酯键生成后，第一个磷酸二酯键生成后，亚基即从转录起亚基即从转录起始复合物上脱落，核心酶连同四磷酸二核苷始复合物上脱落，核心酶连同四磷酸二核苷酸，继续结合于酸，继续结合于D

8、NA模板上，酶沿模板上，酶沿DNA链前链前移，进入延长阶段。移，进入延长阶段。2、原核生物的转录延长时蛋白质的原核生物的转录延长时蛋白质的翻译也同时进行翻译也同时进行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.在核心酶作用下，在核心酶作用下，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转录空泡转录空泡(transcription bubble)：RNA-pol（核心酶）（核心酶）DNA RNAn转录延长：转录延长：5 3 DNAn原核生物

9、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聚合酶聚合酶在同一在同一DNA模板上，有多个转录同时在进行；模板上，有多个转录同时在进行；转录尚未完成，翻译已在进行。转录尚未完成，翻译已在进行。这种形状说明：这种形状说明：依赖依赖Rho 因子的转录终止因子的转录终止非依赖非依赖Rho因子的转录终止因子的转录终止3、原核生物转录终止分为依赖、原核生物转录终止分为依赖(Rho)因因子与非依赖子与非依赖因子两大类因子两大类n依据是否需要蛋白质因子的参与，原核生物依据是否需要蛋白质因子的参与，原核生物转录终止分为：转录终止分为：因子是由相同亚基组成的六聚体蛋白质，因子是由相

10、同亚基组成的六聚体蛋白质，亚基分子量亚基分子量46kD。因子能结合因子能结合RNA，又以对，又以对poly C的结合力的结合力最强。最强。因子还有因子还有ATP酶活性和解螺旋酶酶活性和解螺旋酶(helicase)的活性。的活性。（1）依赖）依赖因子的转录终止因子的转录终止n因子：因子：n因子的作用原理：因子的作用原理：目前认为，目前认为，因子终止转录的作用是：与因子终止转录的作用是：与RNA转转录产物结合，结合后录产物结合，结合后因子和因子和RNA聚合酶都可发聚合酶都可发生构象变化，从而使生构象变化，从而使RNA聚合酶停顿，解螺旋聚合酶停顿，解螺旋酶的活性使酶的活性使DNA/RNA杂化双链拆离

11、，利于产物杂化双链拆离，利于产物从转录复合物中释放从转录复合物中释放。（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。5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU.3 5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU.3 RNA 5 TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGAT

12、GGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT.3 DNA UUUU.UUUU.5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU.3近终止区的转录产物形成发夹近终止区的转录产物形成发夹(hairpin)结构结构是非依赖是非依赖因子终止的普遍现象。因子终止的普遍现象。n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真核生物的转录过程真核生物的转录

13、过程第二节第二节真核生物的转录过程比原核复杂。二者的转录真核生物的转录过程比原核复杂。二者的转录起始过程有较大区别，转录终止也不相同。起始过程有较大区别，转录终止也不相同。一、一、真核生物有三种真核生物有三种DNA依赖性依赖性RNA聚合酶聚合酶n 真核生物具有真核生物具有3种不同的种不同的RNA聚合酶聚合酶:RNA聚合酶聚合酶（RNA Pol）RNA聚合酶聚合酶（RNA Pol）RNA聚合酶聚合酶（RNA Pol）真核生物的真核生物的RNARNA聚合酶聚合酶种类种类对鹅膏蕈碱对鹅膏蕈碱的反应的反应5.8S-rRNAsnRNA5S-rRNAtRNA5SRNA不敏感不敏感高度敏感高度敏感中度敏感中

14、度敏感转录产物转录产物18S rRNAmRNA 定位定位 核仁核仁 核质核质 核质核质（一）转录起始前的上游区段具有启动子核心（一）转录起始前的上游区段具有启动子核心序列序列 不同物种、不同细胞或不同的基因，转录起始不同物种、不同细胞或不同的基因，转录起始点上游可以有不同的点上游可以有不同的DNA序列，但这些序列都序列，但这些序列都可统称为顺式作用元件可统称为顺式作用元件(cis-acting element)。n一个典型的真核生物基因上游序列一个典型的真核生物基因上游序列:53调控序列调控序列TATA盒盒InrYYAN YYTA-30+1TATAAA顺式作用元件包括启动子、启动子上游元件等顺

15、式作用元件包括启动子、启动子上游元件等近端调控元件和增强子等远隔序列。近端调控元件和增强子等远隔序列。起始点上游多数有共同的起始点上游多数有共同的TATA序列，称为序列，称为Hognest盒或盒或TATA盒盒(TATA box)。通常认为这。通常认为这就是启动子的核心序列。就是启动子的核心序列。许多许多RNA聚合酶聚合酶II识别的启动子具有保守的共有识别的启动子具有保守的共有序列：位于转录起始点附近的起始子序列：位于转录起始点附近的起始子(intiator，Inr)。启动子上游元件是位于启动子上游元件是位于TATA盒上游的盒上游的DNA序列，序列，多在转录起始点约多在转录起始点约-40-100

16、nt的位置，比较常见的位置，比较常见的是的是GC盒和盒和CAAT盒。盒。增强子是能够结合特异基因调节蛋白，增强子是能够结合特异基因调节蛋白，促进邻近促进邻近或远隔特定基因表达的或远隔特定基因表达的DNA序列。序列。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n顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element)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（二）（二）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D

17、NA的的蛋白质，现已发现数百种，统称为反式作用因蛋白质，现已发现数百种，统称为反式作用因子子(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聚合酶聚合酶的，则称为转录因子的，则称为转录因子(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12，1

18、9，35TFA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RNA聚合酶聚合酶II与启动子的结合、启

19、动转录需要多与启动子的结合、启动转录需要多种蛋白质因子的协同作用。种蛋白质因子的协同作用。通常包括：可诱导因子或上游因子与增强子或启通常包括：可诱导因子或上游因子与增强子或启动子上游元件的结合；通用转录因子在启动子处动子上游元件的结合；通用转录因子在启动子处的组装；辅激活因子和的组装；辅激活因子和/或中介子在通用转录因子或中介子在通用转录因子/RNA聚合酶聚合酶II复合物与可诱导因子、上游因子之复合物与可诱导因子、上游因子之间的辅助和中介作用。间的辅助和中介作用。因子和因子之间互相辨认、结合，以准确地控制因子和因子之间互相辨认、结合，以准确地控制基因是否转录、何时转录。基因是否转录、何时转录。

20、转录因子转录因子 具体组分具体组分 结合序列结合序列 功能功能 基本组分基本组分 TBP,TFA,B,E,G,F和和H TBP结合结合TATA盒盒 转录起始定位；转录起始定位；转转录起始和延长录起始和延长 辅激活因子辅激活因子 TAFs和中介和中介子子 在可诱导因子和上游在可诱导因子和上游因子与基本转录因子、因子与基本转录因子、RNA聚合酶结合中聚合酶结合中起联结和中介作用起联结和中介作用 上游因子上游因子 SP1、ATF、CTF等等 启动子上游启动子上游元件元件 协助基本转录因子，协助基本转录因子，提高转录效率和专一提高转录效率和专一性性 可诱导因子可诱导因子 如如MyoD、HIF-1等等

21、增强子等远增强子等远隔调控序列隔调控序列 时间和空间（组织）时间和空间（组织）特异性地调控转录特异性地调控转录（三）（三）转录起始前复合物转录起始前复合物真核生物真核生物RNA-pol不与不与DNA分子直接结合，分子直接结合，而需依靠众多的转录因子，形成转录起始复合物而需依靠众多的转录因子，形成转录起始复合物(pre-initiation complex,PIC)。nPIC的形成的形成三三、真核生物转录延长过程中没有、真核生物转录延长过程中没有转录与翻译同步的现象转录与翻译同步的现象真核生物转录延长过程与原核生物大致相似，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

22、步的现象。但因有核膜相隔，没有转录与翻译同步的现象。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解聚转录延长过程中可以观察到核小体移位和解聚现象。现象。RNA-PolRNA-PolRNA-Pol核小体核小体转转录录延延长长中中的的核核小小体体移移位位转录方向转录方向四、真核生物的转录终止和加尾修饰四、真核生物的转录终止和加尾修饰同时进行同时进行真核生物的转录终止，是和转录后修饰密切相真核生物的转录终止，是和转录后修饰密切相关的。关的。真核生物真核生物mRNA有聚腺苷酸有聚腺苷酸(poly A)尾巴结构，尾巴结构，是转录后才加进去的。是转录后才加

23、进去的。转录不是在转录不是在poly A的位置上终止，而是超出数的位置上终止，而是超出数百个乃至上千个核苷酸后才停顿。已发现，在百个乃至上千个核苷酸后才停顿。已发现，在读码框架的下游，常有一组共同序列读码框架的下游，常有一组共同序列AATAAA，再下游还有相当多的再下游还有相当多的GT序列。这些序列称为序列。这些序列称为转录终止的修饰点。转录终止的修饰点。真核生物真核生物RNA的加工的加工第三节第三节真核生物转录生成的真核生物转录生成的RNA分子是初级分子是初级RNA转转录物录物(primary RNA transcript)，几乎所有的初，几乎所有的初级级RNA转录物都要经过加工，才能成为具

24、有功转录物都要经过加工，才能成为具有功能的成熟的能的成熟的RNA。加工主要在细胞核中进行。加工主要在细胞核中进行。n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(modification)4.添加添加(addition)一、真核生物一、真核生物mRNA的加工包括的加工包括首、尾修饰和剪接首、尾修饰和剪接（一）前体（一）前体mRNA在在5-末端加入末端加入“帽帽”结构结构大多数真核大多数真核mRNA的的5-末端有末端有7-甲基鸟嘌呤甲基鸟嘌呤的帽结构。的帽结构。这个真核这个真核mRNA加工过程的起始步骤由两种加工过程的起始步

25、骤由两种酶，加帽酶酶，加帽酶(capping enzyme)和甲基转移酶和甲基转移酶(methyltransferase)催化完成。催化完成。5 pppGp5 GpppGppppG ppi鸟苷酸鸟苷酸转移酶转移酶5 m7GpppGp甲基转移酶甲基转移酶SAMn帽子结构的生成过程：帽子结构的生成过程：5 ppGp磷酸酶磷酸酶 Pi可以使可以使mRNA免遭核酸酶的攻击；免遭核酸酶的攻击；也能与帽结合蛋白质复合体结合，并参与也能与帽结合蛋白质复合体结合，并参与mRNA和核糖体的结合，启动蛋白质的生物合和核糖体的结合，启动蛋白质的生物合成。成。（二）前体（二）前体mRNA在在3端特异位点断裂并加上端特

26、异位点断裂并加上多聚腺苷酸尾多聚腺苷酸尾 尾部修饰是和转录终止同时进行的过程。尾部修饰是和转录终止同时进行的过程。poly A的有无与长短，是维持的有无与长短，是维持mRNA作为翻译模作为翻译模板的活性，以及增加板的活性，以及增加mRNA本身稳定性的因素。本身稳定性的因素。一般真核生物在胞浆内出现的一般真核生物在胞浆内出现的mRNA，其，其poly A长度为长度为100至至200个核苷酸之间，也有少数例外。个核苷酸之间，也有少数例外。前体前体mRNA分子的断裂和加多聚腺苷酸尾是多分子的断裂和加多聚腺苷酸尾是多步骤过程。步骤过程。AAUAAAG/U53Poly(A)信号信号Poly(A)位点位点

27、mRNACPSFG/U53CPSFCFI,CFII,CStFCPSFCStFCFICFIIPAPCPSFCStFCFICFIIPAPATPG/UPPPiCFIICFICStF慢速多腺苷酸化慢速多腺苷酸化PABCPSFAAAAAAAAAAOHPAPATPPPiPAB快速快速多腺苷酸化多腺苷酸化CPSFAAAAAAAAAA AAAAAAAAAAHOAAAAAAAAAAPAPCPSFAAAAAAAAAAOHPAP真核生物结构基因，由若干个编码区和非真核生物结构基因，由若干个编码区和非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组

28、成编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。断裂基因断裂基因(splite gene)CABD编码区编码区 A、B、C、D非编码区非编码区2.外显子外显子(exon)和内含子和内含子(intron)外显子：在断裂基因及其初级转录产物上出外显子：在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟现，并表达为成熟RNA的核酸序列。的核酸序列。内含子：隔断基因的线性表达而在剪接过程内含子：隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列。中被除去的核酸序列。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