《rna生物合成》PPT课件.ppt

RNA Biosynthesis (Transcription) The biochemistry and molecular biology department of CMU RNA 生物合成 (转录) 第十一章 转录（transcription） 生物体以DNA为模板合成RNA的过程 。 转录 RNADNA 转录与复制的相似点： 1. 模板均为DNA； 2. 延长机理都是形成磷酸二酯 键； 3. 方向均为53。 转录和复制的区别 复制转录 模板DNA双链DNA的一条链 原料dNTP (N=A、G、C、T)NTP(N=A、G、C、U) 引物需要不需要 酶DNA聚合酶RNA聚合酶 产物DNARNA 配对A-T、G-CA-U、T-A、G-C 参与转录的物质 原料: NTP（ATP, UTP, GTP, CTP） 模板: DNA 酶: RNA聚合酶（RNA polymerase, RNA-pol） 其他蛋白质因子 第一节 转录的模板和酶 Templates of Transcription and Enzymes 一、转录模板 双链DNA分子中能作为模板转 录出RNA的那条链，称为模板链。又 叫有意义链（sense strand）或 Watson链。 另一条互补链称为编码链，又 叫反义链（antisense strand）或 Crick链。 转录产物RNA的碱基序列， 除了 T 变U 外，其余与编码链相同。 不对称转录 (asymmetric transcription) 在DNA分子双链上某一区段，一股 链可转录，另一股链不转录； 模板链并非永远在同一单链上。 二、RNA聚合酶（DDRP） 1. 原核生物的RNA聚合酶 E.coli的RNA聚合酶是由四种 亚基组成的六聚体（ 2 ） RNA聚合酶全酶及核心酶电泳图谱 E. coli RNA聚合酶组分 亚基分子量功 能 36512决定哪些基因被转录 150618催化功能 155613结合DNA模板 70263辨认起始点 其他原核生物的RNA聚合酶， 在结构、组成、功能上均与E.coli相似 。 原核生物的 RNA聚合酶都受 一类抗 结核药利福平或利福霉素的特异 性抑制。这类药物能与RNA聚合酶的 亚基特异结合，从而影响酶的活性。 RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合 2. 真核生物的RNA聚合酶 种类IIIIII 转录产物 45S- rRNA hnRNA 5S-rRNA tRNA, snRNA 对鹅膏蕈 碱的反应 不敏感极敏感中度敏感 RNA聚合酶、都由 多个 亚基组成。有些亚基是三种酶 所共有。 mRNA是各种RNA中寿命 最短、 最不稳定的，需经常重新合成 。因此RNA聚合酶是三种酶中最 活跃的。 三、酶与模板的辨认结合 原核生物一个转录区段可视为一 个转录单位，称为操纵子(operon)，包 括若干个结构基因及其上游(upstream) 的调控序列。 RNA聚合酶结合模板DNA的部 位称为启动子(promoter)。是调控转录 的关键部位。 RNA聚 合酶保护 法 开始转录 T T G A C A A A C T G T -35 区 T A T A A T Pu A T A T T A Py -10 区 1-30-5010-10-40-20 5 3 3 5 原核生物启动子保守序列 5 5 RNA聚合酶保护区结构基因 3 3 原核生物启动子 35区：一致性序列为TTGACA 是RNA-pol的辨 认位点 10区：一致性序列为TATAAT 又叫Pribnow盒 是RNA-pol的结 合位点 真核生物启动子 第二节 转录过程 The Process of Transcription 分为三个阶段： 起始(initiation) 延长 (elongation) 终止 (termination) 一、原核生物的转录过程 （一）转录起始 1. RNA聚合酶结合在转录模板的 起始区域。 2. DNA双链解开，以一条链为模 板，合成第一个磷酸二酯键。 2. DNA双链解开。 1. RNA聚合酶全酶(2)与模板结合。 3. 在RNA聚合酶作用下发生第一次聚合反 应，形成转录起始复合物。 5-pppG -OH + NTP 5-pppGpN - OH 3 + PPi 转录起始过程 RNApol (2) - DNA - pppGpN- OH 3 转录起始复合物 （二）转录延长 1. 亚基脱落，RNApol聚合酶核心酶变 构，与模板结合松弛，沿着DNA模板前 移； 2. 在核心酶作用下，NTP不断聚合， RNA链不断延长。 (NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPi 转录泡（transcription bubble）： 在转录延长过程中，由局 部打开的DNA双链、RNA聚合酶核心 酶及新生成的RNA三者结合在一起的 复合体，为空泡状结构，又称转录复合 物。 电镜下原核生物转录过程中的羽毛状现象 转录未完成，翻译已开始进行。 转录的起始及延长过程 (三) 转录终止 RNA聚合酶在DNA模板上 停顿下来，转录产物RNA链从转录复合 物上脱落下来。 分类： 依赖Rho ()因子的转录终 止 非依赖Rho因子的转录终 止 1. 依赖因子的转录终止 因子是同六聚体蛋白； 因子能结合RNA，与poly C的结合 力最强； 因子还有ATP酶和解螺旋酶的活性 。 2. 不依赖因子的转录终止 DNA模板上靠近终止处， 有特殊的碱基序列，转录出RNA后， RNA产物形成特殊的结构来终止转录。 茎环结构终止转录的机理 使RNA聚合酶变构，转录停顿； 使转录复合物趋于解离，RNA产物释 放。 二、真核生物的转录过程 （一）转录起始 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，RNA-pol不 直接结合模板，其起始过程比原核生物 复杂。 转录起始点 TATA盒 CAAT盒 GC盒 增强子 顺式作用元件(cis-acting element) 1. 转录起始前的上游区段 AATAAA 切离加尾 转录终止点 修饰点 外显子 翻译起始点 内 含 子 OCT-1 OCT-1：ATTTGCAT八聚体 2. 转录因子 能直接或间接辨认和结合转录上游区 段DNA的蛋白质，统称为反式作用因子 (trans-acting factors)。 反式作用因子中，直接或间接结合 RNA聚合酶的，则称为转录因子(trans- criptional factors, TF)。 参与RNA-pol 转录的TF 转录因子 亚基和(或)分子 量（kDa） 功能 TFDTBP，38结合TATA盒 TAF辅助TBP-DNA结合 TFA12，19，35稳定D-DNA复合物 TFB33促进RNA-pol结合 TFF30，74解螺旋酶 TFE 57()，34() ATPase TFH蛋白激酶，使CTD磷酸化 3. 转录起始前复合物 (pre-initiation complex, PIC) 真核生物RNA-pol不与DNA分子直接 结合，而需依靠众多的转录因子。 TBP TAF TF II H 4. 拼板理论(piecing theory) 一个真核生物基因的转录需要3至5个 转录因子。转录因子之间互相结合，生成 有活性和专一性的复合物，再与RNA聚合 酶搭配而有针对性地结合、转录相应的基 因。 （二）转录延长 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 译同步的现象。 RNA-pol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 位和解聚现象。 RNA-Pol RNA-Pol RNA-Pol 核小体 转 录 延 长 中 的 核 小 体 移 位 转录方向 （三）转录终止 第三节 真核生物的转录后 修饰 Post-transcriptional Modification 一、mRNA的转录后加 工 (一)首尾的修饰 1. 5-端加帽：m7GpppG 2. 3-端加尾：多聚腺苷酸 (poly A) 帽子结构 5 pppGp 5 GpppGp pppG PPi 鸟苷酸 转移酶 5 m7GpppGp 甲基转移酶 SAM 帽子结构的生成 5 ppGp 磷酸酶 Pi 加帽过程 （二）mRNA的剪接 1. hnRNA 和 snRNA 核内的初级mRNA称为杂化核RNA (hetero-nuclear RNA, hnRNA) snRNA (small nuclear RNA) 核内的蛋白质 小分子核糖核酸蛋白体 （并接体, splicesome） snRNA 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。 断裂基因(splite gene) 非编码区 AG编码区17 2. 外显子(exon)和内含子(intron) 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RNA的核酸序列。 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。 鸡卵清蛋白成熟mRNA与DNA杂交电镜图 鸡卵清蛋白 基因 hnRNA 首、尾修饰 hnRNA剪接 成熟的mRNA 鸡 卵 清 蛋 白 基 因 及 其 转 录 、 转 录 后 修 饰 3. 内含子的分类 I：主要存在于线粒体、叶绿体及某些低 等真核生物的 rRNA基因； II：也发现于线粒体、叶绿体，转录产物 是mRNA； III：是常见的形成套索结构后剪接，大 多数mRNA基因有此类内含子； IV：是tRNA基因及其初级转录产物中的 内含子，剪接过程需酶及ATP。 Unit of transcription in a DNA strand Transcript modification 35 4. mRNA的剪接 除去hnRNA中的内含子，将外显子连接。 snRNP与hnRNA结合成为并接体 二次转酯反应 RNA编辑作用说明，基因的编码序列 经过转录后加工，是可有多用途分化的， 因此也称为分化加工(differential RNA processing)。 5. mRNA的编辑(mRNA editing) 人类apo B基因 mRNA（14500个核苷酸） 肝脏 apo B100 （分子量为500 000） 小肠 apo B48 （分子量为240 000） mRNA编辑 二、tRNA的转录后加工 tRNA前体 TGGCNNAGTGCGGTTCGANNCC DNA RNAaseP、 内切酶 连接酶 tRNA核苷酸 转移酶 碱基修饰 （2）还原反应 如：U DHU （3）核苷内的转位反应 如：U （4）脱氨反应 如：A I 如：A Am （1）甲基化 （1） （1） （3） （2） （4） 三、rRNA的转录后加工 转录 剪接 18S - rRNA 5.8S和28S-rRNA rDNA 内含子内含子28S5.8S18S 45S - rRNA 四、核 酶 具有酶促活性的RNA称为核酶。 核酶(ribozyme) 四膜虫rRNA内含子的二级结构 最简单的核酶二级结构槌头状结构 (hammerhead structure) 底物部分 核酶研究的意义 核酶的发现，对中心法则作了重要补 充； 核酶的发现是对传统酶学的挑战； 利用核酶的结构设计合成人工核酶 。