RNA的生物合成轉(zhuǎn)錄-生物化學與分子生物學課件

第八章RNA的生物合成（轉(zhuǎn)錄）RNABiosynthesis,Transcription第八章RNA的生物合成論述題全面討論復制與轉(zhuǎn)錄的異同試述轉(zhuǎn)錄后加工論述題全面討論復制與轉(zhuǎn)錄的異同轉(zhuǎn)錄(transcription)生物體以DNA為模板合成RNA的過程。

轉(zhuǎn)錄RNADNA

轉(zhuǎn)錄(transcription)轉(zhuǎn)錄RNADNA復制和轉(zhuǎn)錄的區(qū)別復制和轉(zhuǎn)錄的區(qū)別參與轉(zhuǎn)錄的物質(zhì)原料:

NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)模板:

DNA酶:

RNA聚合酶(RNApolymerase,RNA-pol)其他蛋白質(zhì)因子參與轉(zhuǎn)錄的物質(zhì)原料:NTP(ATP,UTP,GTP模板和酶TemplatesandEnzymes第一節(jié)模板和酶第一節(jié)一、轉(zhuǎn)錄模板DNA分子上轉(zhuǎn)錄出RNA的區(qū)段，稱為結構基因(structuralgene)。DNA雙鏈中按堿基配對規(guī)律能指引轉(zhuǎn)錄生成RNA的一股單鏈，稱為模板鏈(templatestrand)，也稱作反義鏈。相對的另一股單鏈是編碼鏈(codingstrand)，也稱為有意義鏈。一、轉(zhuǎn)錄模板DNA分子上轉(zhuǎn)錄出RNA的區(qū)段，稱為結構基因(5′···GCAGTACATGTC···3′3′···cgtgatgtacag···5′5′···GCAGUACAUGUC···3′N······Ala·Val·His·Val······C編碼鏈模板鏈mRNA蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄翻譯5′···GCAGTACATGTC···3′3′···c5

3

3

5

模板鏈編碼鏈編碼鏈模板鏈結構基因轉(zhuǎn)錄方向轉(zhuǎn)錄方向53模板鏈編碼鏈編碼鏈模板鏈結構基因轉(zhuǎn)錄方向轉(zhuǎn)錄方向不對稱轉(zhuǎn)錄(asymmetrictranscription)

在DNA分子雙鏈上某一區(qū)段，一股鏈用作模板指引轉(zhuǎn)錄，另一股鏈不轉(zhuǎn)錄；模板鏈并非永遠在同一條單鏈上。不對稱轉(zhuǎn)錄(asymmetrictranscription二、RNA聚合酶（一）原核生物的RNA聚合酶二、RNA聚合酶（一）原核生物的RNA聚合酶核心酶(coreenzyme)全酶(holoenzyme)

核心酶(coreenzyme)全酶(holoenzymRNA聚合酶全酶在轉(zhuǎn)錄起始區(qū)的結合RNA聚合酶全酶在轉(zhuǎn)錄起始區(qū)的結合（二）真核生物的RNA聚合酶（二）真核生物的RNA聚合酶三、模板上酶的辨認、結合原核生物一個轉(zhuǎn)錄區(qū)段可視為一個轉(zhuǎn)錄單位，稱為操縱子(operon)，包括若干個結構基因及其上游(upstream)的調(diào)控序列。

5

3

3

5

結構基因調(diào)控序列RNA-polRNA聚合酶結合模板DNA的部位，稱為啟動子(promoter)。三、模板上酶的辨認、結合原核生物一個轉(zhuǎn)錄區(qū)段可視為一個轉(zhuǎn)錄單RNA聚合酶保護法目錄RNA聚合酶保護法目錄開始轉(zhuǎn)錄TTGACAAACTGT-35區(qū)(Pribnowbox)TATAATPuATATTAPy-10區(qū)1-30-5010-10-40-205

3

3

5

原核生物啟動子保守序列RNA-pol辨認位點(recognitionsite)5

5

RNA聚合酶保護區(qū)結構基因3

3

開始轉(zhuǎn)錄TTGACA-35區(qū)(PribnowbTATA盒CAAT盒GC盒

增強子

順式作用元件

結構基因-GCGC---CAAT---TATA轉(zhuǎn)錄起始真核生物啟動子保守序列TATA盒CAAT盒GC盒增強子順式作用元件結轉(zhuǎn)錄過程TheProcessofTranscription

第二節(jié)轉(zhuǎn)錄過程第二節(jié)（一）轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始需解決兩個問題：RNA聚合酶必須準確地結合在轉(zhuǎn)錄模板的起始區(qū)域。DNA雙鏈解開，使其中的一條鏈作為轉(zhuǎn)錄的模板。一、原核生物的轉(zhuǎn)錄過程（一）轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始需解決兩個問題：一、原核生物的轉(zhuǎn)錄過程2.DNA雙鏈解開1.RNA聚合酶全酶(2)與模板結合3.在RNA聚合酶作用下發(fā)生第一次聚合反應，形成轉(zhuǎn)錄起始復合物RNApol(

2

)-DNA-pppGpN-OH3

轉(zhuǎn)錄起始復合物:5

-pppG-OH+

NTP

5

-pppGpN

-OH3

+ppi轉(zhuǎn)錄起始過程目錄2.DNA雙鏈解開1.RNA聚合酶全酶(2)與（二）轉(zhuǎn)錄延長1.

亞基脫落，RNA–pol聚合酶核心酶變構，與模板結合松弛，沿著DNA模板前移；

2.在核心酶作用下，NTP不斷聚合，RNA鏈不斷延長。(NMP)n

+

NTP

(NMP)n+1

+PPi（二）轉(zhuǎn)錄延長1.亞基脫落，RNA–pol聚合酶核心酶變轉(zhuǎn)錄空泡(transcriptionbubble)：RNA-pol（核心酶）

····DNA

····RNA目錄轉(zhuǎn)錄空泡(transcriptionbubble)：RNA目錄目錄5

3

DNA原核生物轉(zhuǎn)錄過程中的羽毛狀現(xiàn)象核糖體RNARNA聚合酶53DNA原核生物轉(zhuǎn)錄過程中的羽毛狀現(xiàn)象核糖體RNARN依賴Rho(ρ)因子的轉(zhuǎn)錄終止非依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止（三）轉(zhuǎn)錄終止指RNA聚合酶在DNA模板上停頓下來不再前進，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA鏈從轉(zhuǎn)錄復合物上脫落下來。分類依賴Rho(ρ)因子的轉(zhuǎn)錄終止（三）轉(zhuǎn)錄終止指RNA聚合酶ATP1.依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止ATP1.依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止2.非依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止DNA模板上靠近終止處，有些特殊的堿基序列，轉(zhuǎn)錄出RNA后，RNA產(chǎn)物形成特殊的結構來終止轉(zhuǎn)錄。2.非依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止DNA模板上靠近終止處，有5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`

RNA5

TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT...3

DNAUUUU...…UUUU...…5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`莖環(huán)(stem-loop)/發(fā)夾(hairpin)結構5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGC莖環(huán)結構使轉(zhuǎn)錄終止的機理

使RNA聚合酶變構，轉(zhuǎn)錄停頓；使轉(zhuǎn)錄復合物趨于解離，RNA產(chǎn)物釋放。5′pppG53

35RNA-pol莖環(huán)結構使轉(zhuǎn)錄終止的機理使RNA聚合酶變構，轉(zhuǎn)錄停頓；5′二、真核生物的轉(zhuǎn)錄起始（一）轉(zhuǎn)錄起始真核生物的轉(zhuǎn)錄起始上游區(qū)段比原核生物多樣化，轉(zhuǎn)錄起始時，RNA-pol不直接結合模板，其起始過程比原核生物復雜。二、真核生物的轉(zhuǎn)錄起始（一）轉(zhuǎn)錄起始真核生物的轉(zhuǎn)錄起始上游區(qū)轉(zhuǎn)錄起始點TATA盒CAAT盒GC盒

增強子順式作用元件(cis-actingelement)1.

轉(zhuǎn)錄起始前的上游區(qū)段AATAAA切離加尾轉(zhuǎn)錄終止點修飾點外顯子翻譯起始點內(nèi)含子OCT-1OCT-1：ATTTGCAT八聚體轉(zhuǎn)錄起始點TATA盒CAAT盒GC盒增強子順式作用元件(2.

轉(zhuǎn)錄因子能直接、間接辨認和結合轉(zhuǎn)錄上游區(qū)段DNA的蛋白質(zhì)，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)數(shù)百種，統(tǒng)稱為反式作用因子(trans-actingfactors)。反式作用因子中，直接或間接結合RNA聚合酶的，則稱為轉(zhuǎn)錄因子(transcriptionalfactors,TF)。2.轉(zhuǎn)錄因子能直接、間接辨認和結合轉(zhuǎn)錄上游區(qū)段DNA的蛋參與RNA-polⅡ轉(zhuǎn)錄的TFⅡ

參與RNA-polⅡ轉(zhuǎn)錄的TFⅡ3.轉(zhuǎn)錄起始前復合物(pre-initiationcomplex,PIC)

真核生物RNA-pol不與DNA分子直接結合，而需依靠眾多的轉(zhuǎn)錄因子。3.轉(zhuǎn)錄起始前復合物真核生物RNA-pol不與DNA分子直POL-ⅡTFⅡFⅡAⅡB由RNA-PolⅡ催化轉(zhuǎn)錄的PICPOL-ⅡTFⅡFⅡHⅡETBPTAFTFⅡD-ⅡA-ⅡB-DNA復合物TATAⅡAⅡBTBPTAFTATAⅡHⅡECTD-PPIC組裝完成，TFⅡH使CTD磷酸化POL-ⅡTFⅡFⅡAⅡB由RNA-PolⅡ催化轉(zhuǎn)錄的PI4.模板理論(piecingtheory)一個真核生物基因的轉(zhuǎn)錄需要3至5個轉(zhuǎn)錄因子。轉(zhuǎn)錄因子之間互相結合，生成有活性，有專一性的復合物，再與RNA聚合酶搭配而有針對性地結合、轉(zhuǎn)錄相應的基因。4.模板理論(piecingtheory)一個真核生物（二）轉(zhuǎn)錄延長真核生物轉(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。RNA-pol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。（二）轉(zhuǎn)錄延長真核生物轉(zhuǎn)錄延長過程與原核生物大致相似，但因有RNA-PolRNA-PolRNA-Pol核小體轉(zhuǎn)錄延長中的核小體移位轉(zhuǎn)錄方向RNA-PolRNA-PolRNA-Pol核小體轉(zhuǎn)錄延長中的5

------AAUAAA-5

------AAUAAA--核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAAGTGTGTG轉(zhuǎn)錄終止的修飾點5

5

3

3

3加尾AAAAAAA······3mRNA（三）轉(zhuǎn)錄終止——

和轉(zhuǎn)錄后修飾密切相關。5------AAUAAA-5------AAUAAA真核生物的轉(zhuǎn)錄后修飾Post-transcriptionalModification第三節(jié)真核生物的轉(zhuǎn)錄后修飾第三節(jié)幾種主要的修飾方式1.剪接(splicing)2.剪切(cleavage)3.

修飾(modification)4.

添加(addition)幾種主要的修飾方式1.剪接(splicing)2.剪切(一、真核生物mRNA的轉(zhuǎn)錄后加工（一）首、尾的修飾5

端形成帽子結構(m7GpppGp—)3

端加上多聚腺苷酸尾巴(polyAtail)一、真核生物mRNA的轉(zhuǎn)錄后加工（一）首、尾的修飾5端帽子結構帽子結構5pppGp…5GpppGp…pppGppi鳥苷酸轉(zhuǎn)移酶5

m7GpppGp…甲基轉(zhuǎn)移酶SAM帽子結構的生成5ppGp…磷酸酶Pi5pppGp…5GpppGp…pppGppi鳥苷酸（二）mRNA的剪接1.

hnRNA

和snRNA核內(nèi)的初級mRNA稱為雜化核RNA(hetero-nuclearRNA,hnRNA)snRNA(smallnuclearRNA)核內(nèi)的蛋白質(zhì)小分子核糖核酸蛋白體（并接體,splicesome）snRNA（二）mRNA的剪接1.hnRNA和snRNA核內(nèi)的真核生物結構基因，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，去除非編碼區(qū)再連接后，可翻譯出由連續(xù)氨基酸組成的完整蛋白質(zhì)，這些基因稱為斷裂基因。斷裂基因(splitegene)CABD編碼區(qū)A、B、C、D非編碼區(qū)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)2.外顯子(exon)和內(nèi)含子(intron)外顯子在斷裂基因及其初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物上出現(xiàn)，并表達為成熟RNA的核酸序列。內(nèi)含子隔斷基因的線性表達而在剪接過程中被除去的核酸序列。2.外顯子(exon)和內(nèi)含子(intron)外顯子雞卵清蛋白基因hnRNA首、尾修飾hnRNA剪接成熟的mRNA雞卵清蛋白基因及其轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后修飾目錄雞卵清蛋白基因hnRNA首、尾修飾hnRNA剪接成熟的mRN雞卵清蛋白成熟mRNA與DNA雜交電鏡圖DNAmRNA目錄雞卵清蛋白成熟mRNA與DNA雜交電鏡圖DNAmRNA目錄3.

內(nèi)含子的分類根據(jù)基因的類型和剪接的方式，通常把內(nèi)含子分為4類。I：主要存在于線粒體、葉綠體及某些低等真核生物的rRNA基因；II：也發(fā)現(xiàn)于線粒體、葉綠體，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物是mRNA；III：是常見的形成套索結構后剪接，大多數(shù)mRNA基因有此類內(nèi)含子；IV：是tRNA基因及其初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物中的內(nèi)含子，剪接過程需酶及ATP。3.內(nèi)含子的分類根據(jù)基因的類型和剪接的方式，通常把內(nèi)含子4.mRNA的剪接——除去hnRNA中的內(nèi)含子，將外顯子連接。snRNP與hnRNA結合成為并接體①目錄4.mRNA的剪接——除去hnRNA中的內(nèi)含子，將外顯子②③UACUACA-AGUGU4U5U6E1E2U1U2UACUACA-AGUGU6E1E2U1、U4、U5②③UACUACA-AGUGU4U5U6E1E2U1U2pG-OH(ppG-OH,pppG-OH)U-OHGpUpGpA第一次轉(zhuǎn)酯反應第二次轉(zhuǎn)酯反應UpAGpU外顯子1內(nèi)含子外顯子2G-OHUpUpGpA剪接過程的二次轉(zhuǎn)酯反應

(twicetransesterification)

pG-OHU-OHGpUpGpA第一次轉(zhuǎn)酯反應第二次轉(zhuǎn)酯反應?RNA編輯作用說明，基因的編碼序列經(jīng)過轉(zhuǎn)錄后加工，是可有多用途分化的，因此也稱為分化加工(differentialRNAprocessing)。5.mRNA的編輯(mRNAediting)人類apoB基因mRNA（14500個核苷酸）肝臟apoB100（分子量為500000）腸道細胞apoB48（分子量為240000）mRNA編輯?RNA編輯作用說明，基因的編碼序列經(jīng)過轉(zhuǎn)錄后加工，是可有二、tRNA的轉(zhuǎn)錄后加工tRNA前體RNApolⅢTGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNA目錄二、tRNA的轉(zhuǎn)錄后加工tRNA前體RNApolⅢTGGRNAaseP、內(nèi)切酶目錄RNAaseP、內(nèi)切酶目錄tRNA核苷酸轉(zhuǎn)移酶、連接酶ATPADP目錄tRN