生物化学课件：第13章 转录

1、生物体以生物体以DNA为模板合成为模板合成RNA的过程的过程 基因表达基因表达的开始的开始遗传信息遗传信息从从DNA向向RNA传递过程传递过程转转 录录转转录录RNADNA 参与转录的物质参与转录的物质底物底物(substrate): NTP(ATP, UTP, GTP, CTP) 模板模板(template) : : 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第一节第一节 RNA合成的模板和酶合成的模板和酶 一、转录模板一、转录模板1. 结构基因结构基因 (structural gene) DNA的一些区段可以转录出的

2、一些区段可以转录出RNA，另一些不能转录出另一些不能转录出RNA。 能转录出能转录出RNA (mRNA、rRNA和和tRNA)的的 DNA区段区段。方框内的方框内的DNA区段为区段为结构基因结构基因 为为模板链模板链(template strand), 也称也称Watson链链 箭头表示转录产物及转录方向箭头表示转录产物及转录方向 为为编码链编码链(coding strand), 也称也称Crick链链5 3 5 3 5 G C A G T A C A T G T C3 3 c g t c a t g t a c a g5 DNA5 G C A G U A C A U G U C3 mRNAN

3、 Ala Val His Val C多肽链多肽链转录转录翻译翻译编码链编码链模板链模板链2. 不对称转录不对称转录 (asymmetric transcription) 在在DNA分子双链上，一股链用作模板分子双链上，一股链用作模板指导转录，另一股链不转录指导转录，另一股链不转录； 模板链并非总是在同一单链上。模板链并非总是在同一单链上。5 3 5 3 全称全称：依赖依赖DNA的的RNA聚合酶聚合酶(DNA dependent RNA polymerase, DDRP)简称简称：RNA pol又称又称：转录酶转录酶 (transcriptase)二、二、RNA聚合酶聚合酶 (RNA polym

4、erase) 原核生物原核生物 (E . Coli) RNA pol 由由 2共五种亚基组成的六聚体共五种亚基组成的六聚体蛋白质。蛋白质。 2 2核心酶核心酶 core enzyme全酶全酶holoenzyme 亚基亚基+ （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RNA聚合酶亚基的功能聚合酶亚基的功能 催化功能催化功能 辨认转录起始点辨认转录起始点 结合结合DNA模板模板 解链功能解链功能 类型类型 主主 要要 功功 能能 与核心酶亚基的正确聚合有关与核心酶亚基的正确聚合有关 控制转录的速率控制转录的速率 能与启动子结合能与启动子结合 被利福平抑制被利福平抑制 功能尚

5、不清楚功能尚不清楚全酶全酶 (holoenzyme)核心酶核心酶 (core enzyme) TTGACATATAAT-35原核生物原核生物RNA聚合酶及其在转录起始区的结合聚合酶及其在转录起始区的结合-1070 (典型典型) 32 (应激应激)Heat shock protein (Hsp)热激蛋白热激蛋白 种类种类转录产物转录产物对鹅膏蕈碱的敏感对鹅膏蕈碱的敏感性性RNA-pol 45S rRNA耐受耐受RNA-pol hnRN A，某些，某些snRNA极敏感极敏感RNA-pol 5S rRNA、tRNA、snRNA中度敏感中度敏感RNA-pol siRNA不详不详RNA-pol mt 线

6、粒体线粒体RNAs敏感敏感（二）（二）真核生物的真核生物的RNA聚合酶聚合酶 真核生物真核生物RNA pol的种类与功能的种类与功能45S是是5.8S、18S和和28S rRNA的前体的前体hnRNA是是mRNA的前体的前体真核生物的真核生物的RNA聚合酶亚基的功能聚合酶亚基的功能50kD中亚基中亚基 1 亚基亚基小亚基小亚基 (10) (7) (11) 亚基亚基(识别起始点识别起始点) 类类 型型 数目数目 /每个酶每个酶 对应于原核功能对应于原核功能100kD大亚基大亚基 2 (催化催化)和和 亚基亚基 pol 的大亚基的大亚基C末端末端aa序列均为序列均为(YSPTSPS)n n=206

7、0,与种属有关与种属有关,称羧基末端结构域称羧基末端结构域(CTD) 含带羟基的含带羟基的Y(酪酪)S(丝丝)T(苏苏),可被磷酸化可被磷酸化 pol的磷酸化在从转录起始过渡到延长时重要的磷酸化在从转录起始过渡到延长时重要PS1S2S3启动子启动子Opromoter调控序列调控序列结构基因结构基因 操纵子操纵子 结合结合RNA聚合酶聚合酶表达功能蛋白表达功能蛋白?I三、三、酶与模板的辨认结合酶与模板的辨认结合操纵子操纵子 (operon): 原核生物的转录单位原核生物的转录单位RNA聚合聚合酶保护法酶保护法RNA聚合聚合酶保护区酶保护区结构基因结构基因终止点终止点10- -10TTGACATA

8、TAAT转录开始转录开始+ +1翻译开始翻译开始Purine- -35（Pribnow box）辨认结合区辨认结合区转录起始区转录起始区DNA复制与转录的比较复制与转录的比较性性 质质 复复 制制 转转 录录相相同同点点模模 板板 两股链均复制两股链均复制 模板链转录模板链转录合成方式合成方式 半保留复制半保留复制 不对称转录不对称转录原原 料料 dNTP NTP引引 物物 需需RNA引物引物 不需引物不需引物聚合酶聚合酶 DNA聚合酶聚合酶 RNA聚合酶聚合酶碱基配对碱基配对 A-T，G-C A-U，T-A，G-C产产 物物 半保留的双链半保留的双链DNA 单链单链RNA不不同同点点以以DN

9、A为模板为模板遵循遵循碱基配对碱基配对原则原则都需都需依赖依赖DNA的聚合酶的聚合酶聚合过程都是生成聚合过程都是生成磷酸二酯键磷酸二酯键新链合成方向为新链合成方向为53第二节第二节 RNA生物合成生物合成(转录转录)过程过程起始起始 (initiation) 延长延长 (elongation) 终止终止 (termination) 一、一、原核生物的转录过程原核生物的转录过程因子辨认因子辨认-35区区RNA pol 全酶移向全酶移向-10区区合成第一个磷酸二酯键合成第一个磷酸二酯键5 -pppGpN-OH-3 转录起始复合物转录起始复合物RNA pol( 2 ) -DNA-pppGpN-OH因

10、子脱落因子脱落（结合松弛结合松弛）（结合紧密结合紧密） 转录起始不需引物转录起始不需引物（一）（一）转录起始转录起始原核生物的转录起始转录的启动启动子启动子由由RNA聚合酶全酶结合聚合酶全酶结合于启动子而被启动，形于启动子而被启动，形成闭合启动子复合物。成闭合启动子复合物。原核生物的转录起始转录的起始局部解链局部解链（约（约17个碱基对）个碱基对）第一个核苷三磷酸第一个核苷三磷酸结合到全酶上结合到全酶上“启动子启动子-全酶全酶-核苷三磷酸核苷三磷酸”三元复合物三元复合物第二个核苷三磷酸第二个核苷三磷酸参入，形成第一个参入，形成第一个磷酸二酯键磷酸二酯键 因子从全酶上掉因子从全酶上掉下，核心酶在

11、下，核心酶在DNA链上向下游滑动链上向下游滑动开放启动子复合物开放启动子复合物“核心酶核心酶-DNA-RNA”三元复合物三元复合物p p pG-OH + p p pN-OHRNA pol5 -pppGpN-OH-3 +PPi1. 因子脱落，因子脱落，RNA-pol聚合酶核心酶变构，聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，沿着与模板结合松弛，沿着DNA模板前移。模板前移。 2. 在在核心酶核心酶作用下，作用下，NTP不断聚合，不断聚合，RNA链链不断延长不断延长。(NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPi（二）（二）转录延长转录延长大肠杆菌大肠杆菌RNA聚合酶与聚合酶与DNA的相互作用

12、的相互作用 因子与核心酶因子与核心酶全酶全酶全酶与全酶与DNA复合物复合物核心酶箝住核心酶箝住DNA 因子脱落因子脱落RNA pol转录空泡转录空泡RNAG-C A-T A-URNA-pol (核心酶核心酶) )-DNA-RNA转录空泡转录空泡 (transcription bubble) 也称转录复合物，是也称转录复合物，是RNA聚合酶的核心聚合酶的核心酶酶 、DNA模板和转录产物模板和转录产物RNA结合在一结合在一起的复合物起的复合物。原核生物转录过程中的羽毛状现象原核生物转录过程中的羽毛状现象3 DNA核糖体核糖体RNARNA聚合酶聚合酶5 原核生物转录的特点原核生物转录的特点：同一同一

13、DNA模板上模板上有多个转录同时进行有多个转录同时进行原核生物原核生物转录尚未完成，翻译已在进行转录尚未完成，翻译已在进行（三）（三）转录终止转录终止依赖依赖因子因子的转录终止的转录终止不依赖不依赖因子因子的转录终止的转录终止1. 依赖依赖因子的转录终止因子的转录终止因子因子v 识别结合识别结合富含富含C的的RNA链链v ATPase活性活性v 解螺旋酶活性解螺旋酶活性功能功能因子因子+ATP53Polymerase富含富含CRNA polRNA pol35因子因子解螺旋解螺旋，使使RNA脱落脱落RNA pol失活失活RNA转录后，形成转录后，形成特殊的结构特殊的结构，以终止转录，以终止转录。

14、2. 不依赖不依赖因子的转录终止因子的转录终止特点特点：(1) RNA单链内部接近终止区域有富含单链内部接近终止区域有富含 G-C配对区，形成稳定的二级结构。配对区，形成稳定的二级结构。(2) 在在发夹结构发夹结构的下游有的下游有poly U结构结构。茎环茎环 (stemloop)或或发夹发夹 (hairpin)结构结构UUGCAGCCUGAGAAAUCAGGCUGAUGG5 3 5 3 自发形成发夹结构自发形成发夹结构（E.coli rpl-L 3 末端末端）AUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUU5 3 UUUU5 3 自发形成自发形成茎环结构茎环结构UUUU.5 3

15、1.茎环结构茎环结构改变改变RNA pol的构象，使其失活的构象，使其失活。2.茎环结构茎环结构的形成使转的形成使转 录复合物趋于解体，录复合物趋于解体， poly U加速这一过程加速这一过程。GpN结构基因结构基因RNA pol识别结合识别结合生成起始复合物生成起始复合物转录延长转录延长转录终止转录终止启动子启动子终止区终止区pppGpppG原原核核生生物物的的转转录录过过程程（一）（一）转录起始转录起始 转录起始点上游多数有共同的转录起始点上游多数有共同的5 -TATA序列，序列，称为称为Hogness盒或盒或TATA盒盒。 不同物种、不同物种、不同细胞、不同的基因，在转不同细胞、不同的基

16、因，在转录起始点的上游可以有不同的与转录有关的序录起始点的上游可以有不同的与转录有关的序列列 ，但都可统称，但都可统称为为顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element)。 与基因表达调控有关的与基因表达调控有关的DNA非编非编码序列，统称为码序列，统称为顺式作用元件。顺式作用元件。二、二、真核生物的转录过程真核生物的转录过程真正转录真正转录终止点终止点GCGC-CAAT-TATA-ATGAATAAA修饰点修饰点外显子外显子内含子内含子翻译起始翻译起始转录起始转录起始TATA盒盒(Hogness box)CAAT盒盒 GC盒盒增强子增强子切离加尾切离加尾真核生物真核生物RNA

17、pol 转录转录的基因的基因翻译终止翻译终止1. 转录起始前的上游区段转录起始前的上游区段 能直接或间接辨认、结合能直接或间接辨认、结合顺式作用元件顺式作用元件或或RNA聚合酶，从而调节基因表达的一类聚合酶，从而调节基因表达的一类蛋白蛋白质质因子因子。 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聚合酶的聚合酶的蛋白质因子蛋白质因子。反式作用因子反式作用因子 (trans-acting factor)转录因子转录因子 (transcriptional factor, TF)2. 转录因子转录因子 参与参与RNA-pol 转录的转录的TF转录因子转录因子功功 能能TF A稳

18、定稳定TF D复合物复合物TF B促进促进pol 结合结合 作为桥梁作为桥梁TF D辨认结合辨认结合TATA盒盒TF EATPaseTF F解旋酶解旋酶TF H蛋白激酶活性，使蛋白激酶活性，使CTD磷酸化磷酸化TF J促进促进TF D的结合的结合3. 转录前起始复合物转录前起始复合物(pre-initiation complex, PIC) 真核生物真核生物RNA-pol不与不与DNA分子直分子直接结合，而需依靠众多的转录因子接结合，而需依靠众多的转录因子。 AB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TATAPOL-TF

19、FHECTD-PPIC组装完成，组装完成，TFH使使CTD磷酸化磷酸化ABTBPTAFTATA4. 拼板理论拼板理论 (piecing theory) 一个真核生物基因的转录需要一个真核生物基因的转录需要3至至5个转录因子。转录因子之间互相个转录因子。转录因子之间互相结合，生成结合，生成有活性有活性，有，有专一性专一性的复的复合物，再与合物，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。对性地结合、转录相应的基因。 （二）（二）转录延长转录延长真核生物转录延长过程与原核生物大致真核生物转录延长过程与原核生物大致相似相似；无；无转录与翻译同步的现象转录与翻译同步的现象。

20、RNA-pol前移处处都遇上核小体前移处处都遇上核小体。 转录延长过程中可以观察到转录延长过程中可以观察到核小体移核小体移位和解聚现象位和解聚现象。 转转录录延延长长中中的的核核小小体体移移位位RNA-PolRNA-Pol核小体核小体RNA-Pol转录方向转录方向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 加尾加尾AAAAAAA 3 mRNA（三）（三）转录终止转录终止 和转录后修饰密切相关和转录后修饰密切相关第三节第三节 RNA的转录后加工的转录后加工一、真核生物新生一、真核

21、生物新生mRNA的剪接和修饰的剪接和修饰（一）首、尾的修饰（一）首、尾的修饰 5 端形成端形成 帽子结构帽子结构(cap sequence) 3 端加上端加上多聚腺苷酸尾巴多聚腺苷酸尾巴(poly A tail)5GpppG鸟苷酸鸟苷酸转移酶转移酶5m7GpppGRNA甲基转移酶甲基转移酶磷酸酶磷酸酶Pi5ppG5pppGRNAGTPSAMSAHhnRNA +nATPpoly A聚合酶聚合酶Mg2+RNA-(A)n +nPPiPi加帽加帽加尾加尾NNHNN+NH2CH3OOHOHOPOOHOPOOHOPOOHOOBaseOHOP+OHOHO-AAAAAAAAA-OHOG加帽加尾的意义加帽加尾的

22、意义1. 蛋白质翻译起始所需蛋白质翻译起始所需2. mRNA稳定性所需稳定性所需3. 5端帽子结构和端帽子结构和3端端polyA尾与尾与mRNA 从核内向胞质的转位有关从核内向胞质的转位有关 5端帽子结构和端帽子结构和3端端polyA尾能通过与相尾能通过与相应的翻译起始因子结合，再结合核糖体小亚应的翻译起始因子结合，再结合核糖体小亚基参与翻译起始复合物的形成基参与翻译起始复合物的形成（二）真核生物（二）真核生物mRNA的剪接的剪接 1. hnRNA (hetero-nuclear RNA) 杂化核杂化核RNA，核内未被剪接的含有内含子，核内未被剪接的含有内含子的的mRNA前体前体2. snRN

23、A (small nuclear RNA) 核内蛋白质核内蛋白质 snRNP (小核核蛋白小核核蛋白 ) (RNA剪接的场所剪接的场所)snRNA种类：种类：U1，U2，U3，U4，U5，U6等。等。snRNA 由由100300个核苷酸组成，分子中富含个核苷酸组成，分子中富含尿嘧啶核苷酸，因而以尿嘧啶核苷酸，因而以U作为分类命名作为分类命名剪接体剪接体( splicesome)(参与参与hnRNA的剪接的剪接)snRNPhnRNA真核生物结构基因真核生物结构基因；由编码区和非编码区由编码区和非编码区组组成成；可翻译出由连续氨基酸组成的完整蛋白质可翻译出由连续氨基酸组成的完整蛋白质。3. 断裂基

24、因断裂基因 (split gene)CABD编码区编码区 A、B、C、D非编码区非编码区4. 外显子外显子 (exon)和和内含子内含子 (intron) 外显子外显子 在断裂基因及其初级转录产物上出现，在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟并表达为成熟RNA的核酸序列。的核酸序列。 内含子内含子 隔断基因的线性表达而在剪接过程中被隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列。除去的核酸序列。 成熟的成熟的mRNAhnRNA胰岛素基因胰岛素基因E1E2E35 3 SPre B CC A5 3 S Pre B C C A内含子的分类内含子的分类 根据基因的类型和剪接的方式，通常把内含

25、根据基因的类型和剪接的方式，通常把内含子分为子分为4 4类。类。 I I：主要存在于线粒体、叶绿体及某些低等真主要存在于线粒体、叶绿体及某些低等真核生物的核生物的rRNA基因；基因；II II：也发现于线粒体、叶绿体，转录产物是也发现于线粒体、叶绿体，转录产物是mRNA； IIIIII：是常见的形成套索结构后剪接，大多数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；基因有此类内含子； IVIV：是是tRNA基因及其初级转录产物中的内基因及其初级转录产物中的内含子，剪接过程需酶及含子，剪接过程需酶及ATP。内含子的功能，两种观点：内含子的功能，两种观点：1. 内含子是在进化中出现和

26、消失的，是进化过内含子是在进化中出现和消失的，是进化过 程中的遗迹，无实质性意义。程中的遗迹，无实质性意义。2. 内含子影响剪切效率及剪切位置，在基因表内含子影响剪切效率及剪切位置，在基因表 达中有调控功能。达中有调控功能。真核生物真核生物mRNA的剪接的过程的剪接的过程1. 剪接体剪接体识别结合识别结合hnRNA内含子内含子5 及及3 区域区域2. 形成形成套索套索RNA(lariat RNA)，外显子外显子靠近靠近3. 两步两步转酯反应转酯反应，切去内含子，连接外显子，切去内含子，连接外显子外显子外显子内含子内含子DNAmRNA转录转录形成套索形成套索RNA，外显子靠近，外显子靠近剪接体剪

27、接体去除套索去除套索RNA，外显子连接，外显子连接成熟成熟mRNACAUUCAUAUGAUGU外显子外显子1外显子外显子2GUAAGUAUACUACAAG53内含子内含子分支点分支点U1U2剪接体剪接体形成套索形成套索RNA外显子靠近外显子靠近mRNA editing是指转录后的是指转录后的RNA在编码区发在编码区发 生碱基的生碱基的插入、缺失或替换插入、缺失或替换等现象。等现象。使翻译生成的蛋白质的氨基酸组成，不同于使翻译生成的蛋白质的氨基酸组成，不同于 基因序列中的编码信息。基因序列中的编码信息。使得一个基因序列有可能产生几种不同的蛋使得一个基因序列有可能产生几种不同的蛋 白质，这可能是生物在长期进化过程中形成白质，这可能是生物在长期进化过程中形成 的、更经济有效地扩展原有遗传信息的机制。的、更经济有效地扩展原有遗传信息的机制。 （三）（三）mRNA的编辑的编辑(mRNA editing) RNA编辑作用说明，基因的编码序列经过转录后加工，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是可有多用途分化的，因此也称为分化加工(differential RNA processing)。人类人类apo B基因基因 mRNA（14500个核苷酸）个核苷酸）