RNA的生物合成转录课件

1、第 十 一 章RNA的生物合成RNA Biosynthesis转录 (transcription)：以DNA为模板指导合 成RNA的过程。是RNA合成的主要方式。RNA复制(RNA replication):以RNA为模板指 导合成RNA的过程。主要见于除逆转录病 毒以外的RNA病毒。RNA生物合成有两种方式转录 (transcription) 生物体以DNA为模板指导合成RNA的过程。 转录RNADNA mRNA(messenger RNA) 把遗传信息从DNA中转录出来，作为蛋 白质合成的直接模板。tRNA(transfer RNA ) 各种氨基酸的载体并以其反密码子识 别mRNA上的密码

2、子。rRNA（ribosomal RNA） 与蛋白质共同构成核糖体，做为蛋白 质合成场所。转录主要产物参与转录的物质原料: NTP (ATP, GTP, CTP ,UTP) 模板: 基因区的DNA单链酶: DNA依赖的RNA聚合酶 (DNA-dependent RNA polymerase, RNA-pol)其他蛋白质因子一、转录模板 RNA的转录为不对称转录(asymmetric transcription)，有两方面含义：在DNA双链分子上，对于某基因，一股链可转录（模板链），另一股链不转录（编码链）。模板链并非永远在同一单链上。第一节 原核生物转录的模板和酶5335模板链编码链编码链模板

3、链结构基因转录方向转录方向转录中RNA生成的方向是53方向延长，模板链为35方向。模板链(template strand) 按照碱基配对原则指导转录生成RNA的DNA单链。又称有意义链、Watson链。编码链（coding strand) 模板链的互补链。又称反意义链、Crick链。其碱基序列与mRNA一致，若以U代替T。文献中刊出的基因序列为编码链。5GCAGTACATGTC 33 c g t g a t g t a c a g 55GCAGUACAUGUC 3NAla Val His Val C编码链模板链mRNA蛋白质转录翻译亚基（因子）核心酶2 全酶2大肠杆菌(E.coli)的RNA聚

4、合酶：二、原核生物的RNA聚合酶核心酶 (core enzyme)全酶 (holoenzyme)亚基：功能是辨认转录起始点。2称核心酶(core enzyme)：催化NTP按模板的指引合成RNA。转录延长阶段仅需核心酶。全酶(holoenzyme)：转录起始时需全酶。启动子（启动序列）操纵序列结构基因（几个）操纵子其他调节序列调控序列原核生物基因转录模式：操纵子模式三、模板与酶的辨认结合操纵子：每一转录区段可视为一个转录单位，称为操纵子。 结构基因（编码序列） 启动子 操纵序列 其他调节序列(promoter)(operator)原核生物操纵子（operon）启动子(promoter)是转录起

5、始时RNA聚合酶结合模板DNA的部位。原核生物启动子（RNA聚合酶保护区）约4060bp大小。以结构基因第一个碱基为1，以负数表示基因上游，在启动子的35区和10区存在保守序列或一致性序列。35区的一致性序列是TTGACA，是转录起始的辨认位点，由因子辨认结合。10区是TATAAT，也称Pribnow盒，与RNApol有较牢固的结合。开始转录T T G A C AA A C T G T-35 区(Pribnow box)T A T A A T Pu A T A T T A Py-10 区1-30-5010-10-40-205 3 3 5 原核生物启动子保守序列RNA-pol辨认位点55RNA聚

6、合酶保护区结构基因33原核生物启动子结构RNA转录起始-35区-10区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp tRNAtrplacrecAAra TTGACA TATAAT共有序列X/4538 36 29 37 37 2840 25 30 41 29 44转录过程转录起始转录延长转录终止第二节 原核生物的转录过程1.因子辨认转录起始点,全酶与之结合。因子辨认结合启动子35区的TTGACA序列。2.全酶随即移向10区的TATAAT序列并跨入转录起始区

7、。一、转录起始3.解开局部双链，在RNA-pol催化下，生成RNA第一个3,5磷酸二酯键，形成转录起始复合物。 RNApol(2)-DNA-pppGpN-OH3 转录生成的RNA的第一位，即 5端总是GTP或ATP，以GTP更为常见。4.因子即从转录复合物上脱落，转录起始结束。(NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPi二、转录延长1.因子脱落后，在核心酶作用下，以NTP为底物，按照碱基配对原则（与DNA单链模板：C-G, A-U, T-A)，逐个生成3,5磷酸二酯键，延长RNA链。2.酶是沿着模板链的35方向，转录产物是从53延长。 3.转录空泡(transcription b

8、ubble)亦称转录复合物，包括：核心酶、DNA模板和转录产物。4.在DNA模板上多个转录同时进行，转录的mRNA上多聚核糖体翻译。转录空泡(transcription bubble)：RNA-pol （核心酶） DNA RNA53DNA原核生物转录过程中的羽毛状现象核糖体RNARNA聚合酶三、 转录终止有依赖因子（Rho）与非依赖因子转录终止两类 1.依赖因子的转录终止 因子由相同的6个亚基组成的六聚体蛋白质。 因子可与RNA 3端polyC结合，有ATP酶活性和解螺旋酶的活性。作用机制： RNA转录接近终点时，3末端出现polyC ，因子与polyC结合，因子和RNA聚合酶发生构象变化，R

9、NA聚合酶停顿。 因子ATP酶活性和解螺旋酶的活性使DNA:RNA杂化双链拆离，RNA从转录复合物中释放。A T P依赖因子的转录终止2、非依赖因子的转录终止结构：接近终止转录区，RNA转录产物3-末端有若干个连续的U,在此之前的部分碱基可形成鼓槌状的茎环结构(stem-loop)或发夹结构(hairpin)。5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3 5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3 RNA UUUU. UUUU.5UUGCAG

10、CCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGCCUUUUUAGGCACCAGCCUUUUU. 3茎环(stem-loop)/发夹(hairpin)结构机理：茎环结构在RNA末端形成，改变RNA聚合酶的构象，使转录停顿。通过茎环结构与RNA聚合酶及DNA的相互作用，使RNA解离出来，转录终止。茎环结构使转录终止的机理5pppG5 335RNA-pol一、真核生物的RNA聚合酶RNA-pol RNA-polRNA-pol RNA聚合酶真核生物RNA聚合酶比原核生物复杂，其都有两个不同的大亚基和十几个小亚基。第三节 真核生物RNA的生物合成真核生物RNA聚合酶特性与催化产物种类转录产物45

11、S-rRNAhnRNA5S-rRNA, tRNA, snRNA加工产物18S-rRNA28S-rRNA5.8S-rRNAmRNA同上鹅膏蕈碱反应耐受极敏感中度敏感hnRNA(杂化核RNA，hetero-nuclear RNA)：经加工生成mRNAsnRNA(核内小RNA, small nuclear RNA) ：有多种，由100-300核苷酸组成，参与RNA的剪接过程。启动子增强子沉默子TATA盒（Hogness盒）CAAT盒GC盒顺式作用元件二、真核生物转录起始真核生物转录模式：顺式作用元件+结构基因转录起始点TATA盒CAAT盒GC盒 增强子或沉默子真核生物转录模式AATAAA切离加尾 转

12、录终止点 修饰点 外显子 翻译起始点内含子 （一）顺式作用元件（Cis-acting element）概念：是指可影响自身基因表达活性的DNA序列。可位于结构基因两侧，多见于上游，包括启动子、增强子和沉默子。53调控序列TATA盒InrYYAN YYTA-30+1TATAAA启动子：保守序列常见有: TATA盒（Hogness盒，TATAAAA） CAAT盒 (GCCAAT) GC盒(GGGCGG) 某些启动子具有位于转录起始点附近 的保守序列，称为起始子(initiator, Inr)。启动子保守序列可结合不同的转录因子，参与转录起始。 TATA盒常是启动子的核心序列，可结合TBP(TATA

13、 binding protein，TATA结合蛋白)。转录起始时，多种转录因子结合于启动子，真核RNA-pol通过转录因子间接与启动子结合，与原核RNA-pol不同。增强子(enhancer)：是远离转录起始点，具有增强启动子转录活性的DNA序列。其可与增强子结合蛋白EBP(enhance binding protein)结合，促进转录。沉默子(silencer)：是远离转录起始点，可抑制基因转录的DNA序列。其可与转录抑制因子（transcription inhibitor）结合，抑制转录。（二）转录因子(transcriptional factor)反式作用因子(trans-acting

14、factor) 某一基因表达的蛋白质间接或直接作用于另一基因的顺式作用元件，此类蛋白质称为反式作用因子。（二）转录因子(transcriptional factor)转录因子(transcriptional factors, TF) 反式作用因子中，直接或间接结合RNA聚合酶者称为转录因子。转录因子基本转录因子转录激活因子特异转录因子转录抑制因子 TFIID由两类亚基组成 TBP(TATA binding protein，TATA结合蛋白) TAF(TBP associated factors，TBP辅助因子)基本转录因子 是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白质因子，决定RNA的类别。 相

15、应于RNA-pol、，分别称为TFI、 TFII、TFIII。 TFII又分为TFIIA、TFIIB、TFIID、TFIIE、TFIIF、TFIIH等。参与RNA-pol转录的TF (三)转录起始前复合物真核生物转录起始首先形成转录起始前复合物（pre-initiation complex, PIC） 。 TFII-D通过TBP结合TATA盒为核心，其他TFII逐步加入，与RNA-pol、启动子共同形成PIC。polTFHTFE TFFTAFTAFTFATFBTBP DNATATA 转录起始前复合物 （pre-initiation complex, PIC）（四）转录起始复合物 转录起始前复合

16、物PIC形成后，在迂回折叠DNA构象中，增强子结合蛋白EBP（enhance binding protein）结合增强子,同时与TFD中的TAF结合，最后形成转录起始复合物，启动转录。polTFHTFE TFFTAFTAFTFATFBTBP DNATATAEBP真核生物转录起始复合物 三、转录延长真核生物转录延长过程与原核生物大致 相似，但因有核膜相隔，没有转录与翻译同步的现象。 RNA-pol前移处处都遇上核小体。 转录延长过程中可以观察到核小体移位 和解聚现象。 RNA-PolRNA-PolRNA-Pol核小体转录延长中的核小体移位转录方向四、转录终止基因读码框架下游，常有共同序列AATA

17、AA（编码链），再下游有多个GT序列，两者之间为转录终止的修饰点。转录越过修饰点，mRNA在修饰点处被切断，随即加入polyA尾及5-帽子结构。RNA酶将余下的RNA降解，解螺旋酶和释放酶帮助终止转录。5-AAUAAA-5 -AAUAAA-核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAA GTGTGTG转录终止的修饰点55333切断并加尾AAAAAAA 3 mRNA转录中mRNA解螺旋酶和释放酶转录终止过程 原核生物转录生成的RNA一般不需加工即可使用，真核生物转录生成的RNA必须经加工后才能使用。第四节 真核生物RNA加工 真核生物结构基因转录初产物为hnRNA，需加工才能成为成熟的mRNA

18、。 5-端形成帽子结构 3-端加polyA尾巴 内部剪接mRNA的编辑一、真核生物mRNA转录后加工（一） 5端形成帽子结构形成过程：转录生成的hnRNA经与GTP反应，生成三磷酸双鸟苷(GpppG-)，再将第1或第2个G碱基7位N甲基化，形成帽子结构(7-甲基鸟嘌呤三磷酸核苷,mGpppG- 或GpppmG-)。帽子结构功能：使mRNA免遭核酸酶的攻击；与翻译起始有关。5 pppGp5 GpppGppppG ppi鸟苷酸转移酶5 mGpppGp甲基化酶SAM帽子结构的生成5 ppGp磷酸酶Pi（5 GpppmGp）帽子结构5 mGpppGp（二） 3端加polyA尾巴形成过程：转录越过修饰点

19、后， mRNA在修饰点处被切断，加入polyA尾巴。此过程有多种因子和酶参加。功能：维持mRNA 作为翻译模板的活性以及增加mRNA 本身稳定性。1. hnRNA和断裂基因hnRNA：结构基因的初级转录产物，加工修饰后形成mRNA。hnRNA较成熟mRNA大几倍甚至数十倍。断裂基因(split gene) ：真核结构基因，由若干个编码区（外显子）和非编码区（内含子）互相间隔但又连续而成，转录后去除内含子再连接，故称断裂基因。(三) 内部剪接2、外显子和内含子外显子(exon):在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟RNA的核酸序列（编码区）。内含子(intron) ：隔断基因线形表达而

20、在剪接过程中被除去的核酸序列（非编码区）。鸡卵清蛋白断裂基因hnRNA首、尾修饰hnRNA剪接成熟的mRNA3、mRNA的剪接（splicing)snRNA：分子中U碱基最丰富，故以U分类命名，有5种：U1、U2、U4、U5、U6。snRNP：5种snRNA和蛋白质组成5种小分子核糖核蛋白snRNP，参与mRNA剪接。剪接：去除初级转录产物中的内含子，把外显子连接为成熟的RNA。采用套索剪接，发生在核内。剪接体： mRNA的剪接在剪接体上进行。剪接体由5种snRNP（U1U6 snRNP）组成。剪接体形成：大多数内含子结构为5-GUAG-3。首先是U1 、U2 snRNP的U1 、U2 与内含

21、子边界序列结合， U4 、U5 、U6 snRNP加入，形成剪接体。snRNP的U1 、U2 snRNA与内含子结合UACUACA - AGUGU4U5U6E1E2U1U2剪接体的形成剪接体催化中心：剪接体释放U1 、U4 、U5 后，U2 和U6 形成剪接体催化中心。此时，内含子弯曲成套索状，上下游外显子靠近。UACUACA - AGUGU6E1E2U1、U4、U5UACUACA - AGUGU4U5U6E1E2U1U2催化中心的形成U2剪接过程：在剪接体催化中心，发生两次转酯反应。 第一次转酯反应：含鸟苷酸pG、ppG或pppG的辅酶，以3-OH对E1/I之间的磷酸二酯键作亲电子攻击，使共

22、价键断开。 第二次转酯反应： 由E1的3-OH对I/E2之间的磷酸二酯键作亲电子攻击，使其断开，2个外显子相连而内含子被切除。 pG-OH(ppG-OH, pppG-OH)GU-OHAGpUpGpA第一次转酯反应第二次转酯反应GUpAAGpU外显子1内含子外显子2AG-OHGUpUpGpAmRNA的剪切（cleavage) 是mRNA前体剪去某些内含子，在上游的外显子3-端直接加polyA。剪切是某些mRNA的加工方式。剪切和剪接两种加工方式有时共用于某些mRNA的转录后加工。 （参见书图11-23/24）4、mRNA的剪切（cleavage) 肠粘膜细胞有特异的胞嘧啶核苷脱氨酶，可与apoB基因转录的mRNA上第2153密码子CAA结合,将其C转变为U,使CAA变为终止密码子UAA,终止翻译。（四） mRNA的编辑(mRNA editing) 人类apo B基因 mRNA（1450