生物學(xué)基因轉(zhuǎn)錄

1、會計學(xué)1生物學(xué)基因轉(zhuǎn)錄生物學(xué)基因轉(zhuǎn)錄The synthesis of RNA molecules using DNA strands as the templates so that the genetic information can be transferred from DNA to RNA.Transcription轉(zhuǎn)錄泡 轉(zhuǎn)錄單位轉(zhuǎn)錄后加工 內(nèi)含子 外顯子 Transcription unitTranscription bubblePost-transcriptional modificationIntronExon核酶 RNA剪接 逆轉(zhuǎn)錄 斷裂基因套索RNARNA splicin

2、gReverse transcriptionRibozymeSplite geneLariat RNAl 負(fù)責(zé)核苷酸鏈延長的分子?l 鏈延伸的方向?l 模板閱讀原則?l RNA合成局部的結(jié)構(gòu)特征? l 模板的結(jié)構(gòu)需求?RNA-pol核心酶核心酶DNA RNAu 核心酶負(fù)責(zé)反應(yīng)催化核心酶負(fù)責(zé)反應(yīng)催化 原核原核亞基解離亞基解離 真核真核CTD磷酸化磷酸化u 新的新的NTP加在加在3 -OH上上u RNA鏈從鏈從5 端向端向3 端延伸端延伸u 與模板堿基配對，與模板堿基配對，U對對Au 模板被從模板被從33端向端向55端端閱讀閱讀u 模板局部開鏈小于模板局部開鏈小于20bpu 局部有局部有12bpR

3、NA-DNA雜化雙鏈雜化雙鏈u 模板前方需拓?fù)洚悩?gòu)酶模板前方需拓?fù)洚悩?gòu)酶u 真核生物需要有核小體移位真核生物需要有核小體移位u 原核生物原核生物RNA同時合成蛋白同時合成蛋白1. 亞基脫落，亞基脫落，RNApol聚合酶核心酶變構(gòu)，與模聚合酶核心酶變構(gòu)，與模板結(jié)合松弛，沿著板結(jié)合松弛，沿著DNA模板前移模板前移 2. 在核心酶作用下，在核心酶作用下，NTP不斷聚合，不斷聚合，RNA鏈不斷鏈不斷延長延長(NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPi原核生物轉(zhuǎn)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(zhuǎn)錄與翻譯同時進(jìn)行Simultaneous transcri

4、ptions and translation1. 真核生物轉(zhuǎn)錄延長過程與原核生物大致相似，真核生物轉(zhuǎn)錄延長過程與原核生物大致相似，但因有核膜相隔，沒有轉(zhuǎn)錄與翻譯同步的現(xiàn)象但因有核膜相隔，沒有轉(zhuǎn)錄與翻譯同步的現(xiàn)象2. RNA-pol前移處處都遇上核小體。轉(zhuǎn)錄延長前移處處都遇上核小體。轉(zhuǎn)錄延長過程中可以觀察到核小體移位和解聚現(xiàn)象過程中可以觀察到核小體移位和解聚現(xiàn)象轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)錄錄延延長長中中的的核核小小體體移移位位RNA-PolRNA-PolRNA-Pol核小體核小體轉(zhuǎn)錄方向轉(zhuǎn)錄方向RNA聚合酶在聚合酶在DNA模板上停頓，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物模板上停頓，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA鏈從轉(zhuǎn)錄復(fù)合物上脫落鏈從轉(zhuǎn)錄復(fù)合物上脫落分類分類D

5、NA模板上靠近終止處，特殊的堿基序列轉(zhuǎn)錄模板上靠近終止處，特殊的堿基序列轉(zhuǎn)錄出出RNA后，后，RNA產(chǎn)物與產(chǎn)物與Rho因子結(jié)合，終止轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合，終止轉(zhuǎn)錄ATPn 使使RNARNA聚合酶變構(gòu)，轉(zhuǎn)錄停頓聚合酶變構(gòu)，轉(zhuǎn)錄停頓n 使轉(zhuǎn)錄復(fù)合物趨于解離，使轉(zhuǎn)錄復(fù)合物趨于解離，RNA RNA 產(chǎn)物釋放。產(chǎn)物釋放。DNADNA模板上靠近終止處，有些模板上靠近終止處，有些特殊的堿基序列，轉(zhuǎn)錄出特殊的堿基序列，轉(zhuǎn)錄出RNARNA后，后，RNARNA產(chǎn)物形成特殊的莖環(huán)產(chǎn)物形成特殊的莖環(huán)結(jié)構(gòu)來終止轉(zhuǎn)錄結(jié)構(gòu)來終止轉(zhuǎn)錄5 -AAUAAA-5 -AAUAAA-核酸酶核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAA GT

6、GTGTG轉(zhuǎn)錄終止的修飾點轉(zhuǎn)錄終止的修飾點5 5 3 3 3 3 加尾加尾AAAAAAA 3 mRNA 與轉(zhuǎn)錄后修飾密切相關(guān)Poly（A）位點）位點轉(zhuǎn)錄單位轉(zhuǎn)錄單位一個轉(zhuǎn)錄單位就是從啟動子到終止子的一段序列，是一段以一條單鏈RNA分子為表達(dá)產(chǎn)物的DNA片段transcription unit原核細(xì)胞原核細(xì)胞RNA聚合酶（全酶）與啟動子相互作用聚合酶（全酶）與啟動子相互作用真核細(xì)胞真核細(xì)胞RNA聚合酶、反式作用因子與順聚合酶、反式作用因子與順式元件相互作用式元件相互作用 1. .起始起始 2. .延伸延伸核心酶催化核心酶催化 RNARNA聚合酶催化，需核小聚合酶催化，需核小體解聚體解聚原核細(xì)胞原

7、核細(xì)胞真核細(xì)胞真核細(xì)胞3. . 終止終止原核細(xì)胞原核細(xì)胞真核細(xì)胞真核細(xì)胞依賴依賴因子因子不依賴不依賴因子因子RNA 3 端形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)端形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)u 原核細(xì)胞原核細(xì)胞u 真核細(xì)胞真核細(xì)胞AUGGG UAA開放閱讀框AAAAAAA.An5非翻譯區(qū)3非翻譯區(qū)5帽結(jié)構(gòu)帽結(jié)構(gòu)m7Gpppp3多聚多聚 (A) 尾尾真核生物真核生物mRNAmRNA的一般結(jié)構(gòu)的一般結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)mRNA 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)真核生物的結(jié)構(gòu)基因真核生物的結(jié)構(gòu)基因真核生物的結(jié)構(gòu)基因由若干個編碼區(qū)和非編碼區(qū)相互間隔但又連續(xù)鑲真核生物的結(jié)構(gòu)基因由若干個編碼區(qū)和非編碼區(qū)相互間隔但又連續(xù)鑲嵌而成，為一個蛋白質(zhì)編碼，因此稱為嵌而成，為一個蛋

8、白質(zhì)編碼，因此稱為斷裂基因斷裂基因外顯子外顯子內(nèi)含子內(nèi)含子在斷裂基因的初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物上出現(xiàn)，并表達(dá)為成熟在斷裂基因的初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物上出現(xiàn)，并表達(dá)為成熟mRNAmRNA的序列的序列在斷裂基因的初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物上出現(xiàn)，而在剪接過程中被去除的序列在斷裂基因的初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物上出現(xiàn)，而在剪接過程中被去除的序列AG no-coding region17coding regionL12345677 700 bpSplit gene EABCDFG1993年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎 Phillip Sharp Richard Roberts 周芷 Modification of hnRNA 55端加帽端加帽轉(zhuǎn)錄終止前已經(jīng)完

9、成，加入轉(zhuǎn)錄終止前已經(jīng)完成，加入m7G5ppp，可穩(wěn)定可穩(wěn)定mRNA并幫助翻譯起始并幫助翻譯起始7甲基鳥嘌呤核苷三磷酸甲基鳥嘌呤核苷三磷酸 （m7GTP）加帽酶加帽酶33加尾加尾長度100200個核苷酸加尾信號處切離加尾信號處切離,并加并加poly (A)，與，與穩(wěn)定穩(wěn)定mRNA及翻譯效率有關(guān)及翻譯效率有關(guān)核酸酶核酸酶CFI、CFII poly(A)聚合酶聚合酶PAP3-OH引入引入100-200個個A真核基因真核基因3端端AATAA及及下游序列轉(zhuǎn)下游序列轉(zhuǎn)錄生成錄生成RNA切除切除3尾尾1025堿基堿基mRNAmRNA的剪接的剪接mRNA splicing剪接對象剪接對象剪接場所剪接場所小分

10、子核糖核蛋白小分子核糖核蛋白snRNP, U1、U2、U4、U5、U6剪接序列剪接序列 剪接反應(yīng)剪接反應(yīng)剪接方式剪接方式The matured mRNAs are much shorter than the DNA templates. DNAmRNALariat RNAmRNAmRNA的剪接的剪接Twice transesterification 由由U1 snRNA以堿基互補(bǔ)的方式識別以堿基互補(bǔ)的方式識別mRNA前體前體5剪接點，由結(jié)合在剪接點，由結(jié)合在3剪接點上剪接點上游富嘧啶區(qū)的游富嘧啶區(qū)的U2AF（U2 auxiliary factor）識別）識別3剪接點并引導(dǎo)剪接點并引導(dǎo)U2 sn

11、RNP與分支與分支點相結(jié)合，形成點相結(jié)合，形成剪接前體剪接前體（pre-spliceosome）。）。 剪接前體進(jìn)一步與剪接前體進(jìn)一步與U4、U5、U6 snRNP三聚體相結(jié)合，形成剪接體。三聚體相結(jié)合，形成剪接體。 真核生物真核生物mRNA前體中內(nèi)含子剪接過程示意圖前體中內(nèi)含子剪接過程示意圖“拇指姑娘拇指姑娘”之謎之謎microcephalic osteodysplastic primordial dwarfism type I (MOPD I) Gene encoding U4atac snRNA is mutated in individuals with MOPD I 通過不同剪接方式

12、選擇性使用外顯子，合成功能不同而結(jié)構(gòu)只有微小差異的蛋白質(zhì)選擇性剪接選擇性剪接Alternative splicingCell 147, 132146, September 30, 2011Model AS Switch in Controlling ESC Pluripotency and DifferentiationmRNA編輯編輯Different pathway of apo B Human apo B genehnRNA (14 500 base)liverapo B100（500 kD）intestineapo B48（240 kD）CAA to UAAAt 6666真核生物成熟真

13、核生物成熟mRNAmRNA的運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)輸信使核糖核信使核糖核蛋白顆粒蛋白顆粒(mRNP)切除切除5端端16個核苷酸個核苷酸切除切除3端核苷酸端核苷酸加加CCA堿基修飾為稀有堿基堿基修飾為稀有堿基剪接去除反密碼環(huán)處的內(nèi)含子剪接去除反密碼環(huán)處的內(nèi)含子RNase PRNase D核苷酸轉(zhuǎn)移酶核苷酸轉(zhuǎn)移酶 1981 1981年年Cech TCech T在研究四膜蟲在研究四膜蟲( (Tetrahymena thermophilaTetrahymena thermophila) ) rRNArRNA前體拼接過程中發(fā)現(xiàn)，此類的拼接無需蛋白質(zhì)的前體拼接過程中發(fā)現(xiàn)，此類的拼接無需蛋白質(zhì)的酶參與作用，它可自我催化完

14、成。酶參與作用，它可自我催化完成。CechCech稱具有催化功稱具有催化功能的能的RNARNA為核酶（為核酶（ribozymeribozyme）。）。 19891989年年cech Tcech T和和Altman SAltman S共同獲諾貝爾化學(xué)獎，共同獲諾貝爾化學(xué)獎，Altman SAltman S的貢獻(xiàn)是發(fā)現(xiàn)的貢獻(xiàn)是發(fā)現(xiàn)Rnase PRnase P中的中的M1RNAM1RNA單獨也具有單獨也具有催化功能催化功能 。核酶的發(fā)現(xiàn)改變了酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)。核酶的發(fā)現(xiàn)改變了酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)的傳統(tǒng)觀念。的傳統(tǒng)觀念。The M1 RNAin ribonucleaseP is catalytic

15、The intron inthe pre-rRNA ofTetrahemena is self-splicedHammer-headSignificance of ribozyme逆轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄 核酶核酶哪一種先出現(xiàn)，哪一種先出現(xiàn)，蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)還是還是DNA？RNA，RNA，RNARNA，RNA，RNA，RNARNA，RNA，RNARNA， RNA，RNARNA 世界世界DNA蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)逆轉(zhuǎn)錄病毒細(xì)胞內(nèi)的逆轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象:RNA 模板模板逆轉(zhuǎn)錄酶逆轉(zhuǎn)錄酶DNA-RNA雜化雙鏈雜化雙鏈RNA酶酶單鏈單鏈DNA逆轉(zhuǎn)錄酶逆轉(zhuǎn)錄酶雙鏈雙鏈DNA艾滋病毒完整的生活史Prof. David Ho治療艾滋病的“雞

16、尾酒”療法小 結(jié)轉(zhuǎn)錄的過程包括幾個主要步驟hnRNA的轉(zhuǎn)錄后修飾有哪些 replicationtranscriptiontemplatedouble strandssingle strandsubstratedNTPNTPprimer yesno enzymeDNA polymeraseRNA polymeraseproductdsDNAssRNApatternA-TSemidiscontinu- A-UContinu- base pairprocessingnoyes5335RNA合成中的合成中的 DNA模板模板有意義鏈、有意義鏈、Waston 鏈、負(fù)鏈鏈、負(fù)鏈反意義鏈，反意義鏈，Crick

17、 鏈、正鏈鏈、正鏈 RNA-pol I 核仁核仁 45S-rRNARNA-pol II 核質(zhì)核質(zhì) hnRNA、miRNARNA-pol III 核質(zhì)核質(zhì) 5S-rRNA、tRNA、snRNA種類種類 細(xì)胞內(nèi)定位細(xì)胞內(nèi)定位 轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物Mt RNA-pol 線粒體線粒體 線粒體線粒體RNAs u直接或間接結(jié)合于基因啟動子u又稱為轉(zhuǎn)錄起始因子u直接結(jié)合于基因調(diào)節(jié)區(qū)u又稱為轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子u間接結(jié)合于基因調(diào)節(jié)區(qū)u又稱為輔因子 TATA 盒盒Hognest盒盒 CAAT 盒盒 GC 盒盒 增強(qiáng)子增強(qiáng)子 順式作用元件順式作用元件 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因-GCGC-CAAT-TATA轉(zhuǎn)錄起始點轉(zhuǎn)錄起始點25 b

18、p upstreamInitiator40 and 100 bp upstreamPOL-TFFHEABTBPTAFTFD-F-B-DNA復(fù)合物復(fù)合物TATAPOL-TFFABTBPTAFTATAHECTD-PPIC組裝完成，組裝完成，TFH使使CTD磷酸化磷酸化DNAmRNAproteintranscriptiontranslation遺傳信息的流動5 端加帽端加帽3端加尾端加尾去除內(nèi)含子去除內(nèi)含子Splicing mechanism lariatU pAG pU535exon3exonintronpG-OHpGpAG pU3U5OHfirst transesterificationsecond transesterificationU5pU3pGpAGOH53RNARNA合成合成降鈣素降鈣素甲狀腺甲狀腺腦腦降鈣素基因降鈣素基因相關(guān)肽相關(guān)肽l 負(fù)責(zé)核苷酸鏈延長的分子?l 鏈延伸的方向?l 模板閱讀原則?l RNA合成局部的結(jié)構(gòu)特征? l 模板的結(jié)構(gòu)需求?1. 亞基脫落，亞基脫落，RNApol聚合酶核心酶變構(gòu)，與模聚合酶核心酶變構(gòu)，與模板結(jié)合松弛，沿著板結(jié)合松弛，沿著DNA模板前移模板前移 2. 在核心酶作用下，在核心酶作用下，NTP不斷聚合，不斷聚合，RNA鏈不斷鏈不斷延長延長(NMP) n + NTP (NMP)