的生物合成ppt课件

1、目目 录录第第 十十 一一 章章RNA的生物合成的生物合成转录转录P266RNA Biosynthesis, Transcription目目 录录转录转录 (transcription) 以以DNA为模板，以为模板，以NTP为原料，在为原料，在RNA聚合酶的作用下合成聚合酶的作用下合成RNA的过程。的过程。转转录录RNADNA 目目 录录参与转录的物质参与转录的物质原料原料: NTP (ATP, UTP, GTP, CTP) 模板模板: DNA酶酶: RNA聚合酶聚合酶(RNA polymerase, RNA-pol)其他蛋白质因子其他蛋白质因子目目 录录P266目目 录录复制和转录的区别复制

2、和转录的区别 A-U，T-A，G-CA-T，G-C配对配对mRNA，tRNA，rRNA子代双链子代双链DNA半保管复制半保管复制产物产物RNA聚合酶聚合酶RNA-polDNA聚合酶聚合酶酶酶NTPdNTP原料原料模板链转录不对称转录模板链转录不对称转录两股链均复制两股链均复制模板模板转录转录复制复制A-U，T-A，G-CA-T，G-C配对配对mRNA，tRNA，rRNA子代双链子代双链DNA半保管复制半保管复制产物产物RNA聚合酶聚合酶RNA-polDNA聚合酶聚合酶酶酶NTPdNTP原料原料模板链转录不对称转录模板链转录不对称转录两股链均复制两股链均复制模板模板转录转录复制复制引物引物需求需

3、求RNA不需求不需求P266目目 录录模板和酶模板和酶Templates and Templates and EnzymesEnzymes第一节第一节目目 录录一、转录模板一、转录模板 DNA分子上转录出分子上转录出RNA的区段，称为构造基因的区段，称为构造基因(structural gene)。 DNA双链中按碱基配对规律能指引转录生成双链中按碱基配对规律能指引转录生成RNA的一股单链，称为模板链的一股单链，称为模板链(template strand)，也称，也称作有意义链或作有意义链或Watson链。相对的另一股单链是编链。相对的另一股单链是编码链码链(coding strand)，也称为

4、反义链或，也称为反义链或Crick链。链。 目目 录录5GCAGTACATGTC 33 c g t c a t g t a c a g 55GCAGUACAUGUC 3NAla Val His Val C编码链编码链模板链模板链mRNA蛋白质蛋白质转录转录翻译翻译转录生成的转录生成的RNA链与编码链的碱基序列类似，以链与编码链的碱基序列类似，以U取代取代T目目 录录5 53 33 35 5模板链模板链编码链编码链编码链编码链模板链模板链构造基因构造基因转录方向转录方向转录方向转录方向目目 录录不对称转录不对称转录 (asymmetric transcription) 就某一确定活化基因的转录，

5、只能以就某一确定活化基因的转录，只能以DNA双链的一条链作为模板，这种景象称为不对双链的一条链作为模板，这种景象称为不对称转录。称转录。 两重含义：两重含义：在在DNA分子双链上某一区段分子双链上某一区段，一股链用作模板指引转录，一股链用作模板指引转录， 另一股链不转录另一股链不转录 ；模板链并非永远在同一条单模板链并非永远在同一条单链上。链上。目目 录录一原核生物的一原核生物的RNA聚合酶聚合酶 大肠杆菌大肠杆菌E.coliRNA 聚合酶：聚合酶：4种亚基种亚基、 组成的五聚体蛋白质组成的五聚体蛋白质 2 ，分子量，分子量480 kD。 36512 决定哪些基因被转录决定哪些基因被转录 15

6、0618 催化功能催化功能 155613 结合结合DNA模板模板 70263 辨认起始点辨认起始点亚亚 基基分分 子子 量量功功 能能二、二、RNARNA聚合酶聚合酶 P 269P 269目目 录录 中心酶中心酶core enzyme ： 2 能催化能催化NTP按模板的指引合成按模板的指引合成RNA，在转录，在转录延伸全过程中均起作用延伸全过程中均起作用 全酶全酶holoenzyme： 2 ， 亚基的功能是识别转录起始点，转录起亚基的功能是识别转录起始点，转录起始阶段需求全酶始阶段需求全酶 亚基亚基 + 中心酶中心酶目目 录录二真核生物的二真核生物的RNARNA聚合酶聚合酶 种类种类对鹅膏蕈碱

7、对鹅膏蕈碱的反应的反应45S-rRNAhnRNA5S-rRNAtRNAsnRNA耐受耐受极敏感极敏感中度敏感中度敏感转录产物转录产物目目 录录三、模板上酶的识别、结合三、模板上酶的识别、结合原核生物一个转录区段可视为一个转录单位，称原核生物一个转录区段可视为一个转录单位，称为支配子为支配子(operon)，包括假设干个构造基因及其上游，包括假设干个构造基因及其上游(upstream)的调控序列。的调控序列。 5335构造基因构造基因调控序列调控序列RNA-pol启动子启动子(promoter) ：指：指RNA聚合酶识别、结聚合酶识别、结合并开场转录的一段合并开场转录的一段DNA序列。原核生物启

8、动子序序列。原核生物启动子序列按功能的不同可分为三个部位，即起始部位、结列按功能的不同可分为三个部位，即起始部位、结合部位、识别部位。合部位、识别部位。目目 录录起始部位：起始部位： 指指DNA分子上开场转录的作用位点，分子上开场转录的作用位点，该位点有与转录生成新生该位点有与转录生成新生RNA链的第一个链的第一个核苷酸互补的碱基，该碱基的序号为核苷酸互补的碱基，该碱基的序号为+1。识别部位：识别部位： RNA 聚合酶聚合酶 亚基的识别部位。亚基的识别部位。 中心中心部位在部位在 35bp处处,该序列的碱基富含该序列的碱基富含TTGACA。Recognition site目目 录录结合部位：结

9、合部位： 是是DNA分子上与分子上与RNA聚合酶的中心酶结聚合酶的中心酶结合的部位，其长度为合的部位，其长度为7bp，中心部位在，中心部位在10bp处，碱基序列具有高度保守性，富含处，碱基序列具有高度保守性，富含TATAAT序列，故称之为序列，故称之为 TATA box (Pribnow box)。该序列中富含该序列中富含AT碱基，因此双链碱基，因此双链DNA易发生解易发生解链，有利于链，有利于RNA聚合酶的结合。聚合酶的结合。RNA聚合聚合酶维护法酶维护法目目 录录目目 录录转录过程转录过程The Process of The Process of TranscriptionTranscri

10、ption 第三节第三节 P 271目目 录录目目 录录一转录起始一转录起始转录起始需处理两个问题：转录起始需处理两个问题：RNA聚合酶必需准确地结合在转录模板的起聚合酶必需准确地结合在转录模板的起始区域。始区域。DNA双链解开，使其中的一条链作为转录的双链解开，使其中的一条链作为转录的模板。模板。一、原核生物的转录过程一、原核生物的转录过程2. DNA双链解开双链解开1. RNA聚合酶全酶聚合酶全酶(2)与模板与模板结合结合 3. 在在RNA聚合酶作用下发生第一次聚合反响，聚合酶作用下发生第一次聚合反响，构成转录起始复合物构成转录起始复合物 不需引物不需引物RNApol (2) - DNA

11、- pppGpN- OH 3转录起始复合物转录起始复合物:5-pppG -OH + NTP 5-pppGpN - OH 3 + ppi转录起始过程转录起始过程目目 录录Finding and binding the promoterClosed complex formationRNAP bound -40 to +20Open complex formationRNAP unwinds from -10 to +2Binding of 1st NTPAddition of next NTPsDissociation of sigmaAfter RNA chain is 6-10 NTPs l

12、ong目目 录录二转录延伸二转录延伸1. 亚基零落，亚基零落，RNApol聚合酶中心酶变构聚合酶中心酶变构，与模板结合松弛，沿着，与模板结合松弛，沿着DNA模板的模板的3 5前移；前移； 2. 在中心酶作用下，在中心酶作用下，NTP不断聚合，不断聚合，RNA链链按照按照5 3方向不断延伸。方向不断延伸。(NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPi目目 录录Release of s subunitdecreases the affinity of core enzyme for promoter RNA transcript is peeled away from template

13、 Core enzyme can move along the template strand转录空泡转录空泡(transcription bubble)：也称转录复合物，是由也称转录复合物，是由RNA聚合酶的中心酶、聚合酶的中心酶、DNA模板和转录产物模板和转录产物RNA三者结合在一同的复合体。三者结合在一同的复合体。 目目 录录目目 录录目目 录录oo 目目 录录5DNA原核生物转原核生物转录过程中的录过程中的羽毛状景象羽毛状景象核糖体核糖体RNARNA聚合酶聚合酶原核生物的原核生物的mRNA无需无需加工加工,转录与翻译偶联转录与翻译偶联3目目 录录三转录终止三转录终止 当中心酶沿模板当中

14、心酶沿模板DNA3 5 方向滑行至终止方向滑行至终止信号区域时终止子，转录便终止。信号区域时终止子，转录便终止。终止子：在模板终止子：在模板DNA分子上所转录的分子上所转录的RNA行将终了时，会出现带有终止信号的序列，行将终了时，会出现带有终止信号的序列，称为终止子称为终止子terminator。反向反复序列反向反复序列回文序列回文序列3355反向反复序列反向反复序列回文序列回文序列海上游客游上海海上游客游上海关下守将守下关关下守将守下关目目 录录根据能否需求蛋白质因子的参与，原核生物根据能否需求蛋白质因子的参与，原核生物转录终止分为转录终止分为 ：目目 录录Rho因子因子 因子因子 ： Rh

15、o因子是因子是rho基因的产物，基因的产物，广泛存在于原核和真核细胞中，由广泛存在于原核和真核细胞中，由6个亚基组成，分子个亚基组成，分子量量300KD。Rho因子结合在新生的因子结合在新生的RNA链上，由链上，由5端端向向3端的方向挪动。端的方向挪动。 Rho因子有因子有ATP酶的活性和解螺旋酶的活性酶的活性和解螺旋酶的活性因子因子 DNARNARNA聚合酶中心酶聚合酶中心酶P273原核生物的原核生物的转录终止转录终止1. 1. 依赖依赖RhoRho的转录终止的转录终止终止终止信号信号目目 录录2. 非依赖非依赖 Rho因子的转录终止因子的转录终止DNA模板上接近终止处，有些特殊的碱基模板上

16、接近终止处，有些特殊的碱基序列，转录出序列，转录出RNA后，后，RNA产物构成特殊的构产物构成特殊的构造来终止转录。造来终止转录。Stem-loop structure2. 非依赖非依赖Rho的转录终止的转录终止 RNA产物产物3端往往构成茎端往往构成茎环构造，该构环构造，该构造妨碍造妨碍RNA聚聚合酶前移。合酶前移。 寡聚寡聚U有利于有利于RNA不再依靠不再依靠DNA模板链而模板链而脱出。脱出。5335转录产物中有转录产物中有密集的密集的G-C配对，配对，构成茎环构造，构成茎环构造，其后有一串寡聚其后有一串寡聚U。rU:dA最不最不稳定。稳定。目目 录录茎环构造使转录终止的机理茎环构造使转录

17、终止的机理 使使RNA聚合酶变构，转录停顿；聚合酶变构，转录停顿； 使转录复合物趋于解离，使转录复合物趋于解离，RNA产物释放。产物释放。5 pppG5 3 35RNA-polCore enzyme杂化双链构成的时机减小杂化双链构成的时机减小寡聚的寡聚的U促使促使RNA从模板链零落从模板链零落目目 录录二、真核生物的转录起始二、真核生物的转录起始一转录起始一转录起始真核生物的转录起始上游区段比原核生物真核生物的转录起始上游区段比原核生物多样化，转录起始时，多样化，转录起始时，RNA-pol不直接结合模不直接结合模板，其起始过程比原核生物复杂。板，其起始过程比原核生物复杂。目目 录录真核生物编码

18、基因两侧的真核生物编码基因两侧的DNA序列，可影响本身基因的表达序列，可影响本身基因的表达活性，通常是非编码序列，包括启动子、加强子、沉默子活性，通常是非编码序列，包括启动子、加强子、沉默子转录起始点转录起始点顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element)1. 转录起始前的上游区段转录起始前的上游区段 AATAAA切离加尾切离加尾 转录终止点转录终止点 修饰点修饰点 外显子外显子 翻译起始点翻译起始点内含子内含子 TATA盒盒CAAT盒盒GC盒盒 OCT-1 加强子加强子OCT-1：ATTTGCAT八聚体八聚体octomer目目 录录2. 转录因子转录因子 能直接、间接识别和

19、结合转录上游区段能直接、间接识别和结合转录上游区段DNA的蛋白质，现已发现数百种，统称为反的蛋白质，现已发现数百种，统称为反式作用因子式作用因子(trans-acting factors)。 反式作用因子中，直接或间接结合反式作用因子中，直接或间接结合RNA聚合酶的，那么称为转录因子聚合酶的，那么称为转录因子(transcriptional factors, TF)。 目目 录录参与参与RNA-pol转录的转录的TF 蛋白激酶活性，使蛋白激酶活性，使CTD磷磷酸化酸化TFHATPase57（ ） 34（ ）TFE解螺旋酶解螺旋酶30，74TFF促进促进RNA-pol结合及作结合及作为其他因子结

20、合的桥梁为其他因子结合的桥梁33TFB稳定稳定TFD-DNA复合物复合物12，19，35TFA辅助辅助TBP-DNA结合结合TAF*结合结合TATA盒盒TBP* 38TFD功功能能亚基组成，分子量亚基组成，分子量(kD)转录因子转录因子蛋白激酶活性，使蛋白激酶活性，使CTD磷磷酸化酸化TFHATPase57（ ） 34（ ）TFE解螺旋酶解螺旋酶30，74TFF促进促进RNA-pol结合及作结合及作为其他因子结合的桥梁为其他因子结合的桥梁33TFB稳定稳定TFD-DNA复合物复合物12，19，35TFA辅助辅助TBP-DNA结合结合TAF*结合结合TATA盒盒TBP* 38TFD功功能能亚基组

21、成，分子量亚基组成，分子量(kD)转录因子转录因子目目 录录3. 转录起始前复合物转录起始前复合物 (pre-initiation complex, PIC) 真核生物真核生物RNA-pol不与不与DNA分子直接结合，而需分子直接结合，而需依托众多的转录因子。依托众多的转录因子。 4. 模板实际模板实际(piecing theory) 一个真核生物基因的转录需求一个真核生物基因的转录需求3至至5个转录个转录因子。转录因子之间相互结合，生成有活性，有因子。转录因子之间相互结合，生成有活性，有专注性的复合物，再与专注性的复合物，再与RNA聚合酶搭配而有针聚合酶搭配而有针对性地结合、转录相应的基因。

22、对性地结合、转录相应的基因。 目目 录录POL-TFFAB由由RNA-Pol 催化转录的催化转录的PIC POL-TFFHETBPTAFTFD-A-B-DNA复合物复合物TATAABTBPTAFTATAHECTD-PPIC组装完成，组装完成，TFH使使CTD磷酸化磷酸化目目 录录二转录延伸二转录延伸真核生物转录延伸过程与原核生物大致真核生物转录延伸过程与原核生物大致类似，但因有核膜相隔，没有转录与翻译同类似，但因有核膜相隔，没有转录与翻译同步的景象。步的景象。 RNA-pol前移处处都遇上核小体。前移处处都遇上核小体。 转录延伸过程中可以察看到核小体移位转录延伸过程中可以察看到核小体移位和解聚

23、景象。和解聚景象。 目目 录录RNA-PolRNA-PolRNA-Pol核小体核小体转转录录延延伸伸中中的的核核小小体体移移位位转录方向转录方向目目 录录5 -AAUAAA-5 -AAUAAA-核酸酶核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAA GTGTGTG转录终止的修饰点转录终止的修饰点5 5 3 3 3 3 加尾加尾AAAAAAA 3 mRNA三转录终止三转录终止 和转录后修饰亲密相关。和转录后修饰亲密相关。目目 录录真核生物真核生物RNARNA的加工的加工Post-transcriptional Post-transcriptional ModificationModificati

24、on第四节第四节 P281目目 录录几种主要的修饰方式几种主要的修饰方式1. 剪接剪接(splicing)2. 剪切剪切(cleavage)3. 修饰修饰(modification)4. 添加添加(addition)目目 录录mRNA的转录后加工真核生物的转录后加工真核生物tRNA的转录后加工自学的转录后加工自学rRNA的转录后加工自学的转录后加工自学目目 录录 hnRNA hetero-nuclear RNA, hnRNA 核内出现的转录初级产物，分子量往往比在胞浆内出现的成熟mRNA大几倍，甚至数十倍，核内的初级mRNA称为核内不均一RNA。一、真核生物一、真核生物mRNA的转录后加工的转

25、录后加工加帽、加尾、剪接加帽、加尾、剪接核内不均一核内不均一RNA 成熟成熟mRNA 5端构成端构成 帽子构造帽子构造 (m7GpppGp )3端加上多聚腺苷酸尾巴端加上多聚腺苷酸尾巴 (poly A tail)3. 中间非编码序列的切除、拼接中间非编码序列的切除、拼接目目 录录v5-末端：末端：m7G-ppp5-Np帽帽v 蛋白质合成时：促进核蛋白体与蛋白质合成时：促进核蛋白体与mRNA的结合，加速翻的结合，加速翻译的起始速度译的起始速度v 加强加强mRNA的稳定性，防止被核酸酶水解的稳定性，防止被核酸酶水解v3-末端：末端：polyA尾尾v参与参与mRNA从核内向胞质的转移从核内向胞质的转

26、移 v防止外切酶的水解，加强防止外切酶的水解，加强mRNA的稳定性的稳定性目目 录录三三mRNAmRNA的剪接的剪接1. hnRNA 和和 snRNA 核内的初级核内的初级mRNA称为核内不均一称为核内不均一RNA (hetero-nuclear RNA, hnRNA) snRNA (small nuclear RNA)核内的蛋白质核内的蛋白质小分子核糖核蛋白体小分子核糖核蛋白体small nuclear ribonucleoprotein snRNP snRNA目目 录录真核生物构造基因，由假设干个编码区和非编码真核生物构造基因，由假设干个编码区和非编码区相互间隔开但又延续镶嵌而成，去除非编

27、码区再衔区相互间隔开但又延续镶嵌而成，去除非编码区再衔接后，可翻译出由延续氨基酸组成的完好蛋白质，这接后，可翻译出由延续氨基酸组成的完好蛋白质，这些基因称为断裂基因。些基因称为断裂基因。 断裂基因断裂基因(splite gene)CABD编码区编码区 A、B、C、D非编码区非编码区*外显子exon 构造基因中有表达活性的编码区*内含子intron 构造基因中无表达活性的非编码区。目目 录录 mRNA的剪接Splicing 剪接是除去剪接是除去hnRNA中的内含子，中的内含子，拼接外显子。首先内拼接外显子。首先内含子弯曲成套索状构含子弯曲成套索状构造，称套索造，称套索RNAlariat RNA，

28、然，然后外显子相互接近并后外显子相互接近并衔接。衔接。鸡卵清蛋白成熟鸡卵清蛋白成熟mRNA与与DNA杂交电镜图杂交电镜图DNAmRNA目目 录录 mRNA的剪接自学的剪接自学 除去除去hnRNA中的内含子，将外显子衔接。中的内含子，将外显子衔接。snRNP与与hnRNA结合成为并接体结合成为并接体(splicesome)目目 录录目目 录录5. mRNA的编辑的编辑(mRNA editing)P286 人类人类apo B基因基因 mRNA14500个核苷酸个核苷酸肝脏肝脏apo B100分子量为分子量为500 000肠道细胞肠道细胞apo B48分子量为分子量为240 000mRNA编辑编辑R

29、NAaseP、内切酶内切酶目目 录录tRNA核苷酸转移酶核苷酸转移酶、衔接酶、衔接酶RNAaseP、内切酶内切酶目目 录录tRNA核苷酸转移酶核苷酸转移酶、衔接酶、衔接酶二、二、tRNA的转录后加工的转录后加工碱基修饰碱基修饰2复原反响复原反响 如：如：U DHU 3核苷内的转位反响核苷内的转位反响 如：如：U 4脱氨反响脱氨反响 如：如：A I 如：如：A Am1甲基化甲基化11324目目 录录目目 录录三、三、rRNA的转录后加工的转录后加工转录转录45S - rRNA剪接剪接18S - rRNA5.8S和和28S-rRNArDNA内含子内含子内含子内含子28S5.8S18S目目 录录核酶

30、能起催化作用的构造要求：核酶能起催化作用的构造要求：槌头状构造槌头状构造 (hammerhead structure)底物部分底物部分通常为通常为60个核苷酸左右个核苷酸左右至少含有至少含有3 个茎，个茎，1至至3个环个环至少有至少有13个一致性的碱个一致性的碱基位点。基位点。核酶核酶Ribozyme具有催化功能酶的作用的具有催化功能酶的作用的RNA分子分子目目 录录核酶研讨的意义核酶研讨的意义人工设计的核酶人工设计的核酶粗线表示合成的核酸分子粗线表示合成的核酸分子细线表示天然的核酸分子细线表示天然的核酸分子X 表示一致性序列表示一致性序列箭头表示切断点箭头表示切断点目目 录录目目 录录目目 录录Asymmetric transcription