RNA的生物合成(轉錄)課件

1、(RNA Biosynthesis, Transcription)轉錄轉錄是指是指以以DNA為模板合成為模板合成RNA的過程的過程 。 參與物質參與物質原料原料: NTP (ATP, UTP, GTP, CTP) DNA模板模板RNA聚合酶聚合酶(RNA polymerase, RNA-pol)其他蛋白質因子其他蛋白質因子復制和轉錄的區(qū)別復制和轉錄的區(qū)別 A-U，T-A，G-CA-T，G-C配對配對mRNA，tRNA，rRNA子代雙鏈子代雙鏈DNA（半保留復制）半保留復制）產(chǎn)物產(chǎn)物RNA聚合酶聚合酶-polDNA聚合酶聚合酶酶酶NTPdNTP原料原料兩股鏈均復制兩股鏈均復制模板模板轉錄轉錄復制

2、復制A-U，T-A，G-CA-T，G-CmRNA，tRNA，rRNA子代雙鏈子代雙鏈DNA（半保留復制）半保留復制）產(chǎn)物產(chǎn)物RNA(RNA-pol)DNA聚合酶聚合酶酶酶NTPdNTP原料原料模板鏈轉錄模板鏈轉錄(不對稱轉錄不對稱轉錄)兩股鏈均復制兩股鏈均復制模板模板轉錄轉錄復制復制一、一、不對稱轉錄不對稱轉錄 1. DNA分子上轉錄出分子上轉錄出RNA的區(qū)段，稱為的區(qū)段，稱為結構基因結構基因(structural gene)。結構基因中能轉錄生成。結構基因中能轉錄生成RNA的一股的一股單鏈，稱為單鏈，稱為模板鏈模板鏈(template strand)，也稱作，也稱作有意義鏈有意義鏈或或Wat

3、son鏈鏈。另一股單鏈是。另一股單鏈是編碼鏈編碼鏈(coding strand)，也稱為也稱為反義鏈反義鏈或或Crick鏈鏈。(一一)轉錄轉錄的模板的模板(Basic Rules and System of Transcription) 2. 在包含多個基因的在包含多個基因的DNA分子中，各基因的模板鏈并分子中，各基因的模板鏈并不總在同一條鏈上，在某個基因節(jié)段以其中某一條鏈為不總在同一條鏈上，在某個基因節(jié)段以其中某一條鏈為模板進行轉錄，而在另一個基因節(jié)段上則以其對應單鏈模板進行轉錄，而在另一個基因節(jié)段上則以其對應單鏈為模板，這種選擇性稱不對稱轉錄。為模板，這種選擇性稱不對稱轉錄。 5 5 3

4、3 3 3 5 5 模板鏈模板鏈編碼鏈編碼鏈編碼鏈編碼鏈模板鏈模板鏈轉錄方向轉錄方向轉錄方向轉錄方向5GCAGTACATGTC 33 c g t g a t g t a c a g 55GCAGUACAUGUC 3NAla Val His Val C編碼鏈編碼鏈模板鏈模板鏈mRNA蛋白質蛋白質轉錄轉錄翻譯翻譯 (二二) 轉錄的特點轉錄的特點1. 轉錄的不對稱性轉錄的不對稱性2. 轉錄方向的單向性轉錄方向的單向性 3. 轉錄不需要引物形成連續(xù)性轉錄不需要引物形成連續(xù)性4. 轉錄過程有特定起始和終止點轉錄過程有特定起始和終止點二、二、 RNA轉錄的體系轉錄的體系(一一)模板模板結構基因雙鏈中的一股

5、鏈結構基因雙鏈中的一股鏈。(二二)原料原料4種核糖核苷酸：種核糖核苷酸：ATP、UTP、GTP、CTP。(三三)RNA聚合酶聚合酶1.原核生物的原核生物的RNA聚合酶聚合酶核心酶核心酶全酶全酶 RNA聚合酶全酶在轉錄起始區(qū)的結合聚合酶全酶在轉錄起始區(qū)的結合 TATAATATATTA+1-55TTGACAAACTGA+20DNA 36512 決定哪些基因被轉錄決定哪些基因被轉錄 150618 催化功能催化功能 155613 結合結合DNA模板模板 70263 辨認起始點辨認起始點亞亞 基基分分 子子 量量功功能能原核生物的原核生物的RNA聚合酶聚合酶2.真核生物的真核生物的RNA聚合酶聚合酶 種

6、類種類對鵝膏蕈對鵝膏蕈堿堿的反應的反應45S-rRNAhnRNA5S-rRNAtRNAsnRNA耐受耐受極敏感極敏感中度敏感中度敏感轉錄產(chǎn)物轉錄產(chǎn)物 RNA轉錄時除需以上物質外，還需要一些轉錄時除需以上物質外，還需要一些蛋白因子參與。如原核生物使轉錄過程終止蛋白因子參與。如原核生物使轉錄過程終止因因子。真核生物聚合酶子。真核生物聚合酶啟動轉錄時的轉錄因子。啟動轉錄時的轉錄因子。 (四四)蛋白因子蛋白因子(一一)轉錄起始轉錄起始1. 轉錄起始需解決兩個問題轉錄起始需解決兩個問題 (1)RNA聚合酶必須準確地結合在轉錄模板聚合酶必須準確地結合在轉錄模板的起始區(qū)域。的起始區(qū)域。 (2)DNA雙鏈解開

7、，使其中的一條鏈作為轉雙鏈解開，使其中的一條鏈作為轉錄的模板。錄的模板。一、原核生物的轉錄過程一、原核生物的轉錄過程(The Process of Transcription)(2) DNA雙鏈解開。雙鏈解開。(1) RNA聚合酶全酶聚合酶全酶( 2)與模板與模板保守序列保守序列結合。結合。 (3) 在在RNA-pol作用下形成轉錄起始復合物。作用下形成轉錄起始復合物。RNApol ( 2) - DNA - pppGpN- OH 3 (4)轉錄起始復合物轉錄起始復合物:2. 轉錄起始過程轉錄起始過程TGTTGACATATAAT5/5/3/3/-35區(qū)區(qū)-10區(qū)區(qū)轉錄方向轉錄方向基因轉錄區(qū)基因轉

8、錄區(qū)啟動子啟動子+1編碼鏈編碼鏈模板鏈模板鏈原核生物啟動子的保守序列原核生物啟動子的保守序列 (二二)轉錄延長轉錄延長1. 亞基脫落，亞基脫落，RNApol核心酶核心酶變構，與模板變構，與模板結合松弛，沿著結合松弛，沿著DNA模板推進，模板推進，NTP不不斷聚斷聚合合RNA鏈不斷延長。鏈不斷延長。(NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPi轉錄空泡轉錄空泡(transcription bubble)：RNA-pol (核心酶核心酶) DNA RNA2.原核生物轉錄過程中的羽毛狀現(xiàn)象原核生物轉錄過程中的羽毛狀現(xiàn)象5 3 DNA核糖體核糖體RNARNA聚合酶聚合酶轉錄延長轉錄延長1.

9、依賴依賴 (Rho)因子的轉錄終止因子的轉錄終止 因子以六聚體因子以六聚體形式存在，協(xié)助形式存在，協(xié)助RNA-pol識別終止信號，與轉識別終止信號，與轉錄產(chǎn)物結合，錄產(chǎn)物結合，RNA和和RNA-pol一起從模板上脫一起從模板上脫落。落。(三三)轉錄終止轉錄終止A T Prho5/3/5/3/rho2.非依賴非依賴因子的轉錄終止因子的轉錄終止 DNA模板上靠近終止處，模板上靠近終止處，有些特殊的堿基序列，可轉錄出具有莖環(huán)結構的有些特殊的堿基序列，可轉錄出具有莖環(huán)結構的RNA，來終止轉錄。來終止轉錄。5/3/5/3/3/5/轉錄產(chǎn)物轉錄產(chǎn)物RNA聚合酶聚合酶DNA3/5/3/5/DNA5/U-U-

10、U-U-U-U-U-U- 3/RNA聚合酶聚合酶二、真核生物的轉錄起始二、真核生物的轉錄起始(一一)轉錄起始轉錄起始1. 轉錄因子轉錄因子 (1)能直接、間接辨認和結合轉錄上游區(qū)段能直接、間接辨認和結合轉錄上游區(qū)段DNA的蛋白質，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)數(shù)百種，統(tǒng)稱為的蛋白質，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)數(shù)百種，統(tǒng)稱為反式作用因子反式作用因子(trans-acting factors)。 (2)反式作用因子中，直接或間接結合反式作用因子中，直接或間接結合RNA聚合聚合酶的，則稱為酶的，則稱為轉錄因子轉錄因子(transcriptional factors, TF)。 真核生物的轉錄起始上游區(qū)有不同真核生物的轉錄起始上游區(qū)有不同D

11、NA序列序列的的順式作用元件順式作用元件，轉錄起始時，轉錄起始時，RNA-pol不直接不直接結合模板結合模板，由，由轉錄因子轉錄因子識別起始部位。識別起始部位。參與參與RNA-pol轉錄的轉錄的TF 蛋白激酶活性，使蛋白激酶活性，使 CTD酸化酸化TFHATPase57 ( )34TFE解螺旋酶解螺旋酶30，74TFF促進促進RNA-pol結合及作結合及作為其他因子結合的橋梁為其他因子結合的橋梁33TFB穩(wěn)定穩(wěn)定TFD-DNA復合物復合物12，19，35TFA輔助輔助TBP-DNA結合結合TAF*結合結合TATA盒盒TBP* 38TFD功功能能亞基組成，分子量亞基組成，分子量(kD)轉錄因子轉

12、錄因子蛋白激酶活性，使蛋白激酶活性，使 CTD *磷磷TFHATPase5734TFE解螺旋酶解螺旋酶30，74TFF促進促進RNA-pol結合及作結合及作為其他因子結合的橋梁為其他因子結合的橋梁33TFB穩(wěn)定穩(wěn)定TFD-DNA復合物復合物12，19，35TFA輔助輔助TBP-DNA結合結合TAF*結合結合TATA盒盒TBP* 38TFD功功能能亞基組成，分子量亞基組成，分子量(kD)( )*CTD(carboxyl terminal domain) : RNA-pol大亞基羧基末端結構域。大亞基羧基末端結構域。* TAF(TBP associated factors) :TBP輔助因子。在不

13、同的基因轉錄中輔助因子。在不同的基因轉錄中有不同的有不同的TAF輔助。輔助。* TBP(TATA binding protein) : TATA結合蛋白。結合蛋白。轉錄起始點轉錄起始點TATA盒盒CAAT盒盒GC盒盒 增強子增強子順式作用元件順式作用元件(cis-acting element)2. 轉錄起始前的上游區(qū)段轉錄起始前的上游區(qū)段 AATAAA切離加尾切離加尾 轉錄終止點轉錄終止點 修飾點修飾點 外顯子外顯子 翻譯起始點翻譯起始點內內含含子子 3. 轉錄起始前復合物轉錄起始前復合物 (pre-initiation complex, PIC) POL-TFFABTFFHETBPTAFTF

14、D-A-B-DNA復合物復合物TATAABTBPTAFTATAHECTD-PPOL-(二二)轉錄延長轉錄延長真核生物轉錄延長過程與原核生物大致相真核生物轉錄延長過程與原核生物大致相似，但因有核膜相隔，沒有轉錄與翻譯同步的似，但因有核膜相隔，沒有轉錄與翻譯同步的現(xiàn)象。現(xiàn)象。 (三三)轉錄終止轉錄終止和轉錄后修飾密切相關。和轉錄后修飾密切相關。三、三、轉錄后的加工修飾轉錄后的加工修飾主要的修飾方式有主要的修飾方式有剪接剪接、剪切、修飾、添加剪切、修飾、添加。 剪切剪切(cleavage)剪接剪接(splicing)(一一) 真核生物真核生物mRNA的轉錄后加工的轉錄后加工1. 5 端形成端形成 帽

15、子結構帽子結構(m7GpppNm)。2. 3 端加上端加上多聚腺苷酸尾巴多聚腺苷酸尾巴(poly A tail)。7 7甲基鳥苷三磷酸甲基鳥苷三磷酸帽子結構帽子結構多聚多聚A尾結構尾結構OOCH2OOH+NHNNOH2NNCH3OOHH2CO-OPOOPO-OP鳥嘌呤鳥嘌呤OO-OPOOAAA-OH 3/3.mRNA的剪接的剪接真核生物結構基因，由若干個編碼區(qū)和非編碼真核生物結構基因，由若干個編碼區(qū)和非編碼區(qū)互相間隔開但又連續(xù)鑲嵌而成，稱為區(qū)互相間隔開但又連續(xù)鑲嵌而成，稱為斷裂基因斷裂基因。 (1) 斷裂基因斷裂基因(splite gene)編碼區(qū)編碼區(qū) A、B、D、F 非編碼區(qū)非編碼區(qū) C、

16、EA B C D E F(2)外顯子外顯子(exon)在斷裂基因及其初級轉錄產(chǎn)物上出在斷裂基因及其初級轉錄產(chǎn)物上出現(xiàn)，并表達為成熟現(xiàn)，并表達為成熟RNA的核酸序列。的核酸序列。(3)內含子內含子(intron)隔斷基因的線性表達而在剪接過隔斷基因的線性表達而在剪接過程中被除去的核酸序列。程中被除去的核酸序列。 雞卵清蛋白基因雞卵清蛋白基因hnRNA首、尾修飾首、尾修飾hnRNA剪接剪接成熟的成熟的mRNA雞卵清蛋白基因及其轉錄、轉錄后修飾雞卵清蛋白基因及其轉錄、轉錄后修飾7.7kbL 1 2 3 4 5 6 7ABCDEFG47 185 51 129 118 143 156 1043轉錄轉錄G

17、pppGAAAAAGpppGAAAAAGpppGAAAAA 內切酶內切酶tRNA核苷核苷酸轉移酶、酸轉移酶、連接酶連接酶ATPADPtRNA前體前體(二二) tRNA的轉錄后加工的轉錄后加工1. 轉錄后剪切轉錄后剪切tRNA2. 堿基修飾堿基修飾(2)還原反應還原反應 如：如：U DHU(3)核苷內的轉位反應核苷內的轉位反應 如：如：U (4)脫氨反應脫氨反應 如：如：A I 如：如：A Am(1)甲基化甲基化(1)(3)(2)(4)OHACCAGAGGGCCCCCCGCAAGCCGCUCUCGUAUCTCCGGGGGGGCAAGDDGGDDDAACAGUUAIAAGUUCCDmAACAmm(1)(三三) rRNA的轉錄后加工的轉錄后加工轉錄轉錄45S - rRNA剪接剪接18S - rRNA5.8S和和28S-rRNADNA內含子內含子內含子內含子28S5.8S18S 逆轉錄逆轉錄酶酶一、逆轉錄與逆轉錄酶一、逆轉錄與逆轉錄酶RNA 模板模板逆轉錄酶逆轉錄酶DNA-RNA 雜雜化雙鏈化雙鏈RNA酶酶c cDNA逆轉錄酶逆轉錄酶雙鏈雙鏈DNA(一一) 逆轉錄現(xiàn)象逆轉錄現(xiàn)象(Reverse Transcription)1.逆轉錄現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)于逆逆轉錄現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)于逆轉錄病毒。轉錄病毒。2.cDNA是指以是