生物化学课件：第14章 RNA的生物合成

1、,DNA,Replication,RNA,Replication,Reverse Transcription,Protein,Translation,Transcription,Central dogma,第 十 四 章,RNA的生物合成 RNA Biosynthesis,转录 (transcription) DNA指导下RNA的生物合成 。,转录,复制和转录的区别,参与转录的物质,模板: DNA 酶: RNA聚合酶(RNA polymerase, RNA-pol) 原料: NTP (ATP, UTP, GTP, CTP) 其他蛋白质因子,转录体系,第一节,一、RNA聚合酶,（一）原核生物的R

2、NA聚合酶,a,40 000,与启动子上游元件和活化因子结合,b,155 000,催化中心,b,160 000,结合,DNA,模板,s,32 00092 000,识别启动子促进转录的起始,亚,基,分,子,量,功,能,因子,核心酶 (core enzyme),全酶 (holoenzyme),RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合,（二）真核生物的RNA聚合酶,真核生物的RNA聚合酶没有因子这样的存在，必须借助各种转录因子启动转录。 核心亚基：CTD（羧基末端结构域） 磷酸化与去磷酸化,二、转录模板,DNA分子上转录出RNA的区段，称为结构基因(structural gene)。 DNA双链中的某一基

3、因转录时作为有效转录模板的一股单链，称为模板链(template strand)，也称作反义链或负链，按碱基配对规律能指引转录生成RNA。相对的另一股单链是编码链(coding strand)，也称为有意义链或正链。,5GCAGTACATGTC 3,3 c g t g a t g t a c a g 5,5GCAGUACAUGUC 3,NAla Val His Val C,编码链,模板链,mRNA,蛋白质,转录,翻译,不对称转录(asymmetric transcription),1.在DNA分子双链上某一区段，一股链用作模板指引转录，另一股链不转录； 2.模板链并非永远在同一条单链上。,5

4、3,3 5,模板链,编码链,编码链,模板链,结构基因,（一）、启动子,原核生物一个转录区段可视为一个转录单位，称为操纵子(operon)，包括若干个结构基因及其上游(upstream)的调控序列。,RNA聚合酶识别、结合和开始转录的一段 DNA序列，称为启动子(promoter)。,RNA聚合酶保护法,目 录,开始转录,T T G A C A A A C T G T,-35 区,结合部位 TATA盒又称Pribnow box,T A T A A T A T A T T A,-10 区,原核生物启动子保守序列,RNA-pol识别部位,G或 A ，以 G为多见,起始部位,大肠杆菌中部分启动子上的一

5、致顺序,结构基因,-GCGC-CAAT-TATA,真核生物启动子保守序列,（1）上游启动序列,启动子决定了被转录基因的启动频率与精确性，在序列中的位置和方向是严格固定的。,（2）转录因子 真核生物的启动子由转录因子而不是RNA聚合酶所识别的。 多种转录因子和RNA聚合酶形成转录前起始复合物，启动和促进转录。 转录因子可分为三型： 通用因子 上游因子 可诱导因子,（二）、终止子,是指提供转录终止信号的DNA序列 真核生物的转录终止与转录后的加工修饰有关 原核生物RNA转录终止子有两类：,依赖Rho ()因子的转录终止 非依赖Rho因子的转录终止,转录过程 The Process of Trans

6、cription,第二节,（一）转录起始,转录起始需解决两个问题： RNA聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域。 DNA双链解开，使其中的一条链作为转录的模板。,一、原核生物的转录过程,2. DNA双链解开,1. RNA聚合酶全酶(2)与模板结合,3. 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,RNApol (2) - DNA - pppGpN- OH 3,转录起始复合物:,5-pppG -OH + NTP 5-pppGpN - OH 3 + ppi,转录起始过程,转录起始不需要引物，起始点处两个与模板配对的相邻核苷酸，在RNA - pol催化下形成磷酸二酯键。,（二）转

7、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,目 录,目 录,依赖Rho ()因子的转录终止 非依赖Rho ()因子的转录终止,（三）转录终止,指RNA聚合酶在DNA模板上停顿下来不再前进，转录产物RNA链从转录复合物上脱落下来。,分类,1. 依赖 因子的转录终止,因子：控制转录终止的蛋白质，对RNA中polyC的结合能力强，具有AT

8、P酶活性和解螺旋酶活性。 作用方式： 当RNA转录产物出现终止信号polyC时， 因子与RNA结合，使RNA聚合酶和因子发生结构变化，停止转录，RNA链从转录复合物中释放。,依赖 Rho因子的转录终止,2. 非依赖 Rho因子的转录终止,DNA模板上靠近终止处，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。,茎环结构使转录终止的机理,使RNA聚合酶变构，转录停顿； 使转录复合物趋于解离，RNA产物释放。,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,二、真核生物的转录,（一）转录起始,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

9、时，RNA-pol不直接结合模板，由转录因子来识别起始部位，其起始过程比原核生物复杂。,转录起始点,TATA盒,CAAT盒,GC盒,增强子,顺式作用元件(cis-acting element),1. 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,2. 转录因子,能直接、间接辨认和结合转录上游区段DNA的蛋白质，现已发现数百种，统称为反式作用因子(trans-acting factors)。,反式作用因子中，直接或间接结合RNA聚合酶的，则称为转录因子(transcriptional factors,

10、 TF)。,参与RNA-pol转录的TF,蛋白激酶活性，使,CTD,磷,酸化,TF,H,结合RNA-pol 和TF B,57,（,a,）,34,（,b,）,TF,E,30,，,74,TF,F,促进,RNA,-,pol,结合及作,为其他因子结合的桥梁,33,TF,B,稳定,TF,D,-,DNA,复合物,12,，,19,，,35,TF,A,辅助,TBP,-,DNA,结合,TAF*,结合,TATA,盒,TBP* 38,TF,D,功,能,亚基组成，分子量,(,kD,),转录因子,蛋白激酶活性，使,CTD,磷,酸化,TF,H,57,（,a,）,34,（,b,）,TF,E,解螺旋酶 ATPase,30,，

11、,74,TF,F,促进,RNA,-,pol,结合及作,为其他因子结合的桥梁,33,TF,B,稳定,TF,D,-,DNA,复合物,12,，,19,，,35,TF,A,辅助,TBP,-,DNA,结合,TAF*,结合,TATA,盒,TBP* 38,TF,D,功,能,亚基组成，分子量,(,kD,),转录因子,3. 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,T

12、ATA,H,E,PIC组装完成，TFH使CTD磷酸化,4. 模板理论(piecing theory),一个真核生物基因的转录需要3至5个转录因子。转录因子之间互相结合，生成有活性，有专一性的复合物，再与RNA聚合酶搭配而有针对性地结合、转录相应的基因。,（二）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。,RNA-pol前移处处都遇上核小体。,转录延长过程中可以观察到核小体移位和解聚现象。,RNA-Pol,RNA-Pol,RNA-Pol,核小体,转录延长中的核小体移位,转录方向,5-AAUAAA-,5 -AAUAAA-,核酸酶,-GUGUGUG,R

13、NA-pol,AATAAA GTGTGTG,转录终止的修饰点,5,5,3,3,3加尾,AAAAAAA 3 mRNA,（三）转录终止, 和转录后修饰密切相关。,第三节RNA的转录后加工,几种主要的加工方式,1. 剪接(splicing),2. 剪切(cleavage),3. 修饰(modification),4. 添加(addition),5. RNA编辑(RNA editing),原核生物中RNA的加工,原核生物中rRNA前体的加工 原核生物中tRNA前体的加工 原核生物中mRNA前体的加工,真核生物中RNA的加工,真核生物中rRNA前体的加工 真核生物中tRNA前体的加工 真核生物中mRNA

14、前体的加工,（一）真核生物中的rRNA基因,真核生物的rRNA基因属于丰富基因族的DNA序列,每个基因又被不能转录的基因间隔分段隔开。 真核生物内是一种45S的转录产物，通过剪切形成18SrRNA、5.8SrRNA、28SrRNA，成熟后，与核糖体蛋白质形成核糖体，输出胞浆。,（一）、真核生物中rRNA前体的加工,(二)、tRNA前体的加工,tRNA前体,目 录,目 录,tRNA核苷酸转移酶、连接酶,ATP,ADP,目 录,碱基修饰,目 录,（三）、真核生物mRNA前体的加工,1、首、尾的修饰,5端形成 帽子结构(m7GpppGp ) 3端加上多聚腺苷酸尾巴(poly A tail),帽子结构

15、,5 pppGp,帽子结构的生成,真核生物mRNA 的帽子结构,真核生物mRNA 帽子结构的功能,为核糖体对mRNA识别提供信号 增加mRNA的稳定性：免遭核酸酶的破坏,功能 细胞核细胞质 增加mRNA在细胞质中的稳定性,3端加上多聚腺苷酸尾巴(poly A tail),2、mRNA的剪接,(1). hnRNA 和 snRNA,核内的初级mRNA称为杂化核RNA (hetero-nuclear RNA, hnRNA) snRNA (small nuclear RNA),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

16、质，这些基因称为断裂基因。,断裂基因(splite gene),编码区 A、B、C、D,(2). 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。,鸡卵清蛋白基因,hnRNA,首、尾修饰,hnRNA剪接,成熟的mRNA,鸡卵清蛋白基因及其转录、转录后修饰,目 录,鸡卵清蛋白成熟mRNA与DNA杂交电镜图,DNA,mRNA,目 录,(3). 内含子的分类,根据基因的类型和剪接的方式，通常把内含子分为4类。,I：主要存在于线粒体、叶绿体及某些低等真核生物的 rRNA基因；

17、 II：也发现于线粒体、叶绿体，转录产物是mRNA； III：是常见的形成套索结构后剪接，大多数mRNA基因有此类内含子； IV：是tRNA基因及其初级转录产物中的内含子，剪接过程需酶及ATP。,(4). mRNA的剪接, 除去hnRNA中的内含子，将外显子连接。,snRNP与hnRNA结合成为并接体,目 录,pG-OH (ppG-OH, pppG-OH),剪接过程的二次转酯反应, RNA编辑作用说明，基因的编码序列经过转录后加工，是可有多用途分化的，因此也称为分化加工(differential RNA processing)。,(5). mRNA的编辑(mRNA editing),RNA的编辑,第四节,RNA指导RNA的合成 RNA的复制 某些病毒RNA，当它侵入到宿主细胞后，可借助复制酶（RNA指导的RNA聚合酶）进行病毒RNA的复制。,病毒RNA