RNA的生物合成转录.ppt

第十二章 RNA的生物合成 ( RNA Biosynthesis Transcription ) Reverse transcription 中心法则 (Central Dogma) Replication 贮存遗传信息 直接模板 有功能的产物 复制转录 翻译 转录(transcription)： 以DNA单链为模板，NTP为原料 ，在DNA依赖的RNA聚合酶催化下合 成RNA链的过程。 RNA聚合酶 第一节 RNA聚合酶及RNA转录的一般特点 General Survey of RNA Synthesis 模板： 酶： 原料： 产物： 配对： 方向： 引物： DNA(不对称转录） RNA聚合酶 NTP mRNA,tRNA,rRNA,小RNA A-U,T-A,G-C 5 3 不需要 转 录 的 条 件 一、DNA指导的RNA聚合酶 (DNA directed RNA polymerase, DDRP) 模板：双链DNA中的一条链 底物：四种核糖核苷三磷酸（ATP、GTP、CTP和 UTP） 反应条件：二价金属离子，如Mg2+和Mn2+。 RNA聚合酶 (NMP)n + NTP (NMP)n+1 + PPi 真核生物的RNA聚合酶 表12-1 真核生物RNA聚合酶的种类类和性质质 种类类 I型 II型 III型 线线粒体RNA（Mt型） 分子量 5.5105 6105 6105 6.46.8104 分布 核仁 核质质 核质质 线线粒体 转录产转录产 物 5.8S、18S、28S mRNA前体 tRNA前体 线线粒体RNA rRNA前体 5S rRNA 对对利福平 不敏感 不敏感 不敏感 敏感 敏感性 对鹅对鹅 膏蕈碱 不敏感 非常敏感 敏感 不敏感 敏感性 转录转录 因子 TF I TF II TF III 复制以DNA为模板合成DNA的过程； 转录以DNA为模板合成RNA的过程。 相同点 都是酶促核苷酸聚合过程； 都以DNA为模板； 合成方向都是5-3； 核苷酸之间都以磷酸二酯键相连； 服从碱基互补配对规律； 二、比较复制和转录的异同 不同点 复 制 两条链均复制 dNTP A-T、G-C DNA聚合酶 子代双链DNA 需要RNA引物 不需要 转 录 模板链转录（不对称 ） NTP A-U、T-A、G-C RNA聚合酶 mRNA/tRNA/rRNA 不需要引物 需要 模板 原料 碱基配对 聚合酶 产物 引物 加工 转录因子（transcription factors，TF） 能结合到DNA的特殊序列并且与RNA聚合酶结合， 促进转录的蛋白质因子。 TF I： 促进RNA聚合酶I转录 TF II：促进RNA聚合酶II（TFIIA，B，D，E，F，H ） TF III：促进RNA聚合酶III转录。 反式作用因子 不对称转录(asymmetric transcription): 在DNA双链分子的某一区段，一股链可转录 ，另一股链不转录，模板链也并非永远在同一 单链上的转录方式。 5 3 3 5 箭头方向为转录方向；深色链为模板链。 3-CGTCATGTACAG-5模板链 5-GCAGTACATGTC-3编码链 5-GCAGUACAUGUC-3mRNA N -Ala-Val-His-Val-C 蛋白质 转录 翻译 mRNA序列与编码链一样（U-T） 。 原核细胞 真核细胞 转录过程：起始延长终止 转录单位（transcription unit）： RNA聚合酶作用的起始点与终止点之间的 DNA序列。 转录起始位点： 合成RNA链的DNA的第一个核苷酸位点（+1） 。 第二节 真核生物的转录过程 真核生物与转录起始有关的结构 顺式作用元件（cis-acting element）： 存在于基因的旁侧序列中，能影响自身基因 表达的序列。包括启动子、增强子、沉默子等。 反式作用因子（trans-acting factor）： 能直接或间接识别并特异地与顺式作用元 件结合，参与基因表达调控的蛋白因子。 B E H AF RNA聚合酶II TATA TFIID 45bp +1+30bp DNA mRNA转录前起始复合体 RNA聚合酶II、多种TFII、DNA模板组成 转录前起始复合物。 一、 mRNA的合成 （一）起始 1. 启动子（promoter） 启动子是DNA模板上的一段特殊序列。 转录开始时，RNA聚合酶识别和结合于启动 子。它包括一些保守顺序，如GC盒、CAAT 盒和TATA盒子。为顺式作用元件。 真核生物启动子结构 真核生物启动子结构： GC Box：位于-80 -110区，有GGGCGG保守 序列，结合转录因子调节转录。 CAAT Box：位于-70 -80区，有GGNCAATCT 保守序列，决定转录起始的频率。 TATA Box：位于-25 -30区，有 TATA(A/T)(A/T)A保守序列，能保证转录起始位 置的精确性。又称Hogness Box。 2. 转录因子及转录前起始复合物（PIC）的形成 （二） RNA链的延长（elongation） DNA双链不断的解开，RNA聚合酶沿着DNA 模板向3方向移动。同时，在RNA聚合酶II 的作用下，与DNA模板链序列互补的核苷酸逐 一地进入反应体系，不断延伸RNA链。合成的 方向为53。 需要多种转录因子协助， 由RNA聚合酶II催化。 转录泡 酶覆盖：40bp 打开DNA： 17bp 合成RNA：12bp DNA-RNA杂交体 （三） RNA合成的终止（termination） 转录至模板某一位置，停止形成磷酸二酯键 RNADNA杂交链解开，DNA解链的部分重新形 成双螺旋 RNA聚合酶离开DNA。 转录终止序列：DNA 的特殊序列与转录的终止有关 。 编码链 5-AAUAAA 加尾 二、 rRNA的合成 合成部位： 核仁 酶： RNA 聚合酶 I 转录单位： 包括28S，5.8S及18S rRNA基因。 几百个转录单位串联排列在染色体 上，中间有间隔序列隔开。 转录因子： TF I 转录产物： 28S，5.8S，18S rRNA 核糖体RNA（rRNA）的转录 染色体染色体DNADNA 内含子基因间隔 18S5.8S28S 每个重复单位 45S转录产物 3种 rRNA前体 转录后加工 18SrRNA 5.8S/28S rRNA 三、 5S rRNA和tRNA的合成 合成部位： 核浆 酶： RNA 聚合酶 III 转录因子： TF III 转录产物： 5S rRNA，tRNA，snRNA 第三节 真核生物转录后RNA的加工 RNA Processing RNA转录后加工（RNA processing）: 以DNA为模板转录生成的RNA链经过修饰 、切除、连接等反应，去除非编码序列，形 成成熟的具有功能的RNA分子的过程。 一、mRNA的加工 （一）内含子的剪接 断裂基因（splite gene）：真核生物的结构基因由 若干编码区和非编码区相互间隔，编码一个完整的蛋 白质，成为断裂基因。 外显子（exon）：真核结构生物基因中的编码序列。 内含子（intron）：真核生物结构基因中的非编码区 。 exon ABC intron 真核细胞的 基因结构 hn RNA 成熟 mRNA 核不均一RNA（heterogeneous-nuclear RNA, hnRNA）： 细胞核内的初级转录产物。需要经过剪接 才能成为成熟的mRNA。 小核RNA（small nuclear RNA, snRNA）： 在细胞核内与蛋白质组成核糖核酸蛋白体 ，即剪接体（splicesome），结合在hnRNA的内 含子区段，使之弯曲，形成套索结构，有利于 剪接。 mRNA 剪接（mRNA splicing） 真核生物结构基因转录时，外显子和内含子 同时被转录，产物为hnRNA，而后切除hnRNA中的 内含子，将外显子连接的过程成为mRNA剪接。 剪接类型：snRNA剪接方式 剪接位点：作为内含子起始和结束的GU、AG剪接 点序列成为剪接位点。 （二） 5端加帽 5端：m7GpppGpN（甲基化三磷酸双鸟苷） 部位：细胞核 作用: 1）使mRNA免受磷酸酶和核酸酶的攻击， 稳定mRNA分子的一级结构； 2）提供核蛋白体识别位点，促进翻译起 始复合物形成，增强mRNA翻译效率； 3）有利于mRNA前体的剪接。 mRNA 的5帽子结构 5 pppGp 5 GpppGp pppG pp i 鸟苷酸 转移酶 5 m7GpppGp 甲基转移酶 SAM 5 ppGp 磷酸酶 Pi 帽子结构的生成 （三）mRNA的3端加polyA尾 3端：100-200个腺苷酸残基 部位：细胞核 作用: 1）维持mRNA的稳定； 2）增加翻译效率； 3）与mRNA运输有关。 转录终止序列：DNA 的特殊序列与转录的终止有关 。 编码链 5-AAUAAA 加尾 步骤1 步骤2 3端加polyA尾 （四） mRNA 编辑（mRNA editing） DNA在转录成hnRNA后，通过插入、删除 或碱基替换而改变DNA模板原来的某些遗传信 息。 通常是个别碱基的更换使一个基因表达 出多个氨基酸序列不同的蛋白质。 是对生物学中心法则的补充，扩大了 mRNA遗传信息容量。 第2153位 谷氨酰胺 终止子 二、核糖体RNA（rRNA）的转录后加工 rDNArDNA 内含子基因间隔 18S5.8S28S 每个重复单位 45S转录物 3种 rRNA前身 剪接 18SrRNA 5.8S/28S rRNA rRNA转录后 的加工和与 核糖体的装 配同时进行 。 核酶（ribozyme）：具有催化功能的RNA。 四膜虫的rRNA自我剪接 核酶的二级结构槌头状结构 （hammerhead structure） 通常为60个核苷酸左右；同一分子上包括有催化 部分和底物部分，共同组成槌头状结构。 底物 催化部分 酶 底物 图图13-13- 1212 核酶的意义： 1.核酶的发现，对中心法则作了重要补充； 2.对传统酶学提出挑战； 3.人工合成核酶的槌头结构，用于破坏有害基因，如 破坏HIV病毒RNA。 三、转移RNA（tRNA）的转录后加工 碱 基 修 饰 （1）甲基化 A Am （2）还原 U DHU （3）核苷酸内的转位反应 U （4）脱氨反应 A I 第四节 原核生物的转录 （一）原核生物的RNA聚合酶 核 心 酶 亚基 2 功 能 决定哪些基因被转录 结合底物，形成磷酸二酯键（催化） 结合模板（开链） （核心酶参与转录全过程） 识别起始点启动子（延长时脱落） 全酶： 2 原核生物的RNA聚合酶 RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合 -35 -10 Pribnow box 一、原核生物转录起始（initiation） 启动子（promotor）：DNA分子上可以与 RNA聚合酶特异结合而使转录开始的一段 DNA序列，本身不被转录。 结合部位：位于-10区，有TATAAT保守序列，是RNA聚 合酶与DNA模板牢固结合的位点，也有助于打开局部DNA 双链。也称Pribnow Box。 识别部位：位于-35区，有TTGACA保守序列，是RNA聚 合酶亚基识别的部位。 转录起始位点：合成RNA链中第一个核苷酸的位点， 多为A或G。 原核生物启动子结构 操纵子（operon）：原核生物的许多功能 相关的基因成簇地串联排列在染色体上， 共同组成一个转录单位，几个结构基因受 同一调控序列调控，这种基因表达控制单 元称为操纵子。 调节基因 启动子 操纵 基因lacZ lacY lacA CAP cAMP CAP-cAMP 复合物 mRNA+ -半乳糖苷酶 -半乳糖苷透过酶 -半乳糖苷乙酰 基转移酶酶 乳糖操纵子 RNA的转录开始于pppG 或 pppA。转录起始位置在Pribnow 盒子下游5-8bp。 RNA聚合酶（全酶）中的因子在DNA双链上迅速、随机滑 动，寻找到启动子-35区，结合形成闭合的复合物，DNA双 链未解开。 全酶形成更紧密的开环复合物，其特征是DNA双螺旋局部 解开大约10bp。因为Pribnow 盒子是富含AT的，它有利于 这种局部的解旋。 解链的DNA与起始的三磷酸嘌呤核苷酸（pppG 或 pppA） 及RNA聚合酶结合，然后形成第一个磷酸二酯键。 全酶移动到另一个位置并继续合成。一旦起始的核苷酸链 形成一小段后，因子便从全酶释放出来，核心酶进入延 长阶段继续发挥其催化作用。 另外一个RNA聚合酶分子可以识别并结合到启动子上，开 始另一轮转录。这样，一个基因可以被同时转录许多次。 RNA的转录过程 二、转录的延长（elongation） 亚基脱落，RNA聚合酶核心酶变构，与 模板结合松弛，沿DNA模板前移，催化RNA链 不断延长。 （NMP）n + NTP （NMP）n+1 + PPi 转录复合物： RNA聚合酶核心酶，DNA模板，RNA产物。 DNA解开17 bp；RNA-DNA形成12bp长的杂交螺旋 三、 RNA合成的终止（termination） 依赖Rho（）因子的转录终止 非依赖因子的转录终止 转录至模板某一位置，停止形成磷酸二酯键 RNADNA杂交链解开，DNA解链的部分重新形成双螺旋 RNA聚合酶离开DNA 分类： （1）依赖Rho（）因子的转录终止 六个相同亚基组成的蛋白质 RNA依赖的ATP酶活性和解螺旋酶活性 与单链RNA （polyC）结合 因子的结构： 依赖因子的转录终止 发夹结构 环 茎 多个U DNA模板 3 5 5 （2）非依赖因子的转录终止 DNA分子近转 录终止点处具有 一段富含GC的回 文区域，之后是 一连串的dA碱基 序列，它们转录 的RNA链的末端为 一连串U（连续6 个）。 RNA-pol 5pppG 茎环结构的转录终止 RNA聚合酶变构，转录停顿； AU结合弱，转录复合物趋于解 离，RNA产物释放。 原核生物和真核生物转录过程的比较 原核生物 真核生物 转录单位 1个转录单位含多个结构基因 1个转录单位含1个结构基因 起始 不需引物 不需引物 启动子辨认 亚基 多种转录因子参与 起始酶 RNA聚合酶全酶 RNA聚合酶I、II、III催化 合成不同的RNA 延长长 合成新链沿5-3方向前进 合成新链沿5-3方向 前进 延长长酶 RNA聚合酶核心酶 RNA聚合酶I、II、III 转录转录 复合物 RNA聚合酶核心酶-DNA-RNA - 终终止 依赖因子终止 转录修饰点有特殊序列， 非依赖因子终止 mRNA过转录修饰点即 被切断加帽加尾 四、RNA转录后加工（RNA processing） 以DNA为模板转录生成的RNA链经过修饰、切 除、连接等反应，去除非编码序列，形成成熟的 具有功能的RNA分子的过程。 mRNA可直接作为翻译的模板 rRNA 转录产物要加工、修饰 tRNA 原核生物和真核生物mRNA的不同 原核生物mRNA 多顺反子 转录与翻译同步 mRNA不需加工 寿命短 真核生物mRNA 单顺反子 转录后需加工运至胞浆 再翻译 mRNA需加工 寿命较长 图12-24 原核rRNA的加工 第五节 RN