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第14章 RNA的生物合成转录 RNA Biosynthesis：Transcription 本章主要内容 p 转录及其特点 p 转录的起始 p 原核生物转录过程 p 真核生物转录过程 p 转录后的加工成熟 p 基因表达的调节 重点与难点： p 原核生物转录过程 p RNA转录后的加工 p 原核基因表达调节 p 操纵子学说 以DNA为模板，在RNA聚合酶的作 用下合成RNA，将遗传信息从DNA分子 上转移到RNA分子上的过程称为转录。 一、转录及其特点 转录 RNADNA 转录的特点： （1）以 DNA为模板，在RNA聚合酶的作 用下合成RNA。 （2）转录具有不对称性； （3）转录不需要引物，方向5到3； （4）转录的忠实性相对弱； （5）转录首先得到RNA前体，然后再进 行加工转变为成熟的RNA。 不对称转录（一条链被转录） 转录的不对称性：在RNA的合成 中， DNA的二条链中仅有一条链可作 为转录的模板，称为转录的不对称性。 复制和转录的区别 二、转录的起始 o RNA聚合酶 o 启动子 1. RNA聚合酶（RNA-pol） 分子量50万u，5个亚基 全酶= 核心酶（2）+ 因子 核心酶 (core enzyme) 全酶 (holoenzyme) （1）原核生物RNA聚合酶 亚 基分子质量组 分功 能 40 000 155 000 160 000 70 000 核心酶 核心酶 核心酶 因子 酶的连接、装配 促进磷酸二酯键的生成 与模板结合 识别模板上转录的起始 部位 亚基的功能： 聚合酶 I ：转录5.8S, 18S, 28S rRNA前体 聚合酶 II：转录mRNA的前体 聚合酶 III：转录tRNA和5S rRNA （2）真核的RNA聚合酶 2. 启动子（promoter） 5 3 3 5 结构基因调控序列 RNA-pol 启动子是指转录开始时, RNA聚合酶与 模板DNA分子结合的特定部位。位于基因上 游，含有与RNA聚合酶识别、结合和转录起 始位点。 开始转录 TATAAT -10 区 1-30-5010-10-40-20 5 3 3 5 原核生物启动子： TTGACA -35 区 RNA-pol 识别位点 (recognition site) 5 5 启动子 3 3 RNA-pol 结合位点 (Pribnow box) -35顺序：TTGACA序列，是RNA-pol对转 录起始的辨认位点。 -10顺序：TATAAT，是双螺旋打开形成起 始复合物的区域。 TATA -25 区 -70-25-80 5 3 3 5 CAAT box -75 区 转录的起始 频率有关 5 5 启动子结构基因 3 3 聚合酶定位、 DNA 双链解开，决定转 录的起始位点 真核生物启动子： (1) RNA聚合酶必须准确地结合在转 录模板的起始区域。 (2) DNA双链解开，使其中的一条链 作为转录的模板。 转录起始需解决的问题： 三、原核生物转录过程 RNA聚合酶的因子识别起始位点，并使 全酶结合到启动子上。 DNA双链解开。 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。 聚合的方向5到3。 5-pppG -OH + NTP 5-pppGpN - OH 3 + ppi 1. 转录起始过程 50 10 RNA聚合酶结合在启动子上 上游 下游 2. RNA链的延伸 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； E -35 -10 pppG或pppA 5 5 3 3 模板链 由核心酶催化，以其中的一股DNA单链 作为模板链，以NTP为原料，按照碱基 互补配对的原则，通常是由5ppp嘌呤 核苷（G 或A）开头向着3方向延长多 核苷酸链。 转录泡(transcription bubble)形成 RNA聚合酶 、DNA模板 、新转录的 RNA复合物 转录过程中的模板识别、起始和延伸 3. 转录终止 p在终止点之前具有一段富含G-C的回文区域， 转录后易形成发夹结构。 p富含G-C的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。 DNA分子末端提供转录停止信号的DNA序列 称为终止子（terminators)，它能使RNA聚合酶 停止合成RNA并释放出RNA。 ATP 缺少发夹结构：需要因子（终止因子）， 识别终止信号终止转录 新生RNA上有因子的识别位点。它与聚合酶-DNA-RNA复 合物结合，向3端移动，解开DNA-RNA杂交体，需ATP。 四、真核生物的转录 真核生物转录比原核复杂，主要区别： p 转录与翻译在不同区域： 原核：转录与翻译偶联进行。 真核：转录在细胞核，翻译在核外。 p RNA聚合酶不同 p 启动子不同 p 转录的过程 原核生物：2 +DNA模板+pppGp N-OH3形成转录起始复合物。 真核生物：RNA-pol不与DNA分子直接结 合，需众多的转录因子参与。 转录的起始 转录的延长 基本相似，只是催化的酶不同，都是转 录空泡沿着模板链向前滑动，转录出相应的 RNA，但真核生物需要许多转录因子参与， 且转录与翻译不同步。 转录终止 原核：非依赖因子和依赖因子 识别特异的终止信号。 真核：依赖模板链末端特殊的转录 终止修饰点，不在特定位点 终止，在基因下游不同距离 处终止。 由RNA聚合酶合成的原始转录物往往需 要一系列的变化。包括： 五、转录后的加工成熟 p 剪切及剪接 p 末端添加核甘酸 p 核苷的修饰 p RNA编辑等过程 原核：三种核蛋白体（16S、23S和5S rRNA）在一起形成一个转录单位，中间由一 个或多个tRNA隔开。 先形成30SrRNA前体，然后核糖核酸酶 切割、剪接和甲基化变为成熟的rRNA。 1. rRNA的加工 原核rRNA的加工 真核生物的 rRNA 转录后加工 rRNA前体的转录和剪接加工 原核与真核的tRNA转录后加工类似 。但真核生物tRNA前体含有插入顺序， 原核生物没有。 2. tRNA前体的加工 原核生物tRNA的加工需要切除5 和3 端多余的顺序。有些 tRNA 前体 在 3 端没有CCA基团，在成熟过程中 需要加一个CCA（氨基酸结合部位） 。 A. 剪接和剪切 B. 3端添加CCA C. 化学修饰 真核生物tRNA的加工方式： RNAaseP、 外切酶D A. 剪接和剪切 tRNA核苷酸转 移酶、连接酶 ATP ADP B. 3端添加CCA 原核生物：mRNA 半衰期短，转录的 同时即进行翻译，转录后一般不需要加工 。 3. mRNA前体的加工 真核生物：mRNA半衰期较长，初转 录物很大，在加工过程中形成许多分子大 小不等的中间物，它们被称为核内不均一 RNA（hnRNA)，需要进一步进行加工修 饰转化为mRNA。 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，为 一个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) CABD 编码区 A、B、C、D 非编码区 一个断裂基因含有若干段编码序列， 这些可以编码的序列称为外显子。 在两个外显子之间被一段不编码的间 隔序列隔开，这些间隔序列称为内含子。 外显子（exon）和内含子（ intron ） RNA剪接（RNA Splicing）： mRNA前体物内含子的剪除以及 留下的片段拼接为成熟的mRNA的过 程，称为RNA剪接。 A. mRNA首尾修饰 3端添加polyA “尾巴” 5端连接“帽子”（m7G5ppp5NmpNp-） B. mRNA的剪接 加工包括： 5-加帽（adding cap）：即在mRNA 的5-端加上m7GTP的结构。 首先是在磷酸酶的作用下，将5-端的 磷酸基水解，然后再加上鸟苷三磷酸，形 成GpppN的结构，再对G进行甲基化。 A 首、尾的修饰 7-甲基 鸟嘌呤 m7G(5)pppNmpNm 3-加尾（adding tail） 在细胞核内完成，首先由核酸外切 酶切去3端一些过剩的核苷酸，然后再加 入polyA。 polyA结构与mRNA的半寿期有关。 B. RNA的剪接 基因：具有特定生物遗传信息的DNA序 列，在一定条件下能够表达这种遗传信息，产 生特定的生理功能。 基因表达（gene expression）是指储存遗 传信息的基因经过一系列步骤表现出其生物功 能的整个过程。典型的基因表达是基因经过转 录、翻译，产生有生物活性的蛋白质的过程。 六、基因表达的调节 基因表达的各个调节部位 转录是基因表达控制的中心环节 转录控制 转录后加工 转运 翻译控制 蛋白质活性控制 mRNA的 降解控制 时间特异性：某一基因的表达严格按特定的时间顺 序发生。这些基因在生命活动过程中并不都是一 齐开放表达，而是在有些时候，一些基因进行表 达，另一些基因则关闭。 空间特异性：在个体生长全过程，某种基因产物按 不同组织空间顺序出现。在同一时间，不同的组 织器官，有些基因表达，而有些基因关闭。 （1）基因表达的时空性 基因表达的特点 组成性表达 管家基因（housekeeping gene）： 在一个生物个体的几乎所有细胞 中持续表达的基因。管家基因的表达 很少受环境变化影响。 (2) 基因表达的方式 诱导和阻遏表达 诱导（induction）：可诱导基因在特 定环境信号刺激下表达增强的过程。 阻遏（repression）：可阻遏基因表达 ，表达产物水平降低的过程。 o 操纵子：原核生物在转录水平上控制基因表达 的协调单位。 包括启动基因(P)、操纵基因(O) 和功能上彼此相关的几个结构基因组成。 (操纵 子学说由Monod and Jocob提出，1960) 1. 原核生物基因表达的调节 启动基因 P 操纵基因 O 结构基因 激活物结合位置 p 原核生物操纵子中的结构基因是多顺反子，即 含有几个编码功能相关的蛋白质或酶的基因。 在其上游有操纵基因（O）和启动基因（P), 操 纵基因是阻遏物蛋白结合的部位。P基因是 RNA聚合酶结合并开始转录的部位。在P基因 的上游，有激活物蛋白结合的部位，还有表达 阻遏蛋白的调节基因i。 操纵子转录水平调节方式 p 阴性调控/负调节（negative control） 阻遏 物蛋白（repressor ）对基因开关（操纵基因O ）进行的调节。阻遏物蛋白结合在操纵基因上 则转录不能进行，它的活性受小分子诱导物影 响。阻遏物是由调节基因i表达的。 p 阳性调控/正调节（positive control） 激活 物蛋白（activator）对RNA聚合酶的转录进行 的调节。激活物蛋白结合在启动基因(P基因)上 游的某个区域以增强RNA聚合酶的转录活性， 它的活性也受小分子的影响。 酶诱导和阻遏操纵子模型 酶的诱导 调节基因 操纵基因 结构基因1 结构基因2 结构基因3 无诱导物时 启动基因 酶的诱导 调节基因操纵基因结构基因1 结构基因2结构基因3 转录 翻译 酶1酶2酶3 有诱导物时 启动基因 o 大肠杆菌可以利用葡萄糖、乳糖、麦芽糖、阿拉伯 糖等作为碳源而生长繁殖。 o 大肠杆菌在乳糖培养基中，代谢乳糖的酶增加，能 够代谢乳糖。 o 在葡萄糖培养基生长时，不能代谢乳糖。 o 当培养基中有葡萄糖和乳糖时，细菌优先使用葡萄 糖，当葡萄糖耗尽，细菌停止生长，经过短时间的 适应，就能利用乳糖，细菌继续呈指数式繁殖增长 。 （1）乳糖操纵子 imRNA - 半乳糖苷酶 透过酶 转乙酰基酶 i pzy ao mRNA 启动基因 操纵基因结构基因调节基因 乳糖操纵子的结构 z、y、a是功能相关的结构基因，为细菌利用乳糖所必需 只有葡萄糖时（负调控、阴性调控） CAP受 体蛋白 阻遏蛋白结合在 操纵基因上使转 录不能进行 只有乳糖时 mRNA 诱导物乳糖与阻遏 蛋白结合使之失活, 转录能够进行 葡萄糖和乳糖均存在（阳性调控） o 细菌中有一种能与cAMP特异结合的降解物基因活 性蛋白CAP，也叫cAMP受体蛋白。当cAMP浓度 较高时， CAP先与cAMP结合，然后与启动基因结 合，促进RNA聚合酶与启动基因结合进行转录。 o cAMP含量与葡萄糖的分解有关，当细菌利用葡萄 糖分解供能时，cAMP生成少而分解多；cAMP含量 低；当环境中无葡萄糖时，cAMP含量升高。 CAP-降解物基因活性蛋白 p 有葡萄糖存在：cAMPcAMP - CAP复 合物，不能结合启动子促进RNA 聚合酶的转录，基因不能表达。 p 无葡萄糖存在：cAMPcAMP CAP复合 物正调控作用基因表达。 乳糖操纵子的双向调节 （2）色氨酸Trp 操纵子 p 含有大肠杆菌合成色氨酸所需酶 的结构基因。 p 属于可阻遏调控类型 p 色氨酸可作为辅阻遏物，与辅阻 遏蛋白结合，成为能与操纵基因 结合的阻遏蛋白，抑制转录进行 。 辅阻遏蛋白 操纵基因结构基因调节基因 mRNA 酶蛋白 酶代谢产物一旦大量积累 衰减子(Attenuator): 位于结构基因起始密码子前，能够终止 和减弱转录作用，这段序列称为前导序列。 衰减作用(attenuation) 1984年Mizuno等发现一种与mRNA互补 的RNA。 它与mRNA结合，阻断mRNA翻译，从 而调节基因表达, 称为反义RNA，亦称为 干扰mRNA的互补RNA（micRNA）。 （）翻译译水平的调节调节 反义RNA的调节 可能的机制 （1）和靶核苷酸序列形成双链区，直接 阻碍其翻译的起始。 （2）在靶分子的部分区域形成双链区， 改变其构象，直接影响其功能。 反义RNA的应用 具有高度的特异性，一种反义RNA抑制一 种mRNA。 可人工设计合成反义RNA，抑制靶基因的 表达，从而达到治疗疾病的目的，即基因治 疗。如乙肝病毒、爱滋病病毒（HIV）等都是 单链RNA病毒，可利用反义RNA抑制其在体内 的复制。可用反义RNA抑制癌蛋白的表达。 3. 真核生物基因表达的调控 p真核生物的基因结构复杂。 p真核基因调控以利用激活物的正调控为主。 p转录涉及一套转录因子（调控序列与基因调节 蛋白）的参与。 p真核染色体DNA处于转录抑制状态，组蛋白乙 酰化，磷酸化，CpG的脱甲基使其转录去阻抑 。 p转录和翻译在时空上是分开的。 真核基因表达调控环节 转录水平的调节 转录水平的调节是真核生物基因 表达调节中最重要的环节。 主要通过顺式作用元件和反式作 用因子相互作用来完成。 顺式作用元件（Cis-acting element） 对基因表达有调节活性的DNA序列， 其活性只影响与其自身处在同一个DNA 分子上的基因，多位于基因旁侧或内含子 内，不编码蛋白质。 启动子（promoter） 增强子（enhancer） 静息子（silencer） 顺式作用元件主要有： 真核启动子 真核启动子一般包括转录起始点及其上游约100200bp序列， 包含有若干具有独立功能的元件，其元件可分为两种: p核心启动子元件：指RNA聚合酶起始转录所必需的最小的 DNA序列，包括转录起始点及其上游-25/-30bp处的TATA 盒。核心元件决定转录起始位点和产生基础水平的转录。 p上游启动子元件：包括通常位于-70bp附近的CAAT盒和GC 盒、以及距转录起始点更远的上游元件。这些元件与相应 的蛋白因子结合能提高或改变转录效率。不同基因具有不 同的上游启动子元件，其位置也不相同。 增强子 o 增强子是一种能够提高转录效率的顺式调控元件， 可远距离作用，通常14kb，个别情况下30kb。 o 增强子通常占100200bp长度，基本核心组件常为8 12bp,增强子要有启动子才能发挥作用。但对启动 子没有严格的专一性。必须与特定的蛋白质结合后 才能发挥增强转录的作用。 o 增强子一般具有组织或细胞特异性，是由这些细胞 或组织中具有的特异性蛋白质因子所决定的。 反式作用因子（Trans acting factor） 能与顺式作用元件结合，调节基因转 录效率的一组蛋白质，编码基因与作用的 靶DNA序列不在同一DNA分子上。 反式作用因子的主要特点 A. 识别并结合DNA