武大张楚富版生化第二十章.转录与加工

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1、UAACGAUCGAUCUAGAUCGAUCGAUCUAGAUCGGCCUUACUUUAACGAUCGAUCUAGAUCGGCCAGAUC生物化学生物化学1第二十章第二十章 转录与加工转录与加工UAACGAUCGAUCUAGAUCGAUCGAUCUAGAUCGGCCUUACUUUAACGAUCGAUCUAGAUCGGCCAGAUC生物化学生物化学2在在DNA指导下指导下RNA的合成称为转录。的合成称为转录。RNA链的转录始于链的转录始于DNA模板的起始位点，止于终模板的起始位点，止于终止位点。此转录区域称为止位点。此转录区域称为转录单位转录单位。转录的起始是由启动子(promotor)控制；控

2、制终止的部位称为终止子(terminator)。顺式作用元件：DNA上影响基因活性的遗传元件。反式作用因子：第一节原核生物的转录第一节原核生物的转录UAACGAUCGAUCUAGAUCGAUCGAUCUAGAUCGGCCUUACUUUAACGAUCGAUCUAGAUCGGCCAGAUC生物化学生物化学3 DNA双链在转录过程中只有一条链中的某一片段（活双链在转录过程中只有一条链中的某一片段（活化基因）起作用，该链称化基因）起作用，该链称模板链模板链（template strand），），又称又称反义链，反义链，“”链链；与其互补的链称为；与其互补的链称为编码链编码链（coding strand

3、），又称），又称有义链有义链，“”链链。模板链、编码链模板链、编码链：P582模板链模板链5 CGCTATAGCGTTT 3 DNA编码链（编码链（+）3 GCGATATCGCAAA 5 DNA模板链（模板链（-）5 CGCUAUAGCGUUU 3 RNA转录本转录本转录生成的转录生成的RNA链与编码链的碱基序列相似，以链与编码链的碱基序列相似，以U取代取代TUAACGAUCGAUCUAGAUCGAUCGAUCUAGAUCGGCCUUACUUUAACGAUCGAUCUAGAUCGGCCAGAUC生物化学生物化学5RNA聚合酶聚合酶(DNA dependent RNA polymerase,RN

4、A pol)UAACGAUCGAUCUAGAUCGAUCGAUCUAGAUCGGCCUUACUUUAACGAUCGAUCUAGAUCGGCCAGAUC生物化学生物化学6（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.coli）RNA 聚合酶：聚合酶：4种亚基种亚基、/sigma/组成的组成的五聚体蛋白质五聚体蛋白质，分子量，分子量460 kD。亚基亚基 分子量分子量 功能功能 37 kD 决定哪些基因被转录决定哪些基因被转录 150 kD 与转录与转录催化催化有关有关 156 kD 结合结合DNA模板（模板（开链开链）70 kD 辨认转录起始点辨认转录起始点p581

5、UAACGAUCGAUCUAGAUCGAUCGAUCUAGAUCGGCCUUACUUUAACGAUCGAUCUAGAUCGGCCAGAUC生物化学生物化学7 核心酶核心酶（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，在转录全全过程过程中均起作用中均起作用 全酶全酶：2 ，即即 亚基亚基+核心酶核心酶 亚基的功能是亚基的功能是辨认转录起始点辨认转录起始点，转录起始阶段需要转录起始阶段需要全酶全酶大肠杆菌大肠杆菌RNA聚合酶的结构示意图聚合酶的结构示意图 核心酶核心酶(2 2)起始因子起始因子 和模板和模板DNADNA结合结合起始和催化聚合反应起

6、始和催化聚合反应？全酶全酶(22 )UAACGAUCGAUCUAGAUCGAUCGAUCUAGAUCGGCCUUACUUUAACGAUCGAUCUAGAUCGGCCAGAUC生物化学生物化学10（一）启动子（启动子（promotor）指指RNA聚合酶识别、结合并开始转录的一段聚合酶识别、结合并开始转录的一段 DNA序列。原核生物启动子序列按功能的不同可分序列。原核生物启动子序列按功能的不同可分为为三个部位，即三个部位，即起始部位、结合部位、识别部位起始部位、结合部位、识别部位。UAACGAUCGAUCUAGAUCGAUCGAUCUAGAUCGGCCUUACUUUAACGAUCGAUCUAGAU

7、CGGCCAGAUC生物化学生物化学11起始部位：起始部位：指指DNA分子上分子上开始转录开始转录的作用位点，该位点的作用位点，该位点有与转录生成有与转录生成RNA链的第一个核苷酸互补的碱基，链的第一个核苷酸互补的碱基，该碱基的序号为该碱基的序号为+1。识别部位：识别部位：3535区区 RNA 聚合酶聚合酶 亚基亚基的识别部位。的识别部位。中心部位中心部位在在35bp35bp处处,该序列的碱基富含该序列的碱基富含TTGACATTGACA。P583UAACGAUCGAUCUAGAUCGAUCGAUCUAGAUCGGCCUUACUUUAACGAUCGAUCUAGAUCGGCCAGAUC生物化学生物

8、化学12结合部位：结合部位：10区、区、TATA boxTATA box、PribnowPribnow box box 是是DNADNA分子上与分子上与RNARNA聚合酶的聚合酶的核心酶核心酶结合的部位，结合的部位，其长度为其长度为7bp7bp，中心部位在，中心部位在10bp10bp处，碱基序列具有高处，碱基序列具有高度保守性，富含度保守性，富含TATAATTATAAT序列，故称之为序列，故称之为 TATATATA盒（盒（TATA TATA boxbox），又称），又称 PribnowPribnow box box。该序列中该序列中富含富含ATAT碱基，维持双链结合的氢键相对碱基，维持双链结合

9、的氢键相对较弱，导致该处双链较弱，导致该处双链DNADNA易发生解链易发生解链，有利于，有利于RNARNA聚合聚合酶的结合。酶的结合。大肠杆菌启动子共有序列的功能 AGTCTTGACA TAT ATAAAT AACTGT AAT Pribnow框框-10-35识别区识别区16-19bp5-9bp起点5UAACGAUCGAUCUAGAUCGAUCGAUCUAGAUCGGCCUUACUUUAACGAUCGAUCUAGAUCGGCCAGAUC生物化学生物化学14 大肠杆菌转录过程包括转录大肠杆菌转录过程包括转录起始、延长、终止起始、延长、终止三步。三步。真核生物的转录，除延长过程相似外，起始、终止都

10、与原核真核生物的转录，除延长过程相似外，起始、终止都与原核生物有较多的不同。生物有较多的不同。UAACGAUCGAUCUAGAUCGAUCGAUCUAGAUCGGCCUUACUUUAACGAUCGAUCUAGAUCGGCCAGAUC生物化学生物化学15（一）原核生物的转录起始（一）原核生物的转录起始转录起始复合物转录起始复合物：RNA聚合酶的聚合酶的全酶全酶、DNA模板、四磷酸模板、四磷酸二核苷酸（二核苷酸（pppGpN-OH 3）三者结合在一起的复合体。）三者结合在一起的复合体。转录起始转录起始不需引物不需引物，两个与模板配对的相邻核苷酸，两个与模板配对的相邻核苷酸，在在RNA pol催化下

11、生成磷酸二酯键直接连接起来。转录生催化下生成磷酸二酯键直接连接起来。转录生成的第一个核苷酸总是成的第一个核苷酸总是GTP或或ATP,以以GTP更为常见。更为常见。UAACGAUCGAUCUAGAUCGAUCGAUCUAGAUCGGCCUUACUUUAACGAUCGAUCUAGAUCGGCCAGAUC生物化学生物化学16（二）转录延长（二）转录延长 转录起始复合物形成后，转录起始复合物形成后，亚基即脱落。由于亚基即脱落。由于 亚亚基的离去，使复合体中核心酶的构象发生改变，与基的离去，使复合体中核心酶的构象发生改变，与DNADNA模板的结合变得松散，有利于模板的结合变得松散，有利于RNARNA聚合

12、酶沿聚合酶沿DNADNA链的链的3535方向迅速向前移行，每移行一步都与一分子三方向迅速向前移行，每移行一步都与一分子三磷酸核苷生成一个新的磷酸二酯键，使合成的磷酸核苷生成一个新的磷酸二酯键，使合成的RNARNA链按链按照照5 35 3方向不断延伸。方向不断延伸。p584535533核心酶核心酶转录泡转录泡（transcription bubble）：也称）：也称转录复合物转录复合物，是由，是由RNA聚合酶的聚合酶的核心酶核心酶、DNA模板解链区和模板解链区和转录产物转录产物RNA三三者结合在一起的复合体。者结合在一起的复合体。UAACGAUCGAUCUAGAUCGAUCGAUCUAGAUCG

13、GCCUUACUUUAACGAUCGAUCUAGAUCGGCCAGAUC生物化学生物化学18 转录泡的形成：转录泡的形成：RNA RNA 聚合酶聚合酶 亚基亚基辨认辨认启动子识别部位启动子识别部位。在这。在这一区段，酶与模板的结合很松弛，酶随即移向启动一区段，酶与模板的结合很松弛，酶随即移向启动子的结合部位，并跨入了转录起始点，开始转录。子的结合部位，并跨入了转录起始点，开始转录。第一个磷酸二酯键生成后，第一个磷酸二酯键生成后，亚基从转录起始复合亚基从转录起始复合物上脱落，形成物上脱落，形成转录泡转录泡。核心酶沿模板。核心酶沿模板DNADNA前移，前移，进入延长阶段。进入延长阶段。UAACGA

14、UCGAUCUAGAUCGAUCGAUCUAGAUCGGCCUUACUUUAACGAUCGAUCUAGAUCGGCCAGAUC生物化学生物化学19（三）转录终止（三）转录终止 终止子终止子（terminator）：在模板在模板DNA分子上所转录的分子上所转录的RNA行将结束时，会出现带有行将结束时，会出现带有终止信号终止信号的序列的序列1.非依赖非依赖 因子因子的转录终止子的转录终止子2.依赖依赖 因子因子的转录终止子的转录终止子 终止因子：终止因子：协助协助RNA聚合酶识别终止信号的辅助因子聚合酶识别终止信号的辅助因子为蛋白质，称为终止因子。如为蛋白质，称为终止因子。如 因子因子（反式作用因

15、子）大肠杆菌大肠杆菌E.coli存在两类终止子存在两类终止子UAACGAUCGAUCUAGAUCGAUCGAUCUAGAUCGGCCUUACUUUAACGAUCGAUCUAGAUCGGCCAGAUC生物化学生物化学20原核生物的转录终止原核生物的转录终止1.依赖依赖 因子因子的转录终止的转录终止2.非依赖非依赖 因子因子的转录终止的转录终止UAACGAUCGAUCUAGAUCGAUCGAUCUAGAUCGGCCUUACUUUAACGAUCGAUCUAGAUCGGCCAGAUC生物化学生物化学211.依赖依赖 因子因子的转录终止的转录终止 因子是因子是rhorho基因的产物，广泛存在于基因的产物

16、，广泛存在于原核和真核细胞原核和真核细胞中，中，分子量分子量300KD300KD。因子结合在新生的因子结合在新生的RNARNA链上，借助水解链上，借助水解ATPATP获获得能量推动其沿着得能量推动其沿着RNA RNA 链移动，但链移动，但移动速度比移动速度比RNARNA聚合酶聚合酶慢慢，当当RNARNA聚合酶遇到聚合酶遇到终止子终止子时便发生暂停，时便发生暂停，因子得以赶上酶。因子得以赶上酶。因子与因子与RNARNA聚合酶相互作用，导致释放聚合酶相互作用，导致释放RNARNA，并使，并使RNARNA聚合酶聚合酶与该因子一起从与该因子一起从DNADNA上释放下来。上释放下来。因子因子 DNARN

17、ARNA聚合酶聚合酶2.非依赖非依赖 因子因子的转录终止的转录终止 RNA产物产物3端往往形成茎环端往往形成茎环结构，该结构阻结构，该结构阻碍碍RNA聚合酶前聚合酶前移。移。茎环结构后有一串寡聚茎环结构后有一串寡聚U。寡聚。寡聚U有利于有利于RNA不再依附不再依附DNA模板链而脱出。模板链而脱出。5335RNA合成过程起始起始双链双链DNA局部解开局部解开磷酸二酯磷酸二酯键形成键形成终止阶段终止阶段解链区到达解链区到达基因终点基因终点延长阶段延长阶段5 3 RNA 启动子（启动子（promoter)终止子终止子(terminator)5 RNA聚合酶聚合酶5 3 5 3 5 5 3 离开离开5

18、533反向重复序列反向重复序列UAACGAUCGAUCUAGAUCGAUCGAUCUAGAUCGGCCUUACUUUAACGAUCGAUCUAGAUCGGCCAGAUC生物化学生物化学27第二节第二节 真核生物的转录真核生物的转录 真核生物的真核生物的RNA聚合酶聚合酶 种类种类 I II III 转录产物转录产物 45s-rRNA hnRNA 5s-rRNA、tRNA、snRNA对鹅膏蕈碱对鹅膏蕈碱 耐受耐受 极敏感极敏感 中度敏感中度敏感的反应的反应UAACGAUCGAUCUAGAUCGAUCGAUCUAGAUCGGCCUUACUUUAACGAUCGAUCUAGAUCGGCCAGAUC生物

19、化学生物化学28顺式作用元件顺式作用元件：真核生物真核生物编码基因两侧的编码基因两侧的DNADNA序列序列，可影响自身基因的表达活性，通常是可影响自身基因的表达活性，通常是非编码序列非编码序列，包括启动子、增强子、沉默子包括启动子、增强子、沉默子UAACGAUCGAUCUAGAUCGAUCGAUCUAGAUCGGCCUUACUUUAACGAUCGAUCUAGAUCGGCCAGAUC生物化学生物化学29（1）TATA框框（Hogness框）：解链区框）：解链区中心在中心在-25至至-30，长度，长度7bp左右。左右。碱基频率：全为碱基频率：全为A-T对。对。功能：使功能：使DNA双链解开，并决定

20、转录的起点位置。双链解开，并决定转录的起点位置。（2）CAAT框框：聚合酶识别结合区聚合酶识别结合区中心在中心在-75处，处，9bp，共有序列，共有序列GGT（G）CAATCT功能：与功能：与RNA聚合酶结合。聚合酶结合。（3）GC框框：在在CAAT框上游，序列框上游，序列GGGCGG，与某些转录因子结合。，与某些转录因子结合。CAAT和和GC框均为上游序列，对转录的起始频率有较大影响。框均为上游序列，对转录的起始频率有较大影响。p592UAACGAUCGAUCUAGAUCGAUCGAUCUAGAUCGGCCUUACUUUAACGAUCGAUCUAGAUCGGCCAGAUC生物化学生物化学30

21、反式作用因子：反式作用因子：与顺式作用元件结合而调控基因转录的与顺式作用元件结合而调控基因转录的蛋白质因子蛋白质因子。在反式作用因子中，直接或间接结合在反式作用因子中，直接或间接结合RNARNA聚合酶的，则聚合酶的，则称为称为转录因子转录因子（transcription factor,transcription factor,TFTF）。种类较）。种类较多的是多的是TF IITF II。p594UAACGAUCGAUCUAGAUCGAUCGAUCUAGAUCGGCCUUACUUUAACGAUCGAUCUAGAUCGGCCAGAUC生物化学生物化学31 真核生物转录终止是真核生物转录终止是和加尾

22、修饰同步进行和加尾修饰同步进行的。的。RNA链上链上的加尾修饰点结构特征是有的加尾修饰点结构特征是有AAUAAA序列。序列。UAACGAUCGAUCUAGAUCGAUCGAUCUAGAUCGGCCUUACUUUAACGAUCGAUCUAGAUCGGCCAGAUC生物化学生物化学32第三节第三节 RNARNA转录后的加工转录后的加工一、一、RNA的加工的加工二、二、RNA的拼接、编辑的拼接、编辑三、三、RNA的降解的降解42 一、一、RNA的加工的加工（一）原核生物中（一）原核生物中rRNArRNA前体的加工前体的加工甲基化作用甲基化作用专一核酸外切酶专一核酸外切酶30S前体前体17StRNA2

23、5S专一核酸外切酶专一核酸外切酶16S rRNAtRNA23S rRNA5S rRNA专一核酸外切酶专一核酸外切酶p600（二）（二）tRNA前体分子的加工前体分子的加工a a、切除、切除tRNAtRNA前体两端多余的序列：前体两端多余的序列：55端切除几到端切除几到1010个核苷酸。个核苷酸。b、末端添加：、末端添加：3-端添加端添加CCA序列。序列。c、修饰：形成稀、修饰：形成稀有有碱基如碱基如DH2 。RNAasePRNAaseFRNAasePRNAaseFRNAaseDRNAaseDACC表示核酸内切酶的作用表示核酸内切酶的作用 表示核苷酸转移酶的作用表示核苷酸转移酶的作用 表示核酸外

24、切酶的作用表示核酸外切酶的作用 表示异构化酶的作用表示异构化酶的作用 p602UAACGAUCGAUCUAGAUCGAUCGAUCUAGAUCGGCCUUACUUUAACGAUCGAUCUAGAUCGGCCAGAUC生物化学生物化学35早转录本早转录本成熟成熟tRNA加工加工酵母酪氨酸tRNA前体的加工（三）真核细胞mRNA的加工5 “帽子帽子”PolyA 3 顺反子顺反子(cistron )m7G-5 ppp-N-3 pAAAAAAA-OHi.i.5 5端接上一个端接上一个“帽子帽子”(CAP)(CAP)结构结构ii.ii.33端添加端添加PolyAPolyA“尾巴尾巴”,由由RNARNA末

25、端核苷酸转移酶催末端核苷酸转移酶催化化iii.iii.剪接：剪去内含子剪接：剪去内含子(intron(intron)，拼接外显子拼接外显子(extron(extron)二、RNA的拼接、编辑剪接：剪接：大多数的真核基因都是大多数的真核基因都是断裂基因断裂基因，断裂基因的转录产物，断裂基因的转录产物产物需要通过拼接，去除插入部分（对应基因的内含子，产物需要通过拼接，去除插入部分（对应基因的内含子，intronintron），使编码区（对应基因的外显子，），使编码区（对应基因的外显子，ExonExon）成为连续序列，这是）成为连续序列，这是基因表达的一个重要环节。基因表达的一个重要环节。编辑编辑：

26、RNARNA编码序列的改变称为编辑（编码序列的改变称为编辑（editingediting）。）。由于存在选择性的拼接、编辑，一个基因可以产生多种蛋白质。由于存在选择性的拼接、编辑，一个基因可以产生多种蛋白质。1 1、RNARNA的的拼接拼接2 2、RNARNA的的编辑编辑 RNA的剪接方式 p606 类型类型I I自我剪接自我剪接 类型类型IIII自我剪接自我剪接 核核mRNAmRNA的拼的拼接体的剪接接体的剪接 核核mRNAmRNA的的酶促拼接酶促拼接剪切.swf RNA编辑的不同类型和分布 p609 编辑类型编辑类型 机制机制 存在存在U U的插入与删除的插入与删除 C C、A A或或U

27、U的插入的插入 (碱基的插入碱基的插入)G G的插入的插入 C C转变为转变为U UC C转变为转变为U U或或U U转变为转变为C C （碱基的替换（碱基的替换）A A转变为转变为I IRNARNA编辑的生物学意义编辑的生物学意义消除移码突变等基因突变的危害消除移码突变等基因突变的危害增加了基因产物的多样性增加了基因产物的多样性与生物发育与分化有关，是基因调控的一种重要方式与生物发育与分化有关，是基因调控的一种重要方式UAACGAUCGAUCUAGAUCGAUCGAUCUAGAUCGGCCUUACUUUAACGAUCGAUCUAGAUCGGCCAGAUC生物化学生物化学40 编辑类型编辑类型

28、 机制机制 存在存在U U的插入与删除的插入与删除 gRNA gRNA的转酯反应的转酯反应 锥虫线粒体锥虫线粒体mRNAmRNAC C、A A或或U U的插入的插入 多头绒孢菌线粒体的多头绒孢菌线粒体的 mRNAmRNA和和tRNAtRNAG G的插入的插入 RNA RNA聚合酶重复转录聚合酶重复转录 副粘病毒的副粘病毒的P P基因基因C C转变为转变为U U 酶促脱氢酶促脱氢 哺乳类肠的哺乳类肠的apoPtRNAapoPtRNAC C转变为转变为U U或或U U转变为转变为C C 脱氢或氨基化脱氢或氨基化 植物线粒体植物线粒体mRNAmRNA和和tRNAtRNA 牛心线粒体牛心线粒体tRNA

29、tRNAA A转变为转变为I I 脱氨脱氨 脑谷氨酸受体亚基脑谷氨酸受体亚基mRNAmRNAUAACGAUCGAUCUAGAUCGAUCGAUCUAGAUCGGCCUUACUUUAACGAUCGAUCUAGAUCGGCCAGAUC生物化学生物化学41三、三、RNA的降解的降解 RNA RNA降解是涉及到基因表达的一个重要环节，降解是涉及到基因表达的一个重要环节，rRNArRNA和和tRNAtRNA是稳定的是稳定的RNA RNA，其更新率低；，其更新率低；mRNAmRNA是不稳定的是不稳定的RNARNA，其更新率非常高，半衰期约为，其更新率非常高，半衰期约为3h 3h。所有细胞中都存在各种核糖核

30、酸酶，可以降解所有细胞中都存在各种核糖核酸酶，可以降解RNARNA。真核生物。真核生物mRNAmRNA降解的主要途径首先是降解的主要途径首先是poly(A)poly(A)尾巴的尾巴的缩短，去腺苷酸化能诱发脱去缩短，去腺苷酸化能诱发脱去5 5 端帽子结构，然后由端帽子结构，然后由5 53 3 方向和方向和3 35 5 方向降解方向降解mRNAmRNA。UAACGAUCGAUCUAGAUCGAUCGAUCUAGAUCGGCCUUACUUUAACGAUCGAUCUAGAUCGGCCAGAUC生物化学生物化学42第四节第四节 RNARNA指导下的指导下的RNARNA合成合成RNA的复制的复制RNA复制

31、酶：复制酶：DNA和和RNA合成的比较合成的比较UAACGAUCGAUCUAGAUCGAUCGAUCUAGAUCGGCCUUACUUUAACGAUCGAUCUAGAUCGGCCAGAUC生物化学生物化学44DNA和和RNA合成的比较合成的比较合成部位合成部位底物底物模板模板酶酶引物引物链延长的方向链延长的方向产物产物真核生物和原核生物转录的差别DNA核核核糖体核糖体新生蛋白质新生蛋白质真核生物真核生物原核生物原核生物mRNA前体前体转运转运加工加工mRNAmRNA 真核生物中转录在不同的区域真核生物中转录在不同的区域 RNA聚合酶不相同聚合酶不相同 启动子不同启动子不同 转录后转录后RNA加工

32、修饰不同加工修饰不同UAACGAUCGAUCUAGAUCGAUCGAUCUAGAUCGGCCUUACUUUAACGAUCGAUCUAGAUCGGCCAGAUC生物化学生物化学46作业：作业：1.名词解释：名词解释：有义链、反义链、启动字、终止子有义链、反义链、启动字、终止子2.比较比较DNA和和RNA合成的异同（复制与转录的异同）合成的异同（复制与转录的异同）UAACGAUCGAUCUAGAUCGAUCGAUCUAGAUCGGCCUUACUUUAACGAUCGAUCUAGAUCGGCCAGAUC生物化学生物化学47 下周二 实验.问答题 1、比较、比较DNA复制与复制与RNA转录的异同。转录的异同。2、比较、比较DNA聚合酶与聚合酶与RNA聚合酶催化作用的异同。聚合酶催化作用的异同。3、DNA复制的高度准确性是通过什么来实现的？复制的高度准确性是通过什么来实现的？4、肽链合成后的加工处理主要有哪些方式？、肽链合成后的加工处理主要有哪些方式？名词解释名词解释中心法则中心法则 半保留复制半保留复制 转录转录 反转录翻译反转录翻译有意义链反意义链内含子外显子有意义链反意义链内含子外显子冈崎片段冈崎片段 突变突变