RNA的生物合成

第十三章,RNA的生物合成（转录）RNA Biosynthesis， transcription,1、原核生物转录的模板和酶2、原核生物的转录过程3、真核生物的转录过程4、真核生物RNA的加工,转录的概念,转录：是指在RNA聚合酶催化下，以DNA的模板链为模板，4种NTP为原料，按碱基配对规律(T-A,A-U,G-C)合成一条与模板链互补的RNA链的过程。,参与转录的物质,原料: NTP (ATP, UTP, GTP, CTP) 模板: 单链DNA酶: RNA聚合酶(RNA polymerase, RNA-pol)其他蛋白质因子,转录与复制的异同点,相同之处酶促的核苷酸聚合过程以DNA为模板需依赖DNA的聚合酶形成磷酸二酯键延伸方向一致遵从碱基配对规律,不同之处,第一节原核生物转录的模板和酶,转录模板RNA聚合酶RNA聚合酶如何启动转录,一、转录模板,细胞内DNA不是其全长都可作为转录模板 ，能转录出RNA的DNA区段，称为结构基因（structural gene)。DNA双链中，能作为模板转录出 RNA 的一条链，称为模板链(或反意义链)。 同一DNA双链中与模板链相对(互补)的一条链称为编码链(或有意义链)，可见转录是不对称的 。模板链=反意义链=负链 编码链=有意义链=正链,为何称模板链为反意义链 ，编码链为有意义链？, GCA GTA CAT GTC 3 编码链,3 c g t c a t g t a c a g 模板链,DNA,转录, GCA GUA CAU GUC 3 mRNA,翻译,N 丙 缬 组 缬 C 肽,比较编码链和 RNA 链的碱基序列可见，除了以代外，其余均一致。基因组序列均以编码链(正链)表示.,不对称转录,不对称转录：是指在一个包含多个结构基因的双链DNA分子中，只有模板链转录，而且各结构基因的模板链并不总是存在于一条链上，在某个基因中以这一条链为模板，在另一个基因中则以另一条链为模板，这种转录现象称为不对称转录。,不对称转录的两方面含义 ：,模板链（含结构基因）,编码链,1、DNA 分子上的一条链可转录，另一条不转录。 2、模板链并非永远在同一单链上。,特点：1.以四种三磷酸核苷酸（NTP）作为原料: 2.遵循碱基配对原则: A-U，T-A，C-G；3.RNA链的延长方向是53的连续合成。3.不需要引物。4.缺乏35外切酶活性，所以没有校正功能。,二、RNA聚合酶,全称为依赖DNA的RNA聚合酶(DNA-dependent RNA polymerase , DDRP) 原核生物（E.Coli）的DDRP 由 5 个亚基组成 2(核心酶) +因子 2(全酶),原核生物RNA 聚合酶,核心酶 (core enzyme),全酶 (holoenzyme),四种亚基的功能分别为： 亚基：决定哪些基因被转录。 亚基：含催化部位，起催化作用，催化形成磷酸二酯键，与转录全过程有关。 亚基：与DNA模板结合，解开双链。 亚基：识别起始位点，结合启动子。,不同的因子识别不同的启动子，从而表达不同的基因。不同的原核生物，都具有相同的核心酶，但亚基有所差别，这决定了原核基因表达的选择性。,利福平或利福霉素是原核生物RNA-pol的特异性抑制剂，特异性结合亚基。,三、模板与酶的辨认、结合,操纵子：原核生物DNA分子中的每一个转录区段可视为一个转录单位，称为操纵子。结构上包括两个功能区：结构基因、调控序列（启动子、操纵基因、终止辨认子和调节基因等）。其中启动子是RNA聚合酶辨认、结合模板DNA的部位，也是控制转录的关键部位。,模板链上每转录一个RNA，就要有一个特殊的转录起始位点即启动子。,RNA 聚合酶识别、结合并起始转录的一段 DNA 序列就叫启动子。,起始位点的识别识别正确的启动子，启动子的结构由三部分组成： 35区 TTGACA提供了RNA聚合酶全酶识别的信号，辨认结合后，酶向下游移动，达到Pribnow盒（10区 TATAAT）； -10区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。,识别部位,结合部位,第二节：原核生物的转录过程,起始延长终止,一、转录起始,1. RNA聚合酶准确地结合在转录模板的起始区域。 2. DNA双链解开，其中的一条链作为转录的模板合 成第一个磷酸二酯键。,转录起始复合物：启动子、全酶和第一个磷酸二酯键形成的复合物称为三元起始复合物。,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,转录空泡(transcription bubble)：,RNA-pol （核心酶） DNA RNA,5,3,DNA,原核生物转录过程中的羽毛状现象,核糖体,RNA,RNA聚合酶,三、转录终止,分类,依赖Rho ()因子的转录终止非依赖Rho因子的转录终止,指RNA聚合酶在DNA模板某一位置（终止子）上停止不再前进，转录产物RNA链从转录复合物上脱落下来。,1. 依赖 (Rho)因子的转录终止,因子（终止因子）为蛋白质因子，有ATP酶活性和解螺旋酶活性，能与新合成的RNA结合并使RNA链解离释放。,依赖因子的转录终止,A T P,2.非依赖 Rho因子的转录终止,DNA模板上靠近终止子 ，有些特殊的碱基序列，转录出RNA后，RNA产物形成特殊的结构来终止转录。,共同的特点:,1.有一段富含GC的反向重复序列(回文序列);2. 其后还跟随一段富含A的序列;,茎环结构使转录终止的机理,使RNA聚合酶变构，转录停顿； RNA-DNA杂化双链不稳定： DNA复性，RNA自身形成双链； RNA3端，连续多个不稳定的U与A 碱基配对，加速 转录复合体解体。,转录过程,第三节真核生物转录过程,起始延伸终止,真核生物RNA聚合酶,种类 存在部位 转录产物 对鹅膏蕈碱的敏感性,RNA聚合酶 核仁 45S rRNA 不敏感,RNA聚合酶 核质 hnRNA 极敏感,RNA聚合酶 核质 tRNA、5S-rRNA和snRNA 中度敏感,注：DDRP无3 5/ 5 3外切酶活性,原、真核生物RNA聚合酶间的比较,转录起始,（一）转录起始前的上游区段 包括转录起始点及其上游约100200bp序列，由若干具有独立功能的DNA序列元件（顺式作用元件）构成，每个元件约长730bp。,转录起始点,TATA盒,CAAT盒,GC盒,增强子,顺式作用元件(cis-acting element),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,顺式作用元件,顺式作用元件：是指存在于真核生物DNA分子上的，能影响自身基因表达活性的DNA序列。,（二）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，通称为反式作用因子（trans-acting factors)。 其中能直接或间接结合RNA聚合酶的称为转录因子（transcriptional factors,TF)，又称为通用转录因子或基本转录因子。 分类：TF、TF、TF,参与RNApol 转录的TF,（三） 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。,TFF,A,B,由RNA-Pol 催化转录的PIC,H,E,TBP,TAF,TFD-A-B-DNA复合物,TATA,A,B,TBP,TAF,TATA,H,E,PIC组装完成，TFH使CTD磷酸化,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。 核小体移位与解聚,RNA-pol前移处处都遇上核小体。,RNA-Pol,RNA-Pol,RNA-Pol,核小体,转录延长中的核小体移位,转录方向,转录终止,和转录后修饰密切相关。真核转录的转录终止序列，在编码链末端有共同序列AATAAA及多个GT序列，合成的mRNA在转录终止序列处被切断。,5-AAUAAA-,5 -AAUAAA-,核酸酶,-GUGUGUG,RNA-pol,AATAAA GTGTGTG,转录终止的修饰点,5,5,3,3,3加尾,AAAAAAA 3 mRNA,AATAAA,GTGTGTG,-,AAUAAA,GUGUGUG,AAUAAA,GUGUGUG,酶切,加尾信号,GT丰富序列,AATAAA,GTGTGTG,-,AAUAAA,GUGUGUG,酶切,(继续转录，但5端没有“帽子”，产物被降解）,加尾,第四节：真核生物RNA的加工,意义：转录生成的前体RNA,无生物学活性,需加工变为成熟、有活性的RNA 加工种类：剪切与剪接、末端添加核苷酸、修饰、RNA编辑,转录后的加工,原核RNA不需加工，边转录边翻译,真核RNA需加工,rRNA,tRNA,mRNA,5加帽,3加尾,剪接,在转录过程中,转录后进行,一、mRNA的加工、修饰,加帽加尾剪接编辑,加帽：在真核生物mRNA的5末端形成7甲基鸟苷三磷酸的帽子结构。该结构可以保护mRNA免遭核酸酶的攻击。加尾：是在转录终止过程中完成，在mRNA的3末端形成polA的尾巴。,5加帽(m7GpppGp ),ppi,5pppG,磷酸酶,pi,5ppG,pppG,5GpppG,甲基化酶,CH3,mGpppG,O,H,O,H,帽1,帽0,帽2,7-甲基鸟苷5，5-三磷酸,3加尾(poly A tail),AAUAAA,AAAAAAAAA.,加尾,AATAAA,GTGTGTG,-,AAUAAA,GUGUGUG,AAUAAA,GUGUGUG,酶切,转录的终止,加尾信号,GC丰富序列,polyA尾（约20200个A）,A,A,A,A,A,A,mRNA前体的剪接,1. hnRNA 和 snRNA 核内的初级mRNA称为杂化核RNA (hetero-nuclear RNA, hnRNA),2.断裂基因(splite gene) 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。,编码区 A、B、C、D,3.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。,剪接:是指hnRNA被剪接体作用，剪除内含子、连接外显子，产生成熟mRNA的过程。,外显子,内含子,DNA,mRNA,转录,形成套索RNA，外显子靠近,剪接体,去除套索RNA，外显子连接,成熟mRNA,mRNA的剪接,mRNA的编辑,RNA编辑的生物学意义扩充了遗传信息，增加了基因产物的多样性，有利于进化；与生物发育与分化有关，是基因调控的一种重要方式；通过构建或去除起始密码子或终止密码子，调控翻译。,二、tRNA的转录后加工,（一）剪接和剪切 （二）3端添加CCA （三）化学修饰,（一）剪接和剪切,（