第14章 RNA的转录.ppt

第14章生物信息的传递 RNA的转录 DNA是遗传信息的载体 基因是DNA分子上的特定核苷酸序列 基因表达实质上就是遗传信息的转录和翻译 年 提出了遗传信息的传递途径称为中心法则 DNARNAPROTEIN 转录 翻译 复制 转录是指以 的一条链为模板合成互补的 的过程 翻译是依照 RNA的信息合成蛋白质的过程 的遗传信息通过 RNA表达为蛋白质中氨基酸的信息 进入21世纪后 修正的 中心法则 示意图 RNA合成的途径 DNA转录是以DNA的一股为模板合成一条互补RNA的过程 转录后的RNA序列中的U与DNA的T配对 RNA复制 以RNA为模板合成RNA 第一节转录转录是以DNA的一条链为模板合成互补RNA的过程 转录产生的产物为RNA前体 即原始转录体 必须经加工才能有生物活性 信使RNA messengerRNA mRNA 转移RNA transferRNA tRNA 核糖体RNA ribosomalRNA rRNA 其他一些小RNA smallRNA sRNA 转录产物类型 一 RNA合成的方式 不对称转录在转录区 只有一小段DNA的一条DNA链作为模板链 称为不对称转录 模板链又称为负链 反意义链 它与转录出来的RNA反义 序列相反 不做为模板的DNA链为编码链 又称为正链 有意义链 它与转录出来的RNA同义 序列相同 编码链的的序列与转录RNA的序列相同 只是在编码链上的T在转录本RNA为U 编码链 codingstrand 或有意义链 sensestrand 与RNA序列相当的那条DNA链模板链 templatestrand 或称反义链 antisensestrand 据碱基互补原则指导mRNA合成的那条DNA链 DNA转录序列的区分 红色编码链蓝色模板链 二 转录的方向 起始及终止位点转录时不需引物 由RNA聚合酶催化以4种核苷三磷酸 NTP 为底物 连续合成RNA链 用代谢抑制剂3 脱氧腺苷证明RNA链合成的方向为5 3 转录是从DNA分子的特定部位开始的 这个部位也是RNA聚合酶全酶结合的部位 在DNA上开始转录的第一个碱基规定为 1 与转录相反的方向称上游 转录方向为下游 在上游方向与转录起点相邻的位置定为 1 转录时RNA聚合酶识别并结合在DNA分子上的特定部位开始转录 这个部位就是启动子 模板DNA上都有终止转录的特殊信号 终止子 每个基因或操纵单元都有一个启动子 一个终止子 三 原核生物RNA聚合酶原核生物的RNA聚合酶结构复杂 大肠杆菌的RNA聚合酶全酶由5个亚基构成 2 大肠杆菌RNA聚合酶的结构示意图 核心酶 2 起始因子 和模板DNA结合 起始和催化聚合反应 识别启动子 全酶 亚基的功能可能是识别其相应的启动子 亚基可能是酶和核苷酸底物结合的部位 亚基是酶与DNA模板结合的主要成分 亚基的功能是辨认转录起始点的 启动转录 有些原核生物RNA聚合酶还存在 亚基 但其功能还未知 2 E coli有不同的 factor分别转录不同类型的基因 这在基因表达调控中起重要作用 鞭毛 有关RNA聚合酶的几个知识点 只有全酶才能在正确位置起始转录 核心酶能在DNA模板上合成RNA 但不能在正确位置起始转录 因子仅能保证细菌RNA聚合酶稳定地结合到启动子上 它通常在RNA链合成8 9个碱基后释放 四 RNA转录的基本过程 特点 RNA是按5 3 方向合成的 以DNA双链中的反义链为模板 由RNA聚合酶催化 底物为四种三磷酸核苷 AUGC 不需要引物 过程 模板识别 转录起始 转录延伸 转录终止 转录从DNA模板的特定位点开始 并在一定的位点终止 即有启动子和终止子 DNA链上从启动子直到终止子为止的长度称为一个转录单位 对于真核生物一个转录单位就是一个基因 而原核生物可以是多个基因 启动子 promoter 终止子 terminator 模板链 templatestrand 反意义链 antisensestrand 有意义链 sensestrand 非信息区 DNA 5 5 3 非信息区 1模板识别 转录是从DNA分子的特定部位开始的 这个部位是RNA聚合酶全酶识别和结合的部位 称为启动子 即RNA聚合酶全酶识别 结合和并起始转录的一段DNA序列 模板识别是指RNA聚合酶与启动子 promoter DNA双链相互作用并与之结合的过程 启动子区的基本结构 启动子 promoter 是一段位于结构基因5 端上游区的DNA序列 能活化RNA聚合酶 使之与模板DNA准确结合 RNA转录单元示意图 一段从启动子开始到终止子结束的DNA序列 细菌中 一个转录单元可以是一个基因 也可以是几个基因 Pribnowbox 启动子结构包括三个部分 第一个是开始识别部位 在 35区 第二个是牢固结合部位 在 10区 第三个是转录起始位点 1 通常为一个嘌呤 不是A就是G RNA聚合酶首先与 35区疏松结合 这主要靠 因子 然后酶迅速滑向 10区 并同DNA牢固结合 同时使DNA解链 形成开放复合物 转录时不需要引物 由RNA聚合酶催化以NTP为底物连续合成RNA 2转录起始 在原核生物中 当RNA聚合酶的 亚基发现其识别位点时 全酶就与启动子的 35区序列结合形成一个封闭的启动子复合物 由于全酶分子较大 其另一端可达到 10区的序列 整个酶分子向 10序列转移并与之牢固结合 在此处发生局部DNA的解链 17bp 形成全酶和启动子的开放性复合物 形成转录泡 暴露出模板链 RNA聚合酶横跨40bp 解旋区域约17bp RNA链的起始通常是在解开的双链部分 离 10开始处大约12或13个碱基处 第一个核苷酸通常是pppA或pppG 转录起始就是RNA链上第一个核苷酸键的产生 转录起始后直到形成9个核苷酸短链的过程是通过启动子阶段 一旦成功合成9个以上核苷酸并离开启动子区 被释放 就进入正常的延伸阶段 通过启动子的时间代表一个启动子的强弱 RNA聚合酶催化新生的RNA链长度达到9 10个核苷酸时 释放 因子离开启动子 并可再用于和新的核心酶结合 核心酶沿着模板链移动 解开聚合反应位点前方的DNA螺旋 新生RNA链不断伸长 并允许后面的DNA双链重新结合为双螺旋 RNA链被逐步释放 3转录延伸 RNA链的延伸图解 4转录的终止 终止子是转录终止的信号序列 它引发聚合酶从DNA上脱落 并且释放出已合成的RNA连 所有原核和某些真核生物的终止子要求转录出来的RNA的3 端具有发夹的二级结构 茎部富含GC序列 转录的终止依赖于RNA产物 而不是由特定DNA序列决定的 原核生物的转录终止子有两种 1 内源性终止子在体外无其他因子参与 核心酶也能在某些位点终止转录 这些位点称内源性终止子 2 依赖型终止子依赖蛋白质辅因子 称为释放因子 即 因子 才能实现终止作用 两类终止子有共同的序列特征 在转录终止之前都有一段回文结构 在这段互补序列之间由几个碱基隔开 内源性终止子的基本结构 1 二级结构中的发夹 长度7 20bp 发夹靠近基部通常有一个G C富集区 2 转录单位最末端的连续约6个U残基组成的片段 这两个特点都是终止所必需的 在大肠杆菌基因组中 符合这些标准的序列约有1100个 约一半 在新生RNA中出现发卡式结构会阻止聚合酶前进 破坏RNA DNA杂合链的正常结构 因子是大肠杆菌的一种基本蛋白质 只在终止阶段发挥作用 由6个相同亚基组成 作为RNA聚合酶的辅助因子行使功能 大肠杆菌中的 依赖型终止子占所有终止子的一半左右 2 依赖型终止子 依赖 因子的终止子 弱终止子 中G C碱基对含量较少 转录生成的RNA也可形成二级结构为发夹结构 这样的结构可能阻碍了RNA聚合酶进一步发挥作用 因子即附着在新生的RNA链上 靠ATP水解产生的能量 沿着5 3 方向朝RNA聚合酶移动 到达RNA的3 OH端后取代了暂停在终止位点上的RNA聚合酶 并从模板和酶上释放RNA 完成转录过程 RNA合成过程 起始 双链DNA局部解开 磷酸二酯键形成 终止阶段 解链区到达基因终点 延长阶段 RNA 启动子 promoter 终止子 terminator 五 RNA转录后加工1 mRNA原核生物的结构基因是连续编码序列 绝大数原核生物的mRNA不需加工修饰 仍为初级转录物的形式 原核生物没有核膜 转录和翻译是相偶合的 往往转录还未完成 翻译已经开始了 原核或真核生物的rRNAs和tRNAs都是以复杂的初级转录物形式被合成的 然后才加工成为成熟的RNA分子 原核生物的rRNA和某些tRNA基因组成混合操纵子 它们在形成多顺反子转录物后通过切割成为rRNA和tRNA前体 进一步加工成熟 2 原核生物rRNA转录后加工 rRNA前体被RNase RNaseE等剪切成一定链长的rRNA分子 rRNA在修饰酶催化下进行碱基修饰 rRNA与蛋白质结合形成核糖体的大 小亚基 E coli的7个编码rRNA的操纵子都转录成一个RNA前体 然后被切割为成熟的rRNA分子 这些操纵子的组成基本相同 均含有16S 23S 5S的三个rRNA分子 在16S和23SrRNA之间的序列是编码tRNA的序列 2 tRNA的加工原核或真核生物中的tRNA基因往往成簇存在 在E coli中某些tRNAs基因聚集形成操纵子 并由一个启动子转录成一条长的前体RNA链 每个tRNA都是前体RNA的一部分 原核生物和真核生物转录生成的tRNA前体无生物活性 经剪切和拼接 碱基修饰 3 OH连接 CCA结构等加工后才能成熟 成熟tRNA分子中的稀有碱基是通过修饰形成的 如 嘌呤生成甲基嘌呤 尿嘧啶还原为双氢尿嘧啶 尿嘧啶核苷转变为假尿嘧啶核苷 腺苷酸脱氨基为成为次黄嘌呤核苷酸等 3 末端加上CCA 在核苷酸转移酶作用下 3 末端除去个别碱基后 换上tRNA分子统一的CCA OH末端 完成tRNA分子中的氨基酸臂结构 六 真核生物RNA的合成与加工1 真核生物中转录与翻译处在不同的区域 2 真核RNA聚合酶真核生物中已发现有4种RNA聚合酶 RNA聚合酶 和线粒体RNA聚合酶 MW约为500kD 它们专一性地转录不同的基因 鹅膏蕈碱是真核生物RNA聚合酶特异性抑制剂 三种真核生物RNA聚合酶对鹅膏蕈碱的敏感性不同 真核生物的RNA聚合酶 RNA聚合酶 位于核仁中 负责转录编码rRNA的基因 细胞内绝大部分RNA是rRNA RNA聚合酶 位于核质中 负责核内不匀一RNA的合成 而hnRNA是mRNA的前体 RNA聚合酶 负责合成tRNA和许多小的核内RNAs 原核生物靠RNA聚合酶就可完成从起始 延长 终止的转录全过程 真核生物转录除RNA聚合酶外还需另一此叫做转录因子 TF 的蛋白质分子参与转录的全过程 对应于RNA聚合酶I II III的转录因子 分别称为TFI TFII 和TFIII 3 真核启动子真核生物有三种RNA聚合酶 分别都有自己的启动子 RNA聚合酶 启动子核苷酸序列的共同特点 转录起始点 其碱基大多为A 在 25区有TATA框 又称为Hognessbox 富含A T TATA框决定了转录起点的选择 在 75区有CAAT框 保守序列为GGTCAATCT CAAT框与转录起始频率有关 真核生物转录起始点附近有一个增强子 它能增强启动子的活性 它可存在于启动子上游或下游 4 RNA转录后的加工与修饰真核生物的RNAs都是以复杂的初级转录物形式被合成的 然后再加工成为成熟的RNA分子 mRNA的加工修饰真核生物转录和翻译在时间和空间上是分开的 刚转录出来的mRNA是分子顺序复杂的前体 且大小很不一致 即核内不均一RNA hnRNA hnRNA分子中大约只有10 转变为成熟的mRNA 其余部分将在转录后的加工过程中被降解 真核生物转录生成的mRNA为单顺反子 mRNA的加工修饰包括 5 端和3 端的修饰及中间部分的剪接 在5 端加帽成熟的真核生物mRNA的5 端有一个m7GPPPN结构 称为甲基鸟苷帽子 它是在一系列酶催化形成的 真核生物帽子结构的复杂程度与生物进化程度关系密切 mRNA5 端帽子结构是mRNA翻译起始的必要结构 对核糖体对mRNA的识别提供了信号 这种帽子结构还可能增加mRNA的稳定性 保护mRNA免遭5 3 核酸外切酶的攻击 在3 端加尾巴大多数真核mRNA都有3 端的Poly A 尾巴 Poly A 尾巴大约为200bp Poly A 尾巴是转录后在核内加上的 真核基因的3 端有AATAA序列 作为mRNA3 端加polyA尾的信号 Poly A 尾巴的功能可能与mRNA从细胞核转运到细胞质有关 但是相当数量的没有polyA尾巴的mRNA如组蛋白mRNA 也能通过核膜进入细胞质 这种结构可能对真核mRNA的翻译效率具有某种作用 使mRNA较容易被核糖体辨认 并能稳定mRNA结构 保持一定的生物半衰期 mRNA前体 hnRNA 的拼接真核生物的结构基因 为断裂基因 中具有可表达活性的外显子 也含有无表达活性的内含子 内含子的数量与所在基因的大小有关 许多基因中的内含子参与基因表达调控 在转录时 外显子及内含子均转录到hnRNA中 核中hnRNA在核酸内切酶作用下剪切掉内含子 然后在连接酶作用下 将外显子各部分连接起来 而变为成熟的mRNA rRNA转录后加工真核生物有4种rRNA 其中18SrRNA 28SrRNA和5 8SrRNA为一个转录单位 哺乳动物的初级转录产物为47s 低等真核生物的rRNA前体为38s 而5srRNA存在于另一个转录单位 真核生物rRNA前体中含有插入顺序 rRNA前体经过自动拼接反应形成成熟的rRNA 真核rRNA前体的加工 RNA的自我剪切与催化以前一直认为只有蛋白质有酶活性 近年发现RNA也可有酶活性 这种有酶活性的RNA称为ribozyme T Cech和S Altman发现四膜虫 Tetrahumena 的RNA具有催化作用 这对于了解生命进行过程有重要意义 很可能在原始生命中 RNA所催化的断裂连接反应是最早出现的催化过程 他们共同获得了1989年Nobel化学奖 四膜虫的两个主要rRNA的基因被转录在同一个35S的初级转录物中 在编码26SrRNA序列存在一个内含子 如将35S前体RNA在体外温育 可以发生自动剪接作用 内含子从前体中被切出 第二节RNA的复制某些病毒 噬菌体的遗传信息贮存在RNA分子中 当它们进入宿主细胞后 靠RNA复制酶合成RNA而传代 这种酶又称为依赖于RNA的RNA聚合酶 当以RNA模板时 在RNA复制酶作用下 按5 3 方向合成互补的RNA分子 但RNA复制酶缺乏校正功能 因此RNA复制时错误率很高 所以这类病毒变异很快 疫苗开发也较难 比如丙肝病毒是RNA病毒 乙肝病毒是DNA病毒 RNA复制酶只对病毒本身的RNA起作用 而不会作用于宿主细胞中的RNA分子 RNA病毒所含的RNA既有单链RNA 又有双链RNA RNA病毒可根据其RNA基因组是否直接为蛋白质编码而区分为正链RNA病毒和负链RNA病毒 一 RNA病毒的复制模式 正链RNA的病毒 其RNA本身就可作为mRNA成为蛋白质合成的模板 病毒进入寄主细胞后 先合成复制酶和相关蛋白 由复制酶以正链RNA为模板合成负链RNA 再以负链RNA为模板合成新的病毒RNA 与蛋白质组装成病毒颗粒 如脊髓灰质炎病毒 烟草花叶病毒和大肠杆菌Q 噬菌体 含有负链RNA的病毒侵入寄主细胞后 借助病毒带入的复制酶合成正链RNA 再以正链RNA为模板合成新的负链RNA 同时由新合成的正链RNA合成病毒复制酶及相关蛋白 再组装成新的病毒颗粒 如流感病毒 狂犬病病毒和水泡性口炎病毒 含有双链RNA的病毒侵入寄主细胞后 以双链RNA为模板进行不对称复制 合成正链RNA 再以正链RNA为模板合成负链 形成病毒RNA分子 同时由正链RNA翻译出复制酶及相关蛋白 组装成新的病毒颗粒 如呼肠孤病毒 逆转录病毒含正链RNA 在逆转录酶的催化下合成负链DNA 进一步生成双链DNA 然后由寄主细胞酶系统以负链DNA为模板合成病毒的正链RNA 同时翻译出病毒蛋白和逆转录酶 组成新的病毒颗粒 如艾滋病病毒 白血病病毒 它们的复制有其特有的特点 一是单链RNA的基因组必须反转录成双链DNA 二是随后这种DNA必须整合到细胞DNA中 三是整合状态长期持续下去并传给子代细胞 也可能转录RNA 生产子代病毒或使细胞转化 四是感染细胞不会死亡 分裂不停止 也就是说这类病毒的潜伏期很长 有时可以终身带毒而不发病 二 核酸合成的抑制剂核酸生物合成抑制剂是研究核酸合成的工具 有些已用于治疗疾病 这些抑制剂可直接抑制核酸的生物合成 或通过影响核苷酸的合成间接抑制核酸合成 核酸生物合成抑制剂可分为3种类型 1核苷酸合成抑制剂 2与DNA模板结合的抑制剂 3作用于聚合酶的抑制剂 1核苷酸合成抑制剂此类抑制剂是结构上类似于核苷酸合成代谢底物或中间产物的化合物 即所谓 抗代谢物 主要有3类 氨基酸类似物例如谷氨酰胺参与嘌呤核苷酸和CTP的合成 其类似物重氮乙酰丝氨酸 6 重 5 氧正亮氨酸可干扰核苷酸合成对Gln的利用 因而被用作抗菌素和抗肿瘤药物 叶酸类似物四氢叶酸作为一碳基团载体参与嘌呤核苷酸的合成 dTMP的合成也需要甲叉四氢叶酸提供甲基 因此叶酸类似物如氨基喋呤 氨甲喋呤等 可竞争性地与二氢叶酸还原酶结合 抑制二氢叶酸的再生 从而抑制核苷酸的合成 它们也被用作抗菌和抗肿瘤药物 如磺胺药与对氨基苯甲酸具有类似的结构 对氨基苯甲酸 二氢喋呤及谷氨酸是某些细菌合成二氢叶酸的原料 二氢叶酸转变成的四氢叶酸是细菌合成核酸不可缺少的辅酶 由于磺胺药是二氢叶酸合成酶的竞争性抑制剂 进而减少菌体内四氢叶酸的合成 使核酸合成障碍 导致细菌死亡 碱基和核苷类似物如6 巯基嘌呤 6 氮嘌呤 8 氮杂鸟嘌呤 6 硫鸟嘌呤 5 氟尿嘧啶 5 碘尿嘧啶 阿胞苷和环胞苷等 其中6 巯基嘌呤 5 氟尿嘧啶等已作用抗肿瘤药物 5 碘尿嘧啶和阿胞苷等用作抗病毒药物 碱基类似物直接抑制核苷酸合成途径有关的酶类 或掺入