《遗传学》第十一章-转录.ppt

1、遗传学第十一章-转录中心法则第一节第一节 原核生物的转录原核生物的转录一、模板一、模板 1、一次性合成、一次性合成RNA（原核特有），无（原核特有），无校正机制；校正机制；2、模板的识别；、模板的识别；3、模板链：反义链、非编码链、负链、模板链：反义链、非编码链、负链 非模板链：有义链、编码链、正链非模板链：有义链、编码链、正链 转录的不对称性转录的不对称性转录只以双链转录只以双链DNA中的一条链作为模板进行转录，中的一条链作为模板进行转录，将遗传信息由将遗传信息由DNA传递给传递给RNA的现象。的现象。4、RNA合成与合成与DNA复制的区别复制的区别Template（1，not 2；DNAR

2、NA）No primerNTPs instead of dNTPs(no deoxy-)Adds Uracil (U)instead of Thymine(T)RNA polymerase二、转录四步二、转录四步 模板识别模板识别 起始起始 延伸延伸 终止终止 三、三、RNA聚合酶聚合酶The overall reaction summarizing the synthesis of RNA on a DNA template can be expressed as n(NTP)(NMP)n +n(pp i )DNAenzyme(DNA dependent RNA polymerase)大肠杆

3、菌的大肠杆菌的RNA聚合酶结构聚合酶结构 其活性形式其活性形式(全酶全酶)由由4种不同的多肽种不同的多肽链构成，按分子量大小排列 分 别 为链构成，按分子量大小排列 分 别 为,。每分子每分子RNA聚合酶除有两个聚合酶除有两个亚基外，其余亚基均只有一个，故全酶亚基外，其余亚基均只有一个，故全酶为：为：2 全酶：全酶：全酶形状为椭圆球形,可结合约60个核苷酸。（1）亚基：亚基：识别启动子，起始转录。亚基和其他肽链的结合不很牢固，易脱离全酶。（2）核心酶：全酶脱离核心酶：全酶脱离亚基剩下的亚基剩下的2称为称为核心酶。核心酶本身就能催化核苷酸间磷酸二核心酶。核心酶本身就能催化核苷酸间磷酸二酯键的形成

4、。即可合成酯键的形成。即可合成RNA，但但RNA合成起合成起始点无特异性。始点无特异性。亚基：是酶和核苷酸底物结合的部位和亚基：是酶和核苷酸底物结合的部位和催化位点。利福平催化位点。利福平(rifampicin)和利福霉和利福霉素素(rifamycin)通过结合通过结合亚基，对全酶有亚基，对全酶有强烈的抑制作用，阻止强烈的抑制作用，阻止RNA延伸，抑制延伸，抑制RNA合成。合成。亚基：其作用是与模板亚基：其作用是与模板DNADNA相结合。相结合。亚基的碱性较强，适于与模板亚基的碱性较强，适于与模板DNADNA相相结合。肝素是一种多价阴离子，能和结合。肝素是一种多价阴离子，能和亚基结合，从而抑制

5、亚基结合，从而抑制DNADNA与与RNARNA聚合酶相聚合酶相结合，进一步抑制转录作用。结合，进一步抑制转录作用。亚基：参与全酶组装，使全酶和启动子亚基：参与全酶组装，使全酶和启动子牢固结合。牢固结合。RNARNA聚合酶的作用聚合酶的作用识别启动子。主要依赖于识别启动子。主要依赖于 亚基，亚基，亚亚基只参与转录的起始，并决定转录的方基只参与转录的起始，并决定转录的方向。向。与与DNADNA结合并使之解链，另外还具有解结合并使之解链，另外还具有解旋、重新使旋、重新使DNADNA螺旋化作用。螺旋化作用。催化催化RNARNA聚合反应。负责三种聚合反应。负责三种RNARNA合成。合成。RNARNA聚合

6、酶核心酶通过与不同的聚合酶核心酶通过与不同的 亚基亚基结合，识别不同的启动子。结合，识别不同的启动子。四、启动子四、启动子1、定义：启动子是、定义：启动子是DNA分子上被分子上被RNA聚合酶识聚合酶识别并结合形成起始转录复合物的区域，它还包别并结合形成起始转录复合物的区域，它还包括一些调节蛋白因子的结合位点。括一些调节蛋白因子的结合位点。2、原核生物启动子的结构、原核生物启动子的结构 （1）转录起始位点：常为嘌呤。）转录起始位点：常为嘌呤。（2）10序列：序列：“TATATT”，10序列又称为序列又称为Pribnow盒，或盒，或TATA盒，是盒，是 RNA聚合酶全酶的聚合酶全酶的紧紧密结合位点

7、密结合位点。决定着转录方向决定着转录方向。10序列的碱基组序列的碱基组成对转录的效率影响很大。成对转录的效率影响很大。（3）35序列：序列：“TTGACA”，Sextama盒，盒，35序列是序列是RNA聚合酶全酶的聚合酶全酶的识别位点识别位点，对全酶有很，对全酶有很高的亲和性。若高的亲和性。若35序列发生突变或缺失，将大大序列发生突变或缺失，将大大降低对全酶的亲和性，即降低降低对全酶的亲和性，即降低RNA聚合酶与启动子聚合酶与启动子的结合速度，但不影响转录起始位点附近的结合速度，但不影响转录起始位点附近DNA 双链双链的解开。的解开。（4）10序列和序列和35序列之间的距离：很稳定，序列之间的

8、距离：很稳定，16-18bp。原核生物启动子的序列长约20200bp不等。E.coli典型的启动子结构（80bp）如下：原核生物亦有少数启动子缺乏这两个序列（-35和-10)之一。在这种情况下，RNA聚合酶往往不能单独识别这种启动子，而需要有辅助蛋白质的帮助。结合位点结合位点TGTTGACATATAAT起始位点起始位点1018bp58bp-35序列序列-10序列序列CAP-cAMPCAP：降解物激活蛋白：降解物激活蛋白模板识别后的基本过程：起始模板识别后的基本过程：起始Step 1-Initiation1.RNA polymerase combines with sigma factor(a

9、polypeptide)to create RNA polymerase holoenzyme全酶全酶2.RNA polymerase holoenzyme binds promoters and untwists解旋解旋 DNA 3.Different types and levels of sigma factors influence the level and dynamics动力学动力学 of gene expression(how much and efficiency).模板识别后的基本过程：延伸模板识别后的基本过程：延伸Step 2-Elongation1.After 8-9

10、bp of RNA synthesis occurs,sigma factor is released and recycled for other reactions.2.RNA polymerase completes the transcription at 30-50 bp/s.3.DNA untwists rapidly,and re-anneals behind the enzyme.4.Part of the new RNA strand is hybrid DNA-RNA,but most RNA is displaced as the helix reforms.模板识别后的

11、基本过程：终止模板识别后的基本过程：终止Step 3-TerminationTwo types of terminator sequences occur in prokaryotes:1.Type I(-independent)不依赖不依赖因子的终止子（强终止子）因子的终止子（强终止子）如图所示，RNA的一段短的双螺旋和富含U的序列如何导致终止作用和RNA链的释放的。（a）是延伸复合物恰好完成富含U的RNA链；（b）RNA-RNA杂交物（发夹）的形成破坏了一部分RNA-DNA杂交链，仅留下多聚U与多聚A的一段杂交链；（c）多聚U与多聚A杂交物解离，转录本即被释放。转录本：由一条基因通过转录形

12、成的一种或多种可供编码蛋白质的成熟的转录本：由一条基因通过转录形成的一种或多种可供编码蛋白质的成熟的mRNA。终止子：终止子：提供转录停止信号的提供转录停止信号的DNADNA序列称序列称为终止子为终止子(terminator)terminator)。终止子的作用终止子的作用是在是在DNADNA模板的特异位点处终止模板的特异位点处终止RNARNA的合的合成。成。因子具有依赖因子具有依赖RNA的的ATPase活性和解活性和解旋酶活性，结合在旋酶活性，结合在RNA上。上。2.Type II(-dependent)依赖依赖因子的终止子因子的终止子Involves factor proteins,bel

13、ieved to break the hydrogen bonds between the template DNA and RNA.第二节第二节 真核生物的转录真核生物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真核的转录有很多蛋白质因子的介 入。入。Eukaryotes poss

14、ess three RNA polymerases:1.RNA polymerase I,transcribes three major rRNAs 28S,18S,5.8S2.RNA polymerase II,transcribes pre-mRNA and some snRNAs3.RNA polymerase III,transcribes tRNAs,5S rRNA,and snRNAs*S values(沉降系数沉降系数)of rRNAs refer to molecular size,as determined in a sucrose gradientCharacteristi

15、cs of the Three Polymerases of Eukaryotes Enzyme Location Products RNA polymerase I Nucleolus核仁核仁 Ribosomal RNAs (excluding 5S rRNA)RNA polymerase II Nucleus核质核质 Nuclear Pre-mRNAsRNA polymerase III Nucleus核质核质 tRNA 5SrRNA and other small nuclear RNAs真核生物的启动子真核生物的启动子 三种三种RNA聚合酶，三种启动子聚合酶，三种启动子 RNA pol

16、ymerase I识别的启动子：三种识别的启动子：三种rRNA基因成簇存在，一个转录产物，加工成为三种基因成簇存在，一个转录产物，加工成为三种rRNA。包括核心启动子（起始转录）和上游。包括核心启动子（起始转录）和上游控制元件（提高转录起始效率）。控制元件（提高转录起始效率）。RNA polymerase II识别的启动子：核心启动子识别的启动子：核心启动子和上游启动子元件。和上游启动子元件。核心启动子：核心启动子：TATA框（框（-25-30bp），选择正，选择正确的起始位点，影响转录效率；确的起始位点，影响转录效率；TFIIB识别序识别序列（列（BRE，-32-37bp），影响转录起始点的

17、选，影响转录起始点的选择；择；起始子（起始子（InR，-2+4bp），），提供识别。提供识别。上游启动子元件：上游启动子元件：CAAT框（框（-75bp），决定启），决定启动子起始转录的效率和频率；动子起始转录的效率和频率；GC框（框（-90 bp），），决定启动子起始转录的效率；八聚体框，转录决定启动子起始转录的效率；八聚体框，转录因子识别位点。因子识别位点。Typical gene transcribed by RNA Pol IIT82A97T93A85 A83 TATA box(Hogness box)A63 a50 t37 t37-25CAAT box GC CAATCTCT-75E

18、nhancer (far upstream sequence,-100)起始子起始子（initiatorinitiator，InRInR）mRNAmRNA的第一个碱基倾向的第一个碱基倾向A A 位于位于-2 2+4 4 提供提供RNA polRNA pol识别。识别。无论无论TATATATA是否存在，是否存在，InrInr对启动子的强度对启动子的强度和起始位点的选择都是重要的和起始位点的选择都是重要的 。RNA polymerase III识别的启动子：识别的启动子：（1）I型基因内启动子：型基因内启动子：5S rRNA，基因内启，基因内启动子（非洲爪蟾，动子（非洲爪蟾，5580）（2）II型

19、基因内启动子：型基因内启动子：tRNAs。（3）III型基因外启动子：型基因外启动子：scRNAs，具，具TATA框，上游启动子。框，上游启动子。远端调控：增强子远端调控：增强子 增强启动子的转录活性。增强启动子的转录活性。其特点是：其特点是：具有远距离效应。（具有远距离效应。（200bp）无方向性。（无方向性。（5-GGTGTGGAAAG-3）顺式调节。顺式调节。无物种和基因的特异性。无物种和基因的特异性。具有组织特异性。具有组织特异性。其作用和其作用和DNA的构象有关等。的构象有关等。Introduction to RNA processing 1.5 capping2.3 cleavag

20、e and polyadenylation3.RNA splicing剪接剪接(nuclear pre-mRNA)三、真核生物的转录后加工三、真核生物的转录后加工Eukaryotic mRNA processing overview5 capping 5 end of pre-mRNA is covalently共价共价 modified 7-methylguanosine is added Linked 5 to 5 Occurs shortly after initiationRNA TriphosphataseGuanylyl TransferaseMethyl TransferaseM

21、ethyl TransferaseFunction of 5 cap Protection from degradation Splicing of first exon Transport to cytoplasm Increased translational efficiency3 cleavage and polyadenylation RNA polymerase II does not usually terminate at distinct site Pre-mRNA is cleaved 20 nucleotides downstream of polyadenylation

22、 signal(AAUAAA)200 AMPs are then added to the 3 end Almost all mRNAs have poly(A)tailCPSF:Cleavage and Polyadenylation Specificity FactorCStF:Cleavage Stimulation FactorPAP:Poly A Polymerase Function of poly(A)tail Increased mRNA stability Increased translational efficiency Splicing of last intronNu

23、clear pre-mRNA splicing Introns:non-coding sequences Exons:coding sequences RNA splicing:removal of introns and joining of exons Splicing mechanism must be precise to maintain open reading frame Catalyzed催化催化 by spliceosome剪接体剪接体(RNA+protein)Overview of mRNA processing in eukaryotes Interrupted or d

24、iscontinuous genes intron and exon(extron)断裂基因断裂基因 所谓断裂基因是指基因的编码序列在所谓断裂基因是指基因的编码序列在DNA分子上不是连续排列的，而是被不分子上不是连续排列的，而是被不编码的序列所隔开。编码的序列所隔开。包括：外显子和内含子。包括：外显子和内含子。真核中的例外：组蛋白和干扰素基因。真核中的例外：组蛋白和干扰素基因。基因的大小取决于内含子的长度和数目。基因的大小取决于内含子的长度和数目。重叠基因重叠基因 两个邻近的基因以一种特殊的方式发生两个邻近的基因以一种特殊的方式发生重叠，并以不同的可读框被阅读并表达，重叠，并以不同的可读框被阅

25、读并表达，因此一段相同的因此一段相同的DNA序列可以编码两个序列可以编码两个非同源蛋白质。非同源蛋白质。重叠的距离相对较短，亦有例外。重叠的距离相对较短，亦有例外。Chambon等发现内含子切割位点有等发现内含子切割位点有2个特点个特点（1 1）内含子的两个末端并不存在同源或互补。）内含子的两个末端并不存在同源或互补。这就排除了存在二级结构的可能。这就排除了存在二级结构的可能。（2 2）连接点具有很短的保守序列，称为边界顺）连接点具有很短的保守序列，称为边界顺序。其规律称为序。其规律称为GT-AGGT-AG法则（法则（GT-AG rule)GT-AG rule)或或ChambonChambon

26、法则。法则。左边的剪接位点称供体（左边的剪接位点称供体（donordonor）位点，位点，右边的剪接位点称受体（右边的剪接位点称受体（acceptoracceptor）位点。位点。边界顺序边界顺序http:/asia.ensembl.org/Homo_sapiens/Gene/Sequence?db=core;g=ENSG00000096968;r=9:4985033-5128183JAK2 I类内含子类内含子属自催化属自催化剪接（剪接（低等真核生低等真核生物，如物，如四膜虫四膜虫rRNA）类内含子也属自催化剪接（酵母类内含子也属自催化剪接（酵母mtRNA，真核，真核mRNA前体）前体）核核m

27、RNA前体内含子的切除是由剪接前体内含子的切除是由剪接体完成的。体完成的。mRNA Differences between prokaryotes and eukaryotes:Prokaryotes原核原核1.mRNA transcript is mature,and used directly for translation without modification.2.Since prokaryotes lack a nucleus,mRNA also is translated on ribosomes before it is transcribed completely(i.e.,

28、transcription and translation are coupled).3.Prokaryote mRNAs are polycistronic多顺反子多顺反子,they contain amino acid coding information for more than one gene.Eukaryotes真核真核1.mRNA transcript is not mature(pre-mRNA)and must be modified by processing.2.Transcription and translation are not coupled.3.Eukaryote mRNAs are monocistronic单顺反子单顺反子,they contain amino acid for just one gene.