分子生物学原理的生物合成

分子生物学原理的生物合成2023/3/14分子生物学原理第一页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理转录RNADNA

转录(transcription)生物体以DNA为模板合成RNA的过程。也就是把DNA的碱基序列抄录成RNA的碱基序列。第二页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理复制与转录的异同点相同点：不同点:复制转录

以DNA作模板

双链复制

模板链

需4种NTP

dNTP

NTP

碱基配对

A=T

A=U,T=A

合成方向5’3’

依赖DNA的聚合酶

DDDP

DDRP

多聚核苷酸大分子

半保留式子代

mRNA、tRNA、rRNA第三页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理参与转录的物质原料:

NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)模板:

DNA酶:

RNA聚合酶(RNApolymerase,RNA-pol)其他蛋白质因子第四页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理模板和酶TemplatesandEnzymes第一节第五页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理一、转录模板结构基因：strucuralgene

能转录出mRNA然后指导蛋白质生成的部分。模板链：templatestrand

可作为模板转录成RNA的一股链。也称作有意义链或Watson链。编码链：codingstrand

相对于模板链的另一股链。也称为反义链或Crick链。第六页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理模板:转录、翻译的序列比较5’GCATTAGCTAGCTACTAGC3’DNA3’cgtaatcgatcgatgatcg5’双链转录5’GCAUUAGCUAGCUACUAGC3’mRNA

翻译NAlaLeuAlaSerTryC肽链第七页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理转录的不对称性不对称转录：asymmetrictranscriptionDNA双链对一个基因而言，一股可转录，另一股不转录。模板链与编码链相对而言第八页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理5335模板链编码链编码链模板链结构基因转录方向转录方向第九页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理二、RNA聚合酶转录酶：依赖DNA的RNA聚合酶

DNAdependentRNApolymerase

DDRP

第十页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理原核生物的RNA聚合酶大肠杆菌的RNA聚合酶：2’其中2’称为核心酶：只有转录功能亚基：辨别转录起始点+2’=全酶受利福平或利福霉素（结核菌药物）的特异性抑制。第十一页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理核心酶(coreenzyme)全酶(holoenzyme)第十二页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合

第十三页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理原核生物的RNA聚合酶第十四页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理真核生物的RNA聚合酶RNA聚合酶II可认为是真核生物中最重要的RNA聚合酶第十五页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理三、模板与酶的辨认结合原核生物一个转录区段可视为一个转录单位，称为操纵子(operon)，包括若干个结构基因及其上游(upstream)的调控序列。

5335结构基因调控序列RNA-polRNA聚合酶结合模板DNA的部位，称为启动子(promoter)。第十六页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理三、模板与酶的辨认结合启动区的保守序列原核生物有两个元件-35bp的辨认位点：5’-TTGACA--10bp的Pribnow盒:5’-TATAATPu真核生物有多个元件(如-30的Hogness或TATA盒)。第十七页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理RNA聚合酶保护法目录第十八页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理开始转录TTGACAAACTGT-35区(Pribnowbox)TATAATPuATATTAPy-10区1-30-5010-10-40-205335原核生物启动子保守序列RNA-pol辨认位点(recognitionsite)55RNA聚合酶保护区结构基因33第十九页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理

TATA盒

CAAT盒

GC盒

增强子

顺式作用元件结构基因-GCGC---CAAT---TATA转录起始真核生物启动子保守序列第二十页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理转录过程TheProcessofTranscription第二节第二十一页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理（一）转录起始转录起始需解决两个问题：RNA聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域。DNA双链解开，使其中的一条链作为转录的模板。一、原核生物的转录过程第二十二页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理2.DNA双链解开1.RNA聚合酶全酶(2)与模板结合3.在RNA聚合酶作用下发生第一次聚合反应，形成转录起始复合物RNApol(2)-DNA-pppGpN-OH3转录起始复合物:5-pppG-OH+

NTP5-pppGpN

-OH3+ppi转录起始过程第二十三页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理转录起始中的事件解链形成转录空泡为首的为三磷酸GTP或ATP转录起始复合物(RNA-聚合酶全酶-DNA-pppGpN’-OH)第一个磷酯键形成后，亚基从转录起始复合物中脱落下来。RNA聚合酶沿DNA链向前移动。第二十四页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理转录空泡(transcriptionbubble)：RNA-pol（核心酶）

····DNA

····RNA第二十五页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理（二）转录延长1.亚基脱落，RNA–pol聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，沿着DNA模板前移；

2.在核心酶作用下，NTP不断聚合，RNA链不断延长。(NMP)n

+

NTP(NMP)n+1

+PPi第二十六页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理转录的延长转录的延长是以5’到3’的方向进行的。(NMP)n+NTP(NMP)n+1+PPi以G=C、A=U、T=A碱基配对。转录完成部分的DNA重新形成双链。较长的RNA链上有核糖体结合，说明在某些情况下，转录的同时，翻译已经开始进行了。第二十七页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理第二十八页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理转录的过程第二十九页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理转录的延长第三十页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理53DNA原核生物转录过程中的羽毛状现象核糖体RNARNA聚合酶第三十一页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理（三）转录的终止转录终止：是RNA聚合酶在模板上的某一位置停顿，RNA链从转录复合物上脱离出来。分为依赖Rho因子的转录终止和不依赖Rho因子的转录终止。第三十二页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理1、依赖Rho因子的转录终止Rho因子的左右是使RNA-DNA杂化双链的短链变性，从而有利于转录产物从转录复合物中释放出来。第三十三页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理ATP1.依赖Rho因子的转录终止第三十四页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理2.非依赖Rho因子的转录终止DNA模板上靠近终止处，有些特殊的碱基序列，转录出RNA后，RNA产物形成特殊的结构来终止转录。第三十五页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理2、非依赖Rho因子的转录终止第三十六页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`

RNA5TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT...3

DNAUUUU...…UUUU...…5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`茎环(stem-loop)/发夹(hairpin)结构第三十七页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理茎环结构使转录终止的机理使RNA聚合酶变构，转录停顿；使转录复合物趋于解离，RNA产物释放。5´pppG5335RNA-pol第三十八页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理不依赖Rho因子的转录终止模式RNA链出现茎-环结构，促进转录的终止。1.这样的结构改变RNA聚合酶的构象，使酶不再向下移动。2.DNA和RNA各自形成自己的局部双链，使杂化链更加不稳定，以致转录复合物趋于解体。接着的一串寡聚U，则更是促进RNA新链从模板上脱落的促进因素。第三十九页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理二、真核生物的转录起始（一）转录起始真核生物的转录起始上游区段比原核生物多样化，转录起始时，RNA-pol不直接结合模板，其起始过程比原核生物复杂。第四十页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理转录起始点TATA盒CAAT盒GC盒增强子顺式作用元件(cis-actingelement)1.

转录起始前的上游区段AATAAA切离加尾转录终止点修饰点外显子翻译起始点内含子OCT-1OCT-1：ATTTGCAT八聚体第四十一页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理2.

转录因子能直接、间接辨认和结合转录上游区段DNA的蛋白质，现已发现数百种，统称为反式作用因子(trans-actingfactors)。反式作用因子中，直接或间接结合RNA聚合酶的，则称为转录因子(transcriptionalfactors,TF)。第四十二页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理参与RNA-polⅡ转录的TFⅡ

第四十三页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理3.转录起始前复合物(pre-initiationcomplex,PIC)

真核生物RNA-pol不与DNA分子直接结合，而需依靠众多的转录因子。第四十四页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理POL-ⅡTFⅡFⅡAⅡB由RNA-PolⅡ催化转录的PICPOL-ⅡTFⅡFⅡHⅡETBPTAFTFⅡD-ⅡA-ⅡB-DNA复合物TATAⅡAⅡBTBPTAFTATAⅡHⅡECTD-PPIC组装完成，TFⅡH使CTD磷酸化第四十五页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理4.模板理论(piecingtheory)一个真核生物基因的转录需要3至5个转录因子。转录因子之间互相结合，生成有活性，有专一性的复合物，再与RNA聚合酶搭配而有针对性地结合、转录相应的基因。第四十六页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理（二）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。第四十七页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理RNA-PolRNA-PolRNA-Pol核小体转录延长中的核小体移位转录方向第四十八页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理5------AAUAAA-5------AAUAAA--核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAAGTGTGTG转录终止的修饰点55333加尾AAAAAAA······3mRNA（三）转录终止——

和转录后修饰密切相关。第四十九页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理真核生物转录终止的特点真核生物mRNA带有聚腺苷酸尾巴的结构，这是转录之后加上的。在模板链读码框架的3’端之后，常有一组共同序列AATAAA，再下游还有相当多的GT序列，这些序列称为转录终止的修饰点。第五十页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理转录与复制的相似之处都以DNA为模板需要核苷酸作原料，从5’到3’延长；生成磷酸二酯键以连接核苷酸都遵从碱基配对规律都需要依赖DNA的聚合酶产物都是很长的多核苷酸第五十一页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理转录和复制的区别第五十二页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理真核生物的转录后修饰Post-transcriptionalModification第三节第五十三页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理转录后的修饰转录生成的RNA，称为初级转录产物。无论在真核生物或原核生物中，初级转录产物都经过一定程度的修饰加工，才能表现其功能。第五十四页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理几种主要的修饰方式1.剪接(splicing)2.剪切(cleavage)3.

修饰(modification)4.

添加(addition)第五十五页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理一、真核生物mRNA的转录后加工（一）首、尾的修饰

5端形成帽子结构(m7GpppGp—)3端加上多聚腺苷酸尾巴(polyAtail)第五十六页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理帽子结构第五十七页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理5pppGp…5GpppGp…pppG

ppi鸟苷酸转移酶5

m7GpppGp…甲基转移酶SAM帽子结构的生成5ppGp…磷酸酶

Pi第五十八页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理真核生物mRNA的转录后加工5’和3’首尾的修饰剪接第五十九页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理5’加帽转录产物的第一个核苷酸pppG水解成5’-ppG或5’-pG与另一个三磷酸鸟苷生成三磷酸双鸟苷第二个鸟嘌呤被甲基化加帽出现在hnRNA中，说明可能在细胞核中完成，并在剪接之前。第六十页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理3’端加上聚腺苷酸尾巴真核生物mRNA中polyA的出现是不依赖于DNA模板的。加入polyA之前，先由核酸外切酶切去3’末端一些过剩的核苷酸，然后加入polyA。3’端修饰也是在细胞核中，在剪接之前进行的。PolyA的有无与长短，是维持mRNA作为翻译模板的活性，以及增加mRNA本身的稳定性。第六十一页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理3’端修饰示意图第六十二页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理（二）mRNA的剪接1.

hnRNA

和snRNA核内的初级mRNA称为杂化核RNA(hetero-nuclearRNA,hnRNA)snRNA(smallnuclearRNA)核内的蛋白质小分子核糖核酸蛋白体（并接体,splicesome）snRNA第六十三页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理真核生物结构基因，由若干个编码区和非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。断裂基因(splitegene)CABD编码区A、B、C、D非编码区第六十四页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理2.外显子(exon)和内含子(intron)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RNA的核酸序列。内含子隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列。第六十五页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理鸡卵清蛋白基因hnRNA首、尾修饰hnRNA剪接成熟的mRNA鸡卵清蛋白基因及其转录、转录后修饰第六十六页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理鸡卵清蛋白成熟mRNA与DNA杂交电镜图DNAmRNA第六十七页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理真核细胞mRNA的剪接DNA模板与hnRNA是完全配对的，而成熟的mRNA与hnRNA或DNA杂交都只是部分配对。因此真核生物的基因有断裂性。第六十八页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理断裂基因真核生物的结构基因，由若干个编码区被非编码区相互间隔开，但又连续镶嵌而成，因此真核生物的基因称为断裂基因。外显子代表了基因上编码氨基酸的核苷酸序列。内含子表示相应的非编码序列。原核生物结构基因是连续的编码序列，不是断裂基因。第六十九页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理内含子的种类线粒体，叶绿体转录初级rRNA基因线粒体，叶绿体的mRNA形成套索状结构的剪接，由SnRNA和核内蛋白形成的核小核糖核酸蛋白来完成。tRNA基因。第七十页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理3.

内含子的分类根据基因的类型和剪接的方式，通常把内含子分为4类。I：主要存在于线粒体、叶绿体及某些低等真核生物的rRNA基因；II：也发现于线粒体、叶绿体，转录产物是mRNA；III：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；IV：是tRNA基因及其初级转录产物中的内含子，剪接过程需酶及ATP。第七十一页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理4.mRNA的剪接——除去hnRNA中的内含子，将外显子连接。snRNP与hnRNA结合成为并接体①第七十二页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理②③UACUACA-AGUGU4U5U6E1E2U1U2UACUACA-AGUGU6E1E2U1、U4、U5第七十三页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理pG-OH(ppG-OH,pppG-OH)U-OHGpUpGpA第一次转酯反应第二次转酯反应UpAGpU外显子1内含子外显子2G-OHUpUpGpA剪接过程的二次转酯反应

(twicetransesterification)

第七十四页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理•RNA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(differentialRNAprocessing)。5.mRNA的编辑(mRNAediting)人类apoB基因mRNA（14500个核苷酸）肝脏apoB100（分子量为500000）肠道细胞apoB48（分子量为240000）mRNA编辑第七十五页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理内含子的功能内含子有利于物种的进化选择调节功能第七十六页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理tRNA的转录后加工初级产物中有5’端的16个碱基和反密码子后的14个碱基需要去除。第七十七页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理二、tRNA的转录后加工tRNA前体RNApolⅢTGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNA第七十八页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理RNAaseP、内切酶第七十九页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理tRNA核苷酸转移酶、连接酶ATPADP第八十页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理碱基修饰（2）还原反应如：UDHU（3）核苷内的转位反应如：Uψ（4）脱氨反应如：AI如：AAm（1）甲基化（1）（1）（3）（2）（4）第八十一页，共九十三页，2022年，8月28日2023/3/14分子生物学原理涉及加工的反应甲基化还原核苷内的转位反应脱氨反应3’端加上CCA-OH第八十