基因转录、转录后加工及逆转录课件

1、 第十三章第十三章 基因的转录、转录后加工及逆转录基因的转录、转录后加工及逆转录转转 录录翻翻 译译复复 制制基因的遗传基因的遗传:DNA:DNA基因的表达基因的表达: DNA RNA Protein: DNA RNA Protein复制复制转录转录翻译翻译 转录转录( (transcription) ) 以单链以单链DNADNA为模板，为模板，NTPNTP为原料，在为原料，在DNADNA依赖的依赖的RNARNA聚聚合酶合酶催化下合成催化下合成RNARNA的过程。的过程。复复 制制转转 录录模模 板板其中一股链（模板链）其中一股链（模板链）两股链两股链原原 料料dNTPNTP聚合酶聚合酶DNA

2、DNA依赖的依赖的DNADNA聚合酶聚合酶DNADNA依赖的依赖的RNARNA聚合酶聚合酶产产 物物DNAmRNA,tRNA,rRNA复制与转录的比较复制与转录的比较碱基配对碱基配对A-T ；G-CA-U ,T-A；G-C相关概念相关概念模板链（模板链（template strand）反意义链（反意义链（antisense strand）负链（负链（minus strand） Watson（W）链）链编码链编码链（coding strand）有意义链（有意义链（sense strand）正链（正链（plus strand） Crick（C）链）链5 编码链编码链 AGCTCCAGGTTCCAT

3、GGCTAACG33 模板链模板链 TCGAGGTCCAAGGTACCGATTGC55 mRNA CUCCAGGUUCCAUGGCUA 3mRNA与编码链序列基本一致与编码链序列基本一致 不对称转录（不对称转录（asymmetric transcriptionasymmetric transcription） 不同基因的模板链不同基因的模板链, ,并不固定在并不固定在DNADNA双链上的某一链双链上的某一链, , 但转录方向总是但转录方向总是5 35 3，因此不同基因的转录方向不同，因此不同基因的转录方向不同。编码链编码链模板链模板链模板链模板链编码链编码链5335基因基因1 1 转录方向转录

4、方向 基因基因2 2 转录方向转录方向 5533第一节第一节 参与转录的酶类参与转录的酶类一、原核生物的一、原核生物的RNARNA聚合酶（聚合酶（RNA polRNA pol） 亚亚 基基功功 能能参与全酶组装及全酶识别启动子参与全酶组装及全酶识别启动子与原料与原料NTPNTP及新生及新生RNARNA链结合，链结合，与模板与模板DNADNA结合结合识别启动子，辨认转录起始点识别启动子，辨认转录起始点核心酶核心酶全全 酶酶催化催化3535磷酸二酯键磷酸二酯键 因子因子 亚基亚基 转录起始因子转录起始因子 以分子量命名以分子量命名 e.g. e.g. 70 （ 分子量分子量70kDa ）rpoH

5、基因基因 32 热激状态热激状态启动子启动子 hsp基因基因53Hsp（heat shock proteins）5533 54 参与氮源利用基因的转录参与氮源利用基因的转录 E 参与细菌鞭毛生成基因的转录参与细菌鞭毛生成基因的转录二、真核生物的二、真核生物的RNARNA聚合酶（聚合酶（RNA polRNA pol）IIIIII定位定位转录产物转录产物对抑制剂（鹅膏蕈碱）对抑制剂（鹅膏蕈碱）敏感性敏感性核仁核仁核质核质核质核质45SrRNAtRNA,5SrRNA,snRNAhnRNA不敏感不敏感敏感敏感不同物种敏感性不同不同物种敏感性不同RNA Pol I 45SrRNA 5.8SrRNA 18

6、SrRNA 28SrRNARNA Pol III 5SrRNA tRNA RNA Pol II hnRNA mRNA mRNA 原核生物原核生物RNA Pol RNA Pol IRNA Pol III 100KD100KD 19KD40KDRNA Pol II 100KD100KD 44KD44KD真核生物真核生物RNA Pol 第二节第二节 转录过程转录过程 转录起始转录起始 转录延长转录延长 转录终止转录终止一、转录起始一、转录起始 1、原核生物转录起始、原核生物转录起始 原核生物启动子特征：原核生物启动子特征：-10 bp ： Pribnow 盒盒 5-TATAAT-3 -35 bp：5

7、-TTGACA-3 5-TTGACA-TATAAT-3编码链编码链-35 bp-10 bp+1bp上游上游下游下游调控序列（启动子）调控序列（启动子）结构基因结构基因53 启动子的方向性启动子的方向性封闭型转录起始复合物封闭型转录起始复合物 开放型转录起始复合物开放型转录起始复合物35bp10bp2、真核生物转录起始、真核生物转录起始 蛋白辅助因子蛋白辅助因子 转录因子转录因子 TF-I RNA pol I TF-II RNA pol II TF-III RNA pol III 转录因子转录因子（transcription factor,TF）：能直接或间接与：能直接或间接与 结构基因上游的调

8、控序列（结构基因上游的调控序列（DNADNA序列）或序列）或RNA polRNA pol 结合，影响转录的蛋白质因子。结合，影响转录的蛋白质因子。 1）RNA pol II催化的转录起始催化的转录起始 真核生物启动子特征：真核生物启动子特征：-90 bp：GC盒盒 (顺式作用元件）顺式作用元件） 5-GGGCGG-3 -70 bp：CAAT盒盒 5-GGC(T)CAATCT-3 -30 bp：TATA盒盒 ( Hogness 盒盒) 5-TATAA(T)AAT-3 转录因子转录因子 ：TF- AJ （反式作用因子）（反式作用因子）TF-II HTATATF-II DTF-II ATF-II B

9、RNA pol IITF-II FTF-II ETF-II J解开解开DNA双螺旋双螺旋蛋白激酶蛋白激酶ATPtase真核生物真核生物RNA-pol II不直接与不直接与DNA分子结合，需依靠众多的转录因子。分子结合，需依靠众多的转录因子。 各转录因子各转录因子TF-II功能功能TF-II D：与启动子的与启动子的TATA盒结合盒结合TF-II A：形成：形成TF-II AD复合物，防止抑制因子结合复合物，防止抑制因子结合TF-II B：作为其他因子结合的桥梁：作为其他因子结合的桥梁TF-II F：与：与RNA pol II结合结合TF-II E：ATP酶活性，为转录起始处的局部解链提供能量。

10、酶活性，为转录起始处的局部解链提供能量。TF-II J：TF-II H：解开：解开DNA双链双链 蛋白激酶活性，使蛋白激酶活性，使RNA pol II的的C端多个丝氨酸残基磷酸化端多个丝氨酸残基磷酸化2）RNA pol I催化的转录起始催化的转录起始+1bp核心元件核心元件上游调控元件上游调控元件3上游结合因子上游结合因子 UBF53核心元件核心元件上游调控元件上游调控元件上游结合因子上游结合因子 UBFTAFTBPTATARNA pol I3）RNA pol III催化的转录起始催化的转录起始A盒盒B盒盒+1bpTF III CTF III BRNA pol IIItRNAA盒盒B盒盒+1b

11、pTF III CTF III BRNA pol III5sRNAC盒盒TF III A二、转录延长二、转录延长1 1、局部单链形成：、局部单链形成：RNARNA聚合酶向下游移动时，使聚合酶向下游移动时，使DNADNA双链解开双链解开(10(1020bp)20bp)2 2、向下游滑动：、向下游滑动： 因子因子 （原核生物（原核生物 ） TF II H TF II H（真核生物）（真核生物） NTP NTP中焦磷酸（中焦磷酸（、）水解（原核、真核生物）水解（原核、真核生物）3 3、解除局部张力：拓扑异构酶、解除局部张力：拓扑异构酶转录泡：转录泡：RNA聚合酶聚合酶 - DNA模板模板 - RNA

12、转录产物结合在一起形成的复合物转录产物结合在一起形成的复合物A:U A:T三、转录终止三、转录终止 原核生物转录终止原核生物转录终止 1） 因子依赖的转录终止因子依赖的转录终止 转录终止信号转录终止信号RNA上一段富含上一段富含C的序列的序列 因子因子 六聚体，具六聚体，具ATP酶活性酶活性水解水解ATP供能供能 解链酶解链酶解开解开DNA/RNA杂合链，杂合链，RNA链释放链释放 2） 因子非依赖的转录终止因子非依赖的转录终止 GC 丰富区丰富区 茎茎- 环结构环结构改变改变RNA聚合酶构象，停止转录聚合酶构象，停止转录 连续连续 T 序列序列 A = U配对区，不稳定配对区，不稳定 RNA

13、链释放链释放GGCGCCCGGGCGCCTTTTTTTT 5353CCGCGGGCCCGCGGAAAAAAAAGCGCCGGCCGCGCGUUUUU35四、转录抑制剂四、转录抑制剂 1、作用于、作用于DNA模板的转录抑制剂模板的转录抑制剂 放线菌素放线菌素D：插入双链：插入双链DNA的的dG.dC 之间之间 阻止阻止RNA转录延长转录延长 (低浓度低浓度) 抑制抑制RNA转录起始转录起始 (高浓度高浓度) 2、作用于、作用于RNA聚合酶的转录抑制剂聚合酶的转录抑制剂 利福平利福平(利福霉素利福霉素)：与原核生物：与原核生物RNA聚合酶聚合酶亚基结合亚基结合 抑制抑制RNA转录起始转录起始 治疗

14、结核杆菌治疗结核杆菌 鹅膏蕈碱：真核生物鹅膏蕈碱：真核生物RNA聚合酶聚合酶II 第三节第三节 转录后的加工转录后的加工几种主要的加工方式几种主要的加工方式1. 1. 剪接剪接(splicing)(splicing)2. 2. 剪切剪切(cleavage)(cleavage)3. 3. 修饰修饰(modification)(modification)4. 4. 添加添加(addition)(addition)一、原核生物转录后加工（自学）一、原核生物转录后加工（自学）二、真核生物转录后加工二、真核生物转录后加工 1、rRNA转录后加工转录后加工: 剪切、甲基化修饰、与蛋白质结合剪切、甲基化修饰

15、、与蛋白质结合18S18S5.8S5.8S28S28S18S18S5.8S5.8S28S28S5S5S小亚基小亚基大亚基大亚基核酶核酶(ribozyme)(ribozyme)具有催化活性的具有催化活性的RNARNA称为核酶，意为可切割特异性称为核酶，意为可切割特异性RNARNA序列的序列的RNARNA分子。分子。异体催化或自身催化。异体催化或自身催化。核酶二级结构核酶二级结构槌头状茎环结构槌头状茎环结构 (hammerhead structure)(hammerhead structure)e.g.e.g.四膜虫四膜虫 26SrRNA 26SrRNA前体，自身剪接，去除前体，自身剪接，去除41

16、4414核苷酸片段。核苷酸片段。 同一分子上包括有催化部位和底物部位同一分子上包括有催化部位和底物部位 催化部位和底物部位组成槌头结构催化部位和底物部位组成槌头结构 酶酶 核酶核酶种类种类 多多 少少反应反应 广泛广泛 局限（核酸）局限（核酸）2、tRNA转录后加工：剪切、剪接、碱基修饰转录后加工：剪切、剪接、碱基修饰TGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNARNA pol 前体前体tRNAtRNARNAasePtRNA核苷酸转移酶、连接酶核苷酸转移酶、连接酶ATPADP碱基修饰碱基修饰（2）还原反应）还原反应 如：如：U DHU（4）脱氨反应）脱氨反应 如：如：A I 如：如：A A

17、m（1）甲基化）甲基化 （3）核苷内的转位反应）核苷内的转位反应 如：如：U （2 2） （1 1） （1 1） （3 3） （4 4）3、mRNA转录后加工转录后加工1) 51) 5 端加帽端加帽( (m m7 7GpppGpN )GpppGpN )5 pppGpN5 GpppGpNpppG ppi鸟苷酰鸟苷酰转移酶转移酶5 m7GpppGpN甲基转移酶甲基转移酶SAM5 ppGpN磷酸酶磷酸酶 Pi帽子结构帽子结构17G5 m7GpppGpN5 m7GpppGmpNm5 m7GpppGmpN1. 保护保护mRNA不被核酸外切酶水解不被核酸外切酶水解2. 与帽结合蛋白结合，识别核糖体与帽结合

18、蛋白结合，识别核糖体意义意义2) 32) 3 端加尾端加尾( ( polyA polyA ) ) AAAAAAAAA TTTTTTTTTT 5533AAAAAAAAA53?AATAAAGTTTATTT CA AAUAAAGU535533剪切位点剪切位点AAUAAAAAAAAAA(A)n53 polyA聚合酶聚合酶ATPPPi剪切信号剪切信号mRNA意义意义增加增加mRNA稳定性稳定性3) mRNA3) mRNA的剪接的剪接断裂基因断裂基因(splite gene)(splite gene)CABD编码区编码区 A A、B B、C C、D D非编码区非编码区真核生物结构基因，由若干个真核生物结构

19、基因，由若干个编码区编码区和和非编码区非编码区互相间隔但又连互相间隔但又连续镶嵌而成，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。成的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。 DNAmRNA 53外显子外显子(exon)(exon)和内含子和内含子(intron)(intron) 外显子外显子 在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟RNARNA的核苷酸序列。的核苷酸序列。 编码区编码区 内含子内含子 断裂基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核苷酸序列断裂

20、基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核苷酸序列。 非编码区非编码区555535333外显子外显子内含子内含子外显子外显子外显子外显子内含子内含子555535333外显子外显子内含子内含子外显子外显子外显子外显子内含子内含子5GU-UACUAAC-AG 3 5和和3剪接点：剪接点：GU-AG规则规则 分支点分支点 剪接体剪接体 snRNP（snRNA + 蛋白质）蛋白质）5335剪接体剪接体鸡鸡卵卵清清蛋蛋白白基基因因及及其其转转 录、录、转转录录后后加加工工鸡卵清蛋白基因鸡卵清蛋白基因hnRNA加帽、加尾修饰加帽、加尾修饰hnRNAhnRNA剪接剪接成熟的成熟的mRNAmRNA4 4）mRNA

21、mRNA编辑编辑(mRNA editing)(mRNA editing) 在前体分子中插入、剔除或置换一些核苷酸。在前体分子中插入、剔除或置换一些核苷酸。人类人类apo B基因基因 mRNA（14500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240 000）mRNA编辑编辑4536 a.a2152 a.aCAA谷氨酰胺谷氨酰胺 UAA终止密码子终止密码子第第2153 a.a RNARNA编辑意义：基因的编码序列经过转录后编辑加工，可以编辑意义：基因的编码序列经过转录后编辑加工，可以分化成多用途的编码序列，在不增加基因组分化成多用途的编码序列，在不增加基因组DNADNA遗传信息容遗传信息容量的前提下，大大增加了量的前提下，大大增加了mRNAmRNA信息容量。信息容量。 人类基因组计划：预测：人类基因组计划：预测：5 5至至1010万个基因万个基因 实际：实际：3500035000个基因个基因 印证了印证了RNA编辑的存在编辑的存在遗传信息在水平发生改变遗传信息在