RNA的生物合成转录.ppt

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1、第十二章 RNA的生物合成 ( RNA Biosynthesis Transcription ) Reverse transcription 中心法则 (Central Dogma) Replication 贮存遗传信息 直接模板 有功能的产物 复制 转录 翻译 转录 (transcription)： 以 DNA单链为模板， NTP为原料， 在 DNA依赖的 RNA聚合酶催化下合成 RNA链的过程。 RNA聚合酶 第一节 RNA聚合酶及 RNA转录的一般特点 General Survey of RNA Synthesis 模板： 酶： 原料： 产物： 配对： 方向： 引物 ： DNA(不对称转

2、录） RNA聚合酶 NTP mRNA,tRNA,rRNA,小 RNA A-U,T-A,G-C 5 3 不需要 转 录 的 条 件 一、 DNA指导的 RNA聚合酶 (DNA directed RNA polymerase, DDRP) 模板：双链 DNA中的一条链 底物：四种核糖核苷三磷酸 （ ATP、 GTP、 CTP和 UTP） 反应条件：二价金属离子 ， 如 Mg2+和 Mn2+。 RNA聚合酶 (NMP)n + NTP (NMP)n+1 + PPi 真核生物的 RNA聚合酶 表 12-1 真核生物 RNA聚合酶的种类和性质 种类 I型 II型 III型 线粒体 RNA（ Mt型） 分子

3、量 5.5 105 6 105 6 105 6.4 6.8 104 分布 核仁 核质 核质 线粒体 转录产物 5.8S、 18S、 28S mRNA前体 tRNA前体 线粒体 RNA rRNA前体 5S rRNA 对利福平 不敏感 不敏感 不敏感 敏感 敏感性 对鹅膏蕈碱 不敏感 非常敏感 敏感 不敏感 敏感性 转录因子 TF I TF II TF III 复制 以 DNA为模板合成 DNA的过程； 转录 以 DNA为模板合成 RNA的过程。 相同点 都是酶促核苷酸聚合过程； 都以 DNA为模板； 合成方向都是 5-3； 核苷酸之间都以磷酸二酯键相连； 服从碱基互补配对规律； 二、比较复制和转

4、录的异同 不同点 复 制 两条链均复制 dNTP A-T、 G-C DNA聚合酶 子代双链 DNA 需要 RNA引物 不需要 转 录 模板链转录（不对称） NTP A-U、 T-A、 G-C RNA聚合酶 mRNA/tRNA/rRNA 不需要引物 需要 模板 原料 碱基配对 聚合酶 产物 引物 加工 转录因子 （ transcription factors， TF） 能结合到 DNA的特殊序列并且与 RNA聚合酶结合， 促进转录的蛋白质因子。 TF I： 促进 RNA聚合酶 I转录 TF II：促进 RNA聚合酶 II（ TFIIA， B， D， E， F， H ） TF III：促进 RNA

5、聚合酶 III转录。 反式作用因子 不对称转录 (asymmetric transcription): 在 DNA双链分子的某一区段，一股链可转录， 另一股链不转录，模板链也并非永远在同一单 链上的转录方式。 5 3 3 5 箭头方向为转录方向；深色链为模板链。 3-CGTCATGTACAG-5模板链 5-GCAGTACATGTC-3编码链 5-GCAGUACAUGUC-3mRNA N -Ala-Val-His-Val-C 蛋白质 转录 翻译 mRNA序列与编码链一样（ U-T）。 原核细胞 真核细胞 转录过程：起始 延长 终止 转录单位（ transcription unit）： RNA聚合

6、酶作用的起始点与终止点之间的 DNA序列。 转录起始位点： 合成 RNA链的 DNA的第一个核苷酸位点（ +1）。 第二节 真核生物的转录过程 真核生物与转录起始有关的结构 顺式作用元件 （ cis-acting element）： 存在于基因的旁侧序列中，能影响自身基因 表达的序列。包括启动子、增强子、沉默子等。 反式作用因子 （ trans-acting factor）： 能直接或间接识别并特异地与顺式作用元 件结合，参与基因表达调控的蛋白因子。 B E H A F RNA聚合酶 II TATA TFIID 45bp +1 +30bp DNA mRNA转录前起始复合体 RNA聚合酶 II、

7、多种 TFII、 DNA模板组成 转录前起始复合物。 一、 mRNA的合成 （一）起始 1. 启动子 （ promoter） 启动子是 DNA模板上的一段特殊序列。 转录开始时， RNA聚合酶识别和结合于启动 子。它包括一些保守顺序，如 GC盒、 CAAT 盒和 TATA盒子。为顺式作用元件。 真核生物启动子结构 真核生物启动子结构： GC Box： 位于 -80 -110区，有 GGGCGG保守 序列，结合转录因子调节转录 。 CAAT Box： 位于 -70 -80区，有 GGNCAATCT 保守序列，决定转录起始的频率 。 TATA Box： 位于 -25 -30区，有 TATA(A/T

8、)(A/T)A保守序列，能保证转录起始位 置的精确性。又称 Hogness Box。 2. 转录因子及转录前起始复合物（ PIC）的形成 （二） RNA链的延长 （ elongation） DNA双链不断的解开， RNA聚合酶沿着 DNA 模板向 3方向移动。同时，在 RNA聚合酶 II的 作用下，与 DNA模板链序列互补的核苷酸逐一 地进入反应体系，不断延伸 RNA链。合成的方 向为 53 。 需要多种转录因子协助，由 RNA 聚合酶 II催化。 转录泡 酶覆盖： 40bp 打开 DNA： 17bp 合成 RNA： 12bp DNA-RNA杂交体 （三） RNA合成的终止 （ termina

9、tion） 转录至模板某一位置，停止形成磷酸二酯键 RNA DNA杂交链解开， DNA解链的部分重新形 成双螺旋 RNA聚合酶离开 DNA。 转录终止序列： DNA 的特殊序列与转录的终止有关。 编码链 5-AAUAAA 加尾 二、 rRNA的合成 合成部位： 核仁 酶： RNA 聚合酶 I 转录单位： 包括 28S， 5.8S及 18S rRNA基因。 几百个转录单位串联排列在染色体 上，中间有间隔序列隔开。 转录因子： TF I 转录产物： 28S， 5.8S， 18S rRNA 核糖体 RNA（ rRNA）的转录 染色体 DNA 内含子 基因间隔 18S 5.8S 28S 每个重复单位

10、45S转录产物 3种 rRNA前体 转录后加工 18SrRNA 5.8S/28S rRNA 三、 5S rRNA和 tRNA的合成 合成部位： 核浆 酶： RNA 聚合酶 III 转录因子： TF III 转录产物： 5S rRNA， tRNA， snRNA 第三节 真核生物转录后 RNA的加工 RNA Processing RNA转录后加工 （ RNA processing） : 以 DNA为模板转录生成的 RNA链经过修饰、 切除、连接等反应，去除非编码序列，形成 成熟的具有功能的 RNA分子的过程。 一、 mRNA的加工 （一）内 含子 的剪接 断裂基因 （ splite gene）：真

11、核生物的结构基因由 若干编码区和非编码区相互间隔，编码一个完整的蛋 白质，成为断裂基因。 外显子 （ exon）：真核结构生物基因中的编码序列。 内含子 （ intron）：真核生物结构基因中的非编码区。 exon A B C intron 真核细胞的 基因结构 hn RNA 成熟 mRNA 核不均一 RNA（ heterogeneous-nuclear RNA, hnRNA）： 细胞核内的初级转录产物。需要经过剪接 才能成为成熟的 mRNA。 小核 RNA（ small nuclear RNA, snRNA）： 在细胞核内与蛋白质组成核糖核酸蛋白体， 即剪接体（ splicesome），结合

12、在 hnRNA的内含 子区段，使之弯曲，形成套索结构，有利于剪 接。 mRNA 剪接（ mRNA splicing） 真核生物结构基因转录时，外显子和内含子 同时被转录，产物为 hnRNA，而后切除 hnRNA中的 内含子，将外显子连接的过程成为 mRNA剪接。 剪接类型： snRNA剪接方式 剪接位点：作为内含子起始和结束的 GU、 AG剪接 点序列成为剪接位点。 （二） 5端加帽 5端： m7GpppGpN（甲基化三磷酸双鸟苷） 部位：细胞核 作用 : 1）使 mRNA免受磷酸酶和核酸酶的攻击， 稳定 mRNA分子的一级结构； 2）提供核蛋白体识别位点，促进翻译起 始复合物形成，增强 mR

13、NA翻译效率； 3）有利于 mRNA前体的剪接。 mRNA 的 5帽子结构 5 pppGp 5 GpppGp pppG ppi 鸟苷酸 转移酶 5 m7GpppGp 甲基转移酶 SAM 5 ppGp 磷酸酶 Pi 帽 子 结 构 的 生 成 （三） mRNA的 3端加 polyA尾 3端： 100-200个腺苷酸残基 部位：细胞核 作用 : 1）维持 mRNA的稳定； 2）增加翻译效率； 3）与 mRNA运输有关。 转录终止序列： DNA 的特殊序列与转录的终止有关。 编码链 5-AAUAAA 加尾 步骤 1 步骤 2 3端加 polyA尾 （四） mRNA 编辑（ mRNA editing）

14、 DNA在转录成 hnRNA后，通过插入、删除 或碱基替换而改变 DNA模板原来的某些遗传信 息。 通常是个别碱基的更换使一个基因表达 出多个氨基酸序列不同的蛋白质。 是对生物学中心法则的补充，扩大了 mRNA遗传信息容量。 第 2153位 谷氨酰胺 终止子 二、核糖体 RNA（ rRNA）的转录后加工 rDNA 内含子 基因间隔 18S 5.8S 28S 每个重复单位 45S转录物 3种 rRNA前身 剪接 18SrRNA 5.8S/28S rRNA rRNA转录后 的加工和与 核糖体的装 配同时进行。 核酶 （ ribozyme）：具有催化功能的 RNA。 四膜虫的 rRNA自我剪接 核酶

15、的二级结构 槌头状结构 （ hammerhead structure） 通常为 60个核苷酸左右； 同一分子 上包括有 催化 部分和 底物 部分，共同组成槌头状结构。 底物 催化部分 酶 底物 图 13- 12 核酶的意义 ： 1.核酶的发现，对中心法则作了重要补充； 2.对传统酶学提出挑战； 3.人工合成核酶的槌头结构，用于破坏有害基因，如 破坏 HIV病毒 RNA。 三、转移 RNA（ tRNA）的转录后加工 碱 基 修 饰 （ 1）甲基化 A Am （ 2）还原 U DHU （ 3）核苷酸内的转位反应 U （ 4）脱氨反应 A I 第四节 原核生物的转录 （一）原核生物的 RNA聚合酶

16、核 心 酶 亚基 2 功 能 决定哪些基因被转录 结合底物，形成磷酸二酯键（催化） 结合模板（开链） （核心酶参与转录全过程） 识别起始点启动子（延长时脱落） 全酶： 2 原核生物的 RNA聚合酶 RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合 -35 -10 Pribnow box 一、原核生物转录起始（ initiation） 启动子（ promotor）： DNA分子上可以与 RNA聚合酶特异结合而使转录开始的一段 DNA序列，本身不被转录。 结合部位：位于 -10区 ，有 TATAAT保守序列，是 RNA 聚合酶与 DNA模板牢固结合的位点，也有助于打开局部 DNA双链。也称 Pribnow Bo

17、x。 识别部位：位于 -35区，有 TTGACA保守序列，是 RNA聚 合酶 亚基识别的部位。 转录起始位点： 合成 RNA链中第一个核苷酸的位点， 多为 A或 G。 原核生物启动子结构 操纵子（ operon）： 原核生物的许多功能 相关的基因成簇地串联排列在染色体上， 共同组成一个转录单位，几个结构基因受 同一调控序列调控，这种基因表达控制单 元称为操纵子。 调节基因 启动子 操纵 基因 lacZ lacY lacA CAP cAMP CAP-cAMP 复合物 mRNA + -半乳糖苷酶 -半乳糖苷透过酶 -半乳糖苷乙酰 基转移酶酶 乳糖操纵子 RNA的转录开始于 pppG 或 pppA。

18、转录起始位置在 Pribnow 盒子下游 5-8bp。 RNA聚合酶（全酶）中的 因子在 DNA双链上迅速、随机滑 动，寻找到启动子 -35区 ， 结合 形成 闭合 的复合物， DNA双 链未解开 。 全酶形成更紧密的开环复合物，其特征是 DNA双螺旋局部 解开大约 10bp。因为 Pribnow 盒子是富含 AT的，它有利于 这种局部的解旋。 解链的 DNA与起始的三磷酸嘌呤核苷酸（ pppG 或 pppA） 及 RNA聚合酶结合，然后形成第一个磷酸二酯键。 全酶移动到另一个位置并继续合成。一旦起始的核苷酸链 形成一小段后， 因子便从全酶释放出来，核心酶进入延 长阶段继续发挥其催化作用。 另

19、外一个 RNA聚合酶分子可以识别并结合到启动子上，开 始另一轮转录。这样，一个基因可以被同时转录许多次。 RNA的转录过程 二、转录的延长（ elongation） 亚基脱落， RNA聚合酶核心酶 变构， 与模板结合松弛，沿 DNA模板前移，催化 RNA 链不断延长。 （ NMP） n + NTP （ NMP） n+1 + PPi 转录复合物： RNA聚合酶核心酶， DNA模板， RNA产物。 DNA解开 17 bp； RNA-DNA形成 12bp长的杂交螺旋 三、 RNA合成的终止 （ termination） 依赖 Rho（ ）因子的转录终止 非依赖 因子的转录终止 转录至模板某一位置，停

20、止形成磷酸二酯键 RNA DNA杂交链解开， DNA解链的部分重新形成双螺旋 RNA聚合酶离开 DNA 分类： （ 1） 依赖 Rho（ ）因子的转录终止 六个相同亚基组成的蛋白质 RNA依赖的 ATP酶活性和解螺旋酶活性 与单链 RNA （ polyC）结合 因子的结构： 依赖 因子的转录终止 发夹结构 环 茎 多个 U DNA模板 3 5 （ 2）非 依赖 因子的转录终止 DNA分子 近转 录终止点处具有 一段富含 GC的回 文区域，之后是 一连串的 dA碱基 序列，它们转录 的 RNA链的末端为 一连串 U（连续 6 个）。 RNA-pol 5pppG 茎 环 结 构 的 转 录 终 止

21、 RNA聚合酶变构，转录停顿； AU结合弱，转录复合物趋于解 离， RNA产物释放。 原核生物和真核生物转录过程的比较 原核生物 真核生物 转录单位 1个转录单位含多个结构基因 1个转录单位含 1个结构基因 起始 不需引物 不需引物 启动子辨认 亚基 多种转录因子参与 起始酶 RNA聚合酶全酶 RNA聚合酶 I、 II、 III催化 合成不同的 RNA 延长 合成新链沿 5-3方向前进 合成新链沿 5-3方向前进 延长酶 RNA聚合酶核心酶 RNA聚合酶 I、 II、 III 转录复合物 RNA聚合酶核心酶 -DNA-RNA - 终止 依赖 因子终止 转录修饰点有特殊序列， 非依赖 因子终止

22、mRNA过转录修饰点即 被切断加帽加尾 四、 RNA转录后加工（ RNA processing） 以 DNA为模板转录生成的 RNA链经过修饰、切 除、连接等反应，去除非编码序列，形成成熟的 具有功能的 RNA分子的过程。 mRNA可直接作为翻译的模板 rRNA 转录产物要加工、修饰 tRNA 原核生物和真核生物 mRNA的不同 原核生物 mRNA 多顺反子 转录与翻译同步 mRNA不需加工 寿命短 真核生物 mRNA 单顺反子 转录后需加工运至胞浆 再翻译 mRNA需加工 寿命较长 图 12-24 原核 rRNA的加工 第五节 RNA依赖的 RNA合成 RNA的复制 有些病毒或噬菌体的基因组

23、是由 RNA组成的。病毒 进入宿主细胞后，还可以进行复制生成 RNA。催化此种 RNA复制的酶为 RNA复制酶 ，是一种 RNA指导的 RNA聚合酶 (RNA directed RNA polymerase)。 RNA复制酶催化的合成反应是以 RNA为模板，由 53 方向进行 RNA链的合成。反应机理与 DNA作模板合成 RNA 反应相似。 RNA复制酶仅对特异的病毒 RNA起作用，对宿 主细胞的 RNA一般不进行复制。为此当病毒侵入宿主细 胞后，病毒的 RNA能大量复制。 2006年 诺贝尔化学奖： RNA聚合酶的结构 诺贝尔生理医学奖： RNA干扰 1989年 诺贝尔化学奖： RNA具有催

24、化的特性 RNA 研究的意义及新进展 Thomas R. Cech撰写评述 基因表达根据生物体需要启动和关闭 是最基础的生物控制机制之一。 解读诺贝尔医学奖成果 RNA干扰机制和医学应用。 双链 RNA（ dsRNA） 为包括人类在内的高等生物 体中一种强大的基因表达调节因子。 我们实验室的工作 上皮来源肿瘤高表达 LeY 寡糖 LeY合成的关键酶 FUT1,FUT4 利用 RNAi技术干扰 FUT1,FUT4表达 LeY合成减少 肿瘤生长和转移能力降低。 概念： 转录 模板链 编码链 不对称转录 操纵子 转录因子 启动子 顺式作用元件 断裂基因 反式作用因子 RNA转录后加工 内含子 外显子 mRNA剪接 简述： 1. 原核生物 RNA聚合酶的组成及其作用？ 2. 真核生物 mRNA转录后加工包括哪些内容？ 3. 什么是核酶，它们的发现有何意义？ 4. 转录与复制的区别 。