RNA的生物合成和加工.ppt

2019/7/18,1,转录与基因表达调控,Transcription of DNA,2019/7/18,2,一、转录DNA指导下RNA的合成,2019/7/18,3,DNA复制：以DNA为模板合成DNA，遗传信息自上一代细胞向下 一代细胞传递,转录：以DNA为模板合成RNA，遗传信息自DNA转录至RNA分子,翻译：以mRNA为模板合成蛋白质，遗传信息表达至蛋白质,反转录：以RNA为模板合成DNA（RNA病毒、真核细胞的端粒酶）,RNA复制：以RNA为模板合成RNA（RNA病毒）,2019/7/18,4,（一）模板,1、转录模板,两股DNA单链中只有一股可转录 可作为模板转录成RNA的一股DNA链模板链 对应的一股DNA链编码链 能转录出mRNA，指导蛋白质合成的部分结构基因 其余的DNA可能转录(rRNA,tRNA)，也可能不转录,2019/7/18,5,2、不对称转录,在一个包含许多基因的双链DNA分子中，各个基因的模板链不一定是同一条，对于某些基因以某一条链为模板进行转录，而对另一些基因则可由另一链为模板链。,2019/7/18,6,1.模板：DNA 2.合成方向：5 3 3.酶：均依赖DNA 4.碱基互补配对原则 5.产物：多聚核苷酸链,复制和转录的异同点,相同点：,2019/7/18,7,不同点：,模板 两股链均作为模板 模板链作为模板 原料 dNTP NTP 聚合酶 DNA聚合酶 RNA聚合酶 产物 子代DNA双链 mRNA;tRNA;rRNA 配对 A-T；G-C A-U；T-A;G-C 引物 RNA引物 不需要引物 方式(特点) 半保留复制 不对称转录,2019/7/18,8,（二）参与转录的酶,1.原核细胞的RNA聚合酶 因子为起始因子,2.真核细胞的RNA聚合酶（核仁）：催化rRNA前体的合成；：催化m的合成；：催化小分子的合成,2019/7/18,9,Mw：465480kD 亚基组成：2 (全酶) 2（核心酶）,1、原核生物的RNA聚合酶（大肠杆菌）,：起始因子，识别DNA模板上的转录起始位点前的特异碱基序列,引导RNA聚合酶结合到DNA的启动子，开始转录 不同菌种因子大小差别很大 转录开始后，脱离聚合酶，核心酶催化RNA的延长,2019/7/18,10,RNA链的转录起始于DNA模板的一个特定位点, 其上游有特异的碱基序列,为启动子(promoter） 并在另一位点处终止（终止子terminator） 此转录区域称为转录单位（DNA）,转录单位：,转录起始点,2019/7/18,11,大肠杆菌的RNA聚合酶 全酶由5种亚基2 组成，因子与其它部分的结合不是十分紧密，它易于与2分离，没有亚基的酶称为核心酶只催化链的延长，对起始无作用。 四种亚基的功能分别为： 亚基：与启动子结合功能。 亚基：含催化部位，起催化作用，催化形成磷酸二酯键。 亚基：与DNA模板结合功能。 亚基：识别起始位点。,2019/7/18,12,RNA聚合酶：, 专一地转录不同的基因 转录过程、产物不同 对鹅膏蕈碱的敏感性不同,2、真核生物的RNA聚合酶,加工产生5.8S rRNA，18S rRNA 、28S rRNA,2019/7/18,13,814个亚基，Mw 500KD左右 无识别亚基 转录：起始复合体（转录因子、启动子、RNA聚合酶） 线粒体、叶绿体RNA聚合酶类似于原核生物 mRNA不稳定，寿命短，RNA聚合酶最重要,2019/7/18,14,（三）转录过程：起始、延长、终止,因子辨认启动子 RNA聚合酶结合到DNA的启动子，开始转录 启动子具有共有的序列保守序列或一致性序列：在-10bp处有-TATAAT-，Pribnow盒；-35bp处有-TTGACA-，辨认点,1、模板的识别：,2019/7/18,15,识别正确的启动位点，启动子的结构至少由三部分组成： -35序列提供了RNA聚合酶全酶识别的信号；-10序列是酶的紧密结合位点（富含AT碱基，利于双链打开）；第三部分是RNA合成的起始点。,2019/7/18,16,单独的核心酶 与DNA随机疏松结合（低亲和力），不能区分启动子和一般序列,全酶：与启动子结合牢固（高亲和力），并开始转录,全酶通过扩散作用与DNA随机结合 与酶结合的DNA迅速被置换 全酶不断改变与DNA的结合部位，直到启动子，转变为紧密结合,2019/7/18,17,真核生物：转录因子识别启动子 RNA聚合酶在起点处形成起始复合体 25bp（Hogness盒） CAAT GC TATA,mRNA转录起始点,增强子，增强启动子活性，,增强子序列可以远离启动子几千bp，位于上游或者下游，位于模板链或编码链，均能发挥作用,2019/7/18,18,启动子和转录因子,启动子：与基因表达相关的特定的DNA序列（顺式作用元件）,RNA聚合酶与之特异结合，基因转录的开始部位 强启动子2秒钟启动依次一次转录 弱启动子10分钟一次,转录因子：RNA聚合酶起始转录需要的辅助因子（蛋白质）,与顺式作用元件结合（反式作用因子） 识别启动子,2019/7/18,19,2、转录的起始,在模板链上通过碱基配对合成最初的RNA链,加入的第一个核苷三磷酸常是GTP或ATP。 所形成的启动子、全酶和核苷三磷酸复合 物称为三元起始复合物，第一个核苷三磷 酸一旦掺入到转录起始点， 亚基就会被 释放脱离核心酶。,2019/7/18,20,3、转录的延伸,因子脱离，核心酶向前移动，RNA链延长,原核、真核生物基本相同，不需要引物 因子脱落，核心酶构象变松弛 RNA的5端伸展在转录空泡之外 模板为A，转录产物相应为U 原核生物：转录、翻译同时进行,2019/7/18,21,第一个碱基总是G或A,2019/7/18,22,4、转录的终止,RNA聚合酶到达基因转录终点 RNA、RNA聚合酶自DNA脱离,不依赖因子：模板链终止区的碱基形成特殊结构 RNA 3端形成茎环结构和一串寡聚U 依赖因子(因子与RNA结合，具ATP酶、解链酶活性),1）原核生物转录终止：,终止子：能够使转录终止的DNA序列 终止因子：协助RNA聚合酶识别终止信号的辅助蛋白质因子 抗终止因子：能够使转录酶越过终止子继续转录蛋白质因子,2019/7/18,23,不依赖因子,2019/7/18,24,2019/7/18,25,2） 真核生物的转录终止,编码链：mRNA合成一段AAUAAA，在此处酶将其切断。 mRNA：polyA尾巴,2019/7/18,26,二、转录后加工,转录生成的RNA初级转录产物（前体RNA，RNA前体） 无论是原核、真核生物，初级转录产物必须经过一定程度 的加工、修饰，才能体现生物学功能转录后加工,常见形式：去除或添加核苷酸、剪切拼接等,2019/7/18,27,原核生物转录后加工相对简单,mRNA：转录、翻译同时进行，一般不进行加工修饰 tRNA、rRNA：加工，剪切和修饰,真核生物转录后加工较复杂,RNA转录在细胞核、翻译在细胞质，因此先转录，后翻译 hnRNA经加帽、切尾，切除内含子、拼接外显子形成mRNA RNA通过不同的加工方式，表达不同的信息,2019/7/18,28,（一）原核生物的rRNA加工,E.Coli：7个rRNA的转录单位 转录单位：16S、23S、5S RNA、若干tRNA基因组成 16S、23S之间常由tRNA隔开,2019/7/18,29,2019/7/18,30,2019/7/18,31,真核mRNA的剪辑,真核生物的结构基因通常是断裂的,断裂基因（Split gene or interrupted gene）,表达蛋白质的基因中间被一些不能表达蛋白质的核苷酸序列（插入序列或内含子）隔开，致使一个结构基因被断裂成若干部分，这样的基因,(二)真核细胞的转录后加工,2019/7/18,32,外显子（exon）,DNA分子中编码mRNA某一部分序列的区域； 真核细胞中，结构基因一般被若干插入顺序（内含子）隔开 被隔开的每一部分均称为外显子,内含子（intron）,基因中能被转录成前体转录物，却不能成为mRNA组成成分 的序列（插入序列，居间序列；intervening sequence） 原核基因中一般（除少数外）不含内含子 真核基因均含数量不等、大小不一的内含子,2019/7/18,33,2019/7/18,34,2019/7/18,35,真核mRNA剪接：切除内含子、拼接外显子,2019/7/18,36,2019/7/18,37,2019/7/18,38,2019/7/18,39,原核细胞基因表达转录调控方式,基因表达调控概述：特定的基因在特定的时间和部位进行特定量的表达 原核生物以操纵子为单元进行表达和调控，特异的阻遏蛋白是控制原核启动序列活性的重要因素。 操作子：由几个功能相关的调控结构基因及其调控区组成一个基因表达的协同单位。 启动子：结合RNA聚合酶 操纵区：控制RNA聚合酶能否通过的“开关” 阻遏基因：位于调控区上游，能够转录为阻遏物,2019/7/18,40,原核细胞转录水平的调节操纵子学说,乳糖操纵子（诱导操纵子）的调节机制 色氨酸操纵子（阻遏操纵子）的调节机制,2019/7/18,41,乳糖操纵子(lac operon),I,2019/7/18,42,阻遏蛋白的负性调节 当无诱导物乳糖存在时，调节基因编码的阻遏蛋白（repressor protein）处于活性状态，阻止RNA聚合酶与启动基因的结合，则无法启动转录。 当有乳糖存在时，乳糖进入细胞，经半乳糖苷酶催化，转变为半乳糖。后者作为一种诱导剂分子结合阻遏蛋白，使蛋白构象变化，导致阻遏蛋白与O序列解离、转录发生。,2019/7/18,43,没有乳糖存在时,与操纵区结合，RNA 聚合酶则不起作用，不转录,乳糖操纵子： 乳糖可作为诱导物，诱导分解利用乳糖的酶的基因转录,2019/7/18,44,有乳糖存在时,2019/7/18,45,CAP（分解代谢基因活化蛋白）的正性调节 当没有葡萄糖及cAMP浓度较高时，cAMP与CAP结合，可刺激RNA转录活性。葡萄糖的分解代谢产物能降低cAMP的浓度，CAP不能被活化形成CAPcAMP复合物，则不能转录。 lac阻遏蛋白负性调节与CAP正性调节两种机制协调合作：当Lac阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用；但是如果没有CAP存在来加强转录活性，即使阻遏蛋白从操纵序列上解聚仍几无转录活性。 lac操纵子强的诱导作用既需要乳糖存在又需缺乏葡萄糖。,2019/7/18,46,操纵区,调节基因,mRNA,酶蛋白,阻遏蛋白不能与操纵区结合，所以通常结构基因表达。,酶代谢产物一旦大量积累,阻遏蛋白被产物激活，结构基因不表达。,原核生物基因主要是转录控制。,Trp 操纵子-产物阻遏常规酶的合成,2019/7/18,47,真核细胞基因转录的调控,顺式作用元件(cis-acting elements) 真核基因的顺式调控元件是基因周围能与特异转录因子结合而影响转录的DNA序列。其中主要是起正性调控作用的顺式作用元件，包括启动子(promoter)、增强子(enhancer)。,2019/7/18,48,反式作用因子(trans-acting factors) 与顺式作用元件进行特异性结合的蛋白质因子 TBP(TATAbox binding protein) 是唯一能识别TATA盒并与其结合的转录因子，是三种RNA聚合酶转录时都需要的； 不同基因由不同的上游启动子元件组成，能与不同的转录因子结合，这些转录因子通过与基础的转录复合体作用而影响转录的效率。 同一DNA序列可被不同的蛋白因子所识别；能直接结合DNA序列的蛋白因子是少数，但不同的蛋白因子间可以相互作用，因而多数转录因子是通过蛋白质蛋白质间作用与DNA序列联系并影响转录效率的,2019/7/18,49,蛋白质的锌指结构,转录调控的实质在于蛋白质与DNA、蛋白质与蛋白质之间的相互作用,碱性亮氨酸拉链结构及其与DNA的结合,2019/7/18,50,逆转录：以RNA为模板合成DNA,以病毒RNA为模板，以dNTP为原料，由逆转录酶催化，按碱基配对规律合成DNA的过程,逆转录酶：依赖于RNA模板，具有催化合成DNA的活性 依赖RNA的DNA聚合酶,逆转录酶： RNA病毒潜在的致癌可能,2019/7/18,51,2019/7/18,52,启动子是指( ) A.DNA分子中能转录的序列 B.转录启动时RNA聚合酶识别与结合的DNA序列 C.与阻遏蛋白结合的DNA序列 D.含有转录终止信号的DNA序列 E.与反式作用因子结合的RNA序列,2019/7/18,53,下列酶中哪一种酶需要引物？ A RNA聚合酶