第十二章RNA的生物合成转录ppt课件

1、第十二章第十二章 RNARNA的生物合成的生物合成( RNA Biosynthesis Transcription )Reverse transcription中心法那么中心法那么 (Central Dogma)Replication 储存遗传信息储存遗传信息 直接模板直接模板 有功能的产物有功能的产物 复制复制转录转录翻译翻译转录转录(transcription)(transcription)： 以以DNADNA单链为模板，单链为模板，NTPNTP为为原料，在原料，在DNADNA依赖的依赖的RNARNA聚合酶聚合酶催化下合成催化下合成RNARNA链的过程。链的过程。RNA聚合酶聚合酶第一节第

2、一节 RNARNA聚合酶及聚合酶及RNARNA转录的普转录的普通特点通特点General Survey of RNA General Survey of RNA Synthesis Synthesis 模板：模板：酶：酶：原料：原料：产物：产物：配对：配对：方向：方向：引物：引物：DNA(不对称转录不对称转录RNA聚合酶聚合酶NTPmRNA,tRNA,rRNA,小小RNAA-U,T-A,G-C5 3不需求不需求转转 录录 的的 条条 件件一、一、DNA指点的指点的RNA聚合酶聚合酶 (DNA directed RNA polymerase, DDRP)模板：双链模板：双链DNADNA中的一条链

3、中的一条链底物：四种核糖核苷三磷酸底物：四种核糖核苷三磷酸ATPATP、GTPGTP、CTPCTP和和 UTP UTP反响条件：二价金属离子，如反响条件：二价金属离子，如Mg2+Mg2+和和Mn2+Mn2+。 RNA聚合酶聚合酶(NMP)n + NTP (NMP)n+1 + PPi真核生物的真核生物的RNA聚合酶聚合酶 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RNAMt型分子量 5.5105 6105 6105 6.46.8104 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

4、 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 复制复制以以DNADNA为模板合成为模板合成DNADNA的过程；的过程； 转录转录以以DNADNA为模板合成为模板合成RNARNA的过程。的过程。一样点一样点 都是酶促核苷酸聚合过程；都是酶促核苷酸聚合过程； 都以都以DNA为模板；为模板； 合成方向都是合成方向都是5-3； 核苷酸之间都以磷酸二酯键相连；核苷酸之间都以磷酸二酯键相连； 服从碱基互补配对规律；服从碱基互补配对规律；二、比较复制和转录的异同二、比较复制和转录的异同 不同点

5、不同点 复复 制制两条链均复制两条链均复制dNTPA-T、G-CDNA聚合酶聚合酶子代双链子代双链DNA需求需求RNA引物引物不需求不需求 转转 录录模板链转录不对称模板链转录不对称NTPA-U、T-A、G-CRNA聚合酶聚合酶mRNA/tRNA/rRNA不需求引物不需求引物需求需求l模板模板l原料原料l碱基配碱基配对对l聚合酶聚合酶l产物产物l引物引物l加工加工 转录因子转录因子transcription factors，TF 能结合到能结合到DNA的特殊序列并且与的特殊序列并且与RNA聚合酶结聚合酶结合，合， 促进转录的蛋白质因子。促进转录的蛋白质因子。 TF I： 促进促进RNA聚合酶聚

6、合酶I转录转录 TF II：促进：促进RNA聚合酶聚合酶IITFIIA，B，D，E，F，H TF III：促进：促进RNA聚合酶聚合酶III转录。转录。 反式作用因子反式作用因子不对称转录不对称转录(asymmetric transcription):(asymmetric transcription): 在在DNADNA双链分子的某一区段，一股链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。永远在同一单链上的转录方式。5335箭头方向为转录方向；深色链为模板链。箭头方向为转录方向；深色链为模板链。3-CGTCAT

7、GTACAG-5模板链模板链5-GCAGTACATGTC-3编码链编码链 5-GCAGUACAUGUC-3mRNAN -Ala-Val-His-Val-C 蛋白质蛋白质转录转录翻译翻译mRNA序列与编码链一样序列与编码链一样U-T。原核细胞原核细胞 真核细胞真核细胞转录过程：起始转录过程：起始延伸延伸终止终止 转录单位转录单位transcription unittranscription unit： RNARNA聚合酶作用的起始点与终止点之间的聚合酶作用的起始点与终止点之间的 DNADNA序序列。列。转录起始位点：转录起始位点： 合成合成RNARNA链的链的DNADNA的第一个核苷酸位点的第一

8、个核苷酸位点+1+1。第二节第二节 真核生物的转录过程真核生物的转录过程真核生物与转录起始有关的构造真核生物与转录起始有关的构造 顺式作用元件顺式作用元件cis-acting element： 存在于基因的旁侧序列中，能影响本身基因存在于基因的旁侧序列中，能影响本身基因表达的序列。包括启动子、加强子、沉默子等。表达的序列。包括启动子、加强子、沉默子等。反式作用因子反式作用因子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。件结合，参与基因表达调控的蛋白因子。BEHAFRNA聚合酶聚合酶IITA

9、TATFIID 45bp+1+30bpDNAmRNA转录前起始复合体转录前起始复合体RNA聚合酶聚合酶II、多种、多种TFII、DNA模板组成模板组成转录前起始复合物。转录前起始复合物。一、一、 mRNA的合成的合成一起始一起始 1. 启动子promoter 启动子是DNA模板上的一段特殊序列。转录开场时，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。真核生物启动子构造真核生物启动子构造真核生物启动子构造：真核生物启动子构造： GC Box：位于：位于-80 -110区，有区，有GGGCGG保保守序列，结合转录因子调理转录。守序列，结合

10、转录因子调理转录。 CAAT Box：位于：位于-70 -80区，有区，有GGNCAATCT保守序列，决议转录起始的频率。保守序列，决议转录起始的频率。 TATA Box：位于：位于-25 -30区，有区，有TATA(A/T)(A/T)A保守序列，能保证转录起始保守序列，能保证转录起始位置的准确性。又称位置的准确性。又称Hogness Box。2. 转录因子及转录前起始复合物转录因子及转录前起始复合物PIC的构成的构成 二二 RNA链的延伸链的延伸elongation DNA DNA双链不断的解开，双链不断的解开，RNARNA聚合酶沿着聚合酶沿着DNADNA模板向模板向3 3方向挪动。同时，在

11、方向挪动。同时，在RNARNA聚合酶聚合酶IIII的的作用下，与作用下，与DNADNA模板链序列互补的核苷酸逐一模板链序列互补的核苷酸逐一地进入反响体系，不断延伸地进入反响体系，不断延伸RNARNA链。合成的方链。合成的方向为向为5 533。 需求多种转录因子协助，由需求多种转录因子协助，由RNARNA聚合酶聚合酶IIII催化。催化。转录泡转录泡酶覆盖：酶覆盖：40bp翻开翻开DNA： 17bp合成合成RNA：12bpDNA-RNA杂交体杂交体三三 RNARNA合成的终止合成的终止terminationtermination转录至模板某一位置，停顿构成磷酸二酯键转录至模板某一位置，停顿构成磷酸

12、二酯键RNADNA杂交链解开，杂交链解开，DNA解链的部分解链的部分重新构成双螺旋重新构成双螺旋RNA聚合酶分开聚合酶分开DNA。 转录终止序列：转录终止序列：DNA 的特殊序列与转录的终止有关。的特殊序列与转录的终止有关。 编码链编码链5-AAUAAA加尾加尾二、二、 rRNArRNA的合成的合成合成部位：合成部位： 核仁核仁酶：酶： RNA RNA 聚合酶聚合酶 I I转录单位：转录单位： 包括包括28S28S，5.8S5.8S及及18S rRNA18S rRNA基因。基因。 几百个转录单位串联陈列在染色体几百个转录单位串联陈列在染色体 上，中间有间隔序列隔开。上，中间有间隔序列隔开。转录

13、因子：转录因子： TF ITF I转录产物：转录产物： 28S28S，5.8S5.8S，18S rRNA18S rRNA核糖体核糖体RNARNArRNArRNA的转录的转录内含子内含子基因间隔基因间隔18S5.8S28S每个反复单位每个反复单位45S转录产物转录产物3种种 rRNA前体前体转录后加工转录后加工18SrRNA5.8S/28S rRNA三、三、 5S rRNA5S rRNA和和tRNAtRNA的合成的合成合成部位：合成部位： 核浆核浆酶：酶： RNA RNA 聚合酶聚合酶 IIIIII转录因子：转录因子： TF IIITF III转录产物：转录产物： 5S rRNA5S rRNA，

14、tRNAtRNA，snRNAsnRNA第三节第三节真核生物转录后真核生物转录后RNARNA的加工的加工RNA ProcessingRNA ProcessingRNARNA转录后加工转录后加工RNA processingRNA processing: : 以以DNADNA为模板转录生成的为模板转录生成的RNARNA链经过修饰、链经过修饰、切除、衔接等反响，去除非编码序列，构成切除、衔接等反响，去除非编码序列，构成成熟的具有功能的成熟的具有功能的RNARNA分子的过程。分子的过程。 一、一、mRNA的加工的加工一内含子的剪接一内含子的剪接断裂基因断裂基因splite genesplite gene

15、：真核生物的构造基来由：真核生物的构造基来由假设干编码区和非编码区相互间隔，编码一个完好的假设干编码区和非编码区相互间隔，编码一个完好的蛋白质，成为断裂基因。蛋白质，成为断裂基因。外显子外显子exonexon：真核构造生物基因中的编码序列。：真核构造生物基因中的编码序列。内含子内含子intronintron：真核生物构造基因中的非编码区。：真核生物构造基因中的非编码区。exonABCintron真核细胞的真核细胞的基因构造基因构造hn RNA成熟成熟 mRNA 核不均一核不均一RNARNAheterogeneous-nuclear RNA,heterogeneous-nuclear RNA,h

16、nRNAhnRNA： 细胞核内的初级转录产物。需求经过剪细胞核内的初级转录产物。需求经过剪接才干成为成熟的接才干成为成熟的mRNAmRNA。 小核小核RNARNAsmall nuclear RNA, snRNAsmall nuclear RNA, snRNA： 在细胞核内与蛋白质组成核糖核酸蛋白体，在细胞核内与蛋白质组成核糖核酸蛋白体，即剪接体即剪接体splicesomesplicesome，结合在，结合在hnRNAhnRNA的内含的内含子区段，使之弯曲，构成套索构造，有利于剪子区段，使之弯曲，构成套索构造，有利于剪接。接。mRNA mRNA 剪接剪接mRNA splicingmRNA spl

17、icing 真核生物构造基因转录时，外显子和内含子真核生物构造基因转录时，外显子和内含子同时被转录，产物为同时被转录，产物为hnRNAhnRNA，而后切除，而后切除hnRNAhnRNA中的中的内含子，将外显子衔接的过程成为内含子，将外显子衔接的过程成为mRNAmRNA剪接。剪接。剪接类型：剪接类型：snRNAsnRNA剪接方式剪接方式剪接位点：作为内含子起始和终了的剪接位点：作为内含子起始和终了的GUGU、AGAG剪接剪接 点序列成为剪接位点。点序列成为剪接位点。二二 5 5端加帽端加帽5 5端：端：m7GpppGpNm7GpppGpN甲基化三磷酸双鸟苷甲基化三磷酸双鸟苷部位：细胞核部位：细胞

18、核作用作用: 1: 1使使mRNAmRNA免受磷酸酶和核酸酶的攻击，免受磷酸酶和核酸酶的攻击， 稳定稳定mRNAmRNA分子的一级构造；分子的一级构造； 2 2提供核蛋白体识别位点，促进翻译起提供核蛋白体识别位点，促进翻译起 始复合物构成，加强始复合物构成，加强mRNAmRNA翻译效率；翻译效率； 3 3有利于有利于mRNAmRNA前体的剪接。前体的剪接。mRNA mRNA 的的5 5帽子构造帽子构造5 5 pppGp pppGp5 5 GpppGp GpppGppppGpppG ppippi鸟苷酸鸟苷酸转移酶转移酶5 5 m7GpppGp m7GpppGp甲基转移酶甲基转移酶SAMSAM5

19、5 ppGp ppGp磷酸酶磷酸酶 Pi Pi帽子构造的生成帽子构造的生成三三mRNAmRNA的的3 3端加端加polyApolyA尾尾3 3端：端：100-200100-200个腺苷酸残基个腺苷酸残基部位：细胞核部位：细胞核作用作用: 1: 1维持维持mRNAmRNA的稳定；的稳定； 2 2添加翻译效率；添加翻译效率； 3 3与与mRNAmRNA运输有关。运输有关。转录终止序列：转录终止序列：DNA 的特殊序列与转录的终止有关。的特殊序列与转录的终止有关。 编码链编码链5-AAUAAA加尾加尾步骤步骤1步骤步骤23 3端加端加polyApolyA尾尾四四 mRNA 编辑编辑mRNA edit

20、ing DNA DNA在转录成在转录成hnRNAhnRNA后，经过插入、删除后，经过插入、删除或碱基交换而改动或碱基交换而改动DNADNA模板原来的某些遗传信模板原来的某些遗传信息。息。 通常是个别碱基的改换使一个基因表达通常是个别碱基的改换使一个基因表达出多个氨基酸序列不同的蛋白质。出多个氨基酸序列不同的蛋白质。 是对生物学中心法那么的补充，扩展了是对生物学中心法那么的补充，扩展了mRNAmRNA遗传信息容量。遗传信息容量。第第2153位位谷氨酰胺谷氨酰胺终止子终止子二、核糖体二、核糖体RNArRNA的转录后加工的转录后加工内含子内含子基因间隔基因间隔18S5.8S28S每个反复单位每个反复

21、单位45S转录物转录物3种种 rRNA前身前身剪接剪接18SrRNA5.8S/28S rRNArRNA转录后转录后的加工和与的加工和与核糖体的装核糖体的装配同时进展。配同时进展。核酶核酶ribozyme：具有催化功能的：具有催化功能的RNA。四膜虫的四膜虫的rRNArRNA自我剪接自我剪接核酶的二级构造核酶的二级构造槌头状构造槌头状构造 hammerhead structure通常为通常为6060个核苷酸左右；同一分子上包括有催化个核苷酸左右；同一分子上包括有催化部分和底物部分，共同组成槌头状构造。部分和底物部分，共同组成槌头状构造。底物底物催化部分催化部分酶酶底物底物核酶的意义：核酶的意义：

22、1.1.核酶的发现，对中心法那么作了重要补充；核酶的发现，对中心法那么作了重要补充；2.2.对传统酶学提出挑战；对传统酶学提出挑战；3.3.人工合成核酶的槌头构造，用于破坏有害基人工合成核酶的槌头构造，用于破坏有害基因，如因，如 破坏破坏HIVHIV病毒病毒RNARNA。三、转移三、转移RNAtRNA的转录后加工的转录后加工碱碱 基基 修修 饰饰1甲基化甲基化 A Am2复原复原 U DHU3核苷酸内的转位反响核苷酸内的转位反响 U 4脱氨反响脱氨反响 A I第四节第四节 原核生物的转录原核生物的转录一原核生物的一原核生物的RNA聚合酶聚合酶核核心心酶酶 亚基亚基2 功功 能能决议哪些基因被转

23、录决议哪些基因被转录结合底物，构成磷酸二酯键催化结合底物，构成磷酸二酯键催化结合模板开链结合模板开链中心酶参与转录全过程中心酶参与转录全过程识别起始点启动子延伸时零落识别起始点启动子延伸时零落全酶：全酶： 2 原核生物的原核生物的RNA聚合酶聚合酶RNARNA聚合酶全酶在转录起始区的结合聚合酶全酶在转录起始区的结合-35 -10 Pribnow box一、原核生物转录起始一、原核生物转录起始initiation启动子启动子promotor：DNA分子上可以与分子上可以与RNA聚合酶特异结合而使转录开场的一段聚合酶特异结合而使转录开场的一段DNA序列，本身不被转录。序列，本身不被转录。 结合部位

24、：位于结合部位：位于-10区，有区，有TATAAT保守序列，保守序列，是是RNA聚合酶与聚合酶与DNA模板结实结合的位点，也模板结实结合的位点，也有助于翻开部分有助于翻开部分DNA双链。也称双链。也称Pribnow Box。 识别部位：位于识别部位：位于-35区，有区，有TTGACA保守序列，保守序列，是是RNA聚合酶聚合酶亚基识别的部位。亚基识别的部位。 转录起始位点：合成转录起始位点：合成RNA链中第一个核苷酸的链中第一个核苷酸的位点，多为位点，多为A或或G。原核生物启动子构造原核生物启动子构造 支配子支配子operon：原核生物的许多功能：原核生物的许多功能相关的基因成簇地串联陈列在染色

25、体上，相关的基因成簇地串联陈列在染色体上，共同组成一个转录单位，几个构造基因受共同组成一个转录单位，几个构造基因受同一调控序列调控，这种基因表达控制单同一调控序列调控，这种基因表达控制单元称为支配子。元称为支配子。调理基因调理基因启动子启动子支配支配基因基因lacZ lacYlacACAPcAMPCAP-cAMPCAP-cAMP复合物复合物mRNAmRNA+ -半乳糖苷酶半乳糖苷酶 -半乳糖苷透过酶半乳糖苷透过酶 -半乳糖苷乙酰半乳糖苷乙酰基转移酶酶基转移酶酶乳糖支配子乳糖支配子 RNARNA的转录开场于的转录开场于pppG pppG 或或 pppA pppA。转录起始位置在。转录起始位置在P

26、ribnowPribnow盒子下游盒子下游5-8bp5-8bp。 RNARNA聚合酶全酶中的聚合酶全酶中的因子在因子在DNADNA双链上迅速、随机滑双链上迅速、随机滑动，寻觅到启动子动，寻觅到启动子-35-35区，结合构成闭合的复合物，区，结合构成闭合的复合物，DNADNA双双链未解开。链未解开。 全酶构成更严密的开环复合物，其特征是全酶构成更严密的开环复合物，其特征是DNADNA双螺旋部分双螺旋部分解开大约解开大约10bp10bp。由于。由于Pribnow Pribnow 盒子是富含盒子是富含ATAT的，它有利于的，它有利于这种部分的解旋。这种部分的解旋。 解链的解链的DNADNA与起始的三

27、磷酸嘌呤核苷酸与起始的三磷酸嘌呤核苷酸pppG pppG 或或 pppA pppA及及RNARNA聚合酶结合，然后构成第一个磷酸二酯键。聚合酶结合，然后构成第一个磷酸二酯键。 全酶挪动到另一个位置并继续合成。一旦起始的核苷酸链全酶挪动到另一个位置并继续合成。一旦起始的核苷酸链构成一小段后，构成一小段后，因子便从全酶释放出来，中心酶进入延因子便从全酶释放出来，中心酶进入延伸阶段继续发扬其催化作用。伸阶段继续发扬其催化作用。 另外一个另外一个RNARNA聚合酶分子可以识别并结合到启动子上，开聚合酶分子可以识别并结合到启动子上，开场另一轮转录。这样，一个基因可以被同时转录许多次。场另一轮转录。这样，

28、一个基因可以被同时转录许多次。RNA的转录过程的转录过程二、转录的延伸二、转录的延伸elongation 亚基零落，亚基零落，RNARNA聚合酶中心酶变构，聚合酶中心酶变构，与模板结合松弛，沿与模板结合松弛，沿DNADNA模板前移，催化模板前移，催化RNARNA链不断延伸。链不断延伸。NMPNMPn + NTP n + NTP NMPNMPn+1 + n+1 + PPiPPi转录复合物：转录复合物：RNARNA聚合酶中心酶，聚合酶中心酶，DNADNA模板，模板，RNARNA产物。产物。DNADNA解开解开17 bp17 bp；RNA-DNARNA-DNA构成构成12bp12bp长的杂交螺旋长的

29、杂交螺旋三、三、 RNARNA合成的终止合成的终止terminationtermination 依赖依赖RhoRho 因子的转录终止因子的转录终止 非依赖非依赖 因子的转录终止因子的转录终止转录至模板某一位置，停顿构成磷酸二酯键转录至模板某一位置，停顿构成磷酸二酯键RNADNARNADNA杂交链解开，杂交链解开，DNADNA解链的部分重新构成双螺旋解链的部分重新构成双螺旋RNARNA聚合酶分开聚合酶分开DNADNA 分类：分类：1 1依赖依赖RhoRho因子的转录终止因子的转录终止 六个一样亚基组成的蛋白质六个一样亚基组成的蛋白质 RNA依赖的依赖的ATP酶活性和解螺旋酶活性酶活性和解螺旋酶活

30、性 与单链与单链RNA polyC结合结合因子的构造：因子的构造：依赖依赖因子的转录终止因子的转录终止发夹构造发夹构造环环茎茎多个多个U DNA模板模板 32 2非依赖非依赖因子的转录终止因子的转录终止 DNA DNA分子近转分子近转录终止点处具有录终止点处具有一段富含一段富含GCGC的回的回文区域，之后是文区域，之后是一连串的一连串的dAdA碱基碱基序列，它们转录序列，它们转录的的RNARNA链的末端为链的末端为一连串一连串U U延续延续6 6个。个。RNA-pol5pppG茎环构造的转录终止茎环构造的转录终止RNARNA聚合酶变构，转录停顿；聚合酶变构，转录停顿；AUAU结合弱，转录复合物

31、趋于解结合弱，转录复合物趋于解离，离，RNARNA产物释放。产物释放。原核生物和真核生物转录过程的比较原核生物和真核生物转录过程的比较 原核生物原核生物 真核生物真核生物转录单位转录单位 1个转录单位含多个构造基因个转录单位含多个构造基因 1个转录单位含个转录单位含1个构造基因个构造基因起始起始 不需引物不需引物 不需引物不需引物 启动子识别启动子识别 亚基亚基 多种转录因子参与多种转录因子参与 起始酶起始酶 RNA聚合酶全酶聚合酶全酶 RNA聚合酶聚合酶I、II、III催化催化 合成不同的合成不同的RNA延伸延伸 合成新链沿合成新链沿5-3方向前进方向前进 合成新链沿合成新链沿5-3方向前进

32、方向前进 延伸酶延伸酶 RNA聚合酶中心酶聚合酶中心酶 RNA聚合酶聚合酶I、II、III 转录复合物转录复合物 RNA聚合酶中心酶聚合酶中心酶-DNA-RNA -终止终止 依赖依赖因子终止因子终止 转录修饰点有特殊序列，转录修饰点有特殊序列， 非依赖非依赖因子终止因子终止 mRNA过转录修饰点即过转录修饰点即 被切断加帽加尾被切断加帽加尾四、四、RNARNA转录后加工转录后加工RNA processingRNA processing 以以DNADNA为模板转录生成的为模板转录生成的RNARNA链经过修饰、切链经过修饰、切除、衔接等反响，去除非编码序列，构成成熟的除、衔接等反响，去除非编码序列，构成成熟的具有功能的具有功能的RNARNA分子的过程。分子的过程。 mRNAmRNA可直接作为翻译的模板可直接作为翻译的模板 rRNArRNA 转录产物要加工、修饰转录产物要加工、修饰 tRNAtRNA 原核生物和真核生物原核生物和真核生物mRNAmRNA的不同的不同原核生物原核生物mRNAmRNA多顺反子多顺反子转录与翻译同步转录与翻译同步mRN