十二RNA的生物合成-轉(zhuǎn)錄（）課件

第十二章RNA的生物合成(RNABiosynthesis——Transcription)第十二章RNA的生物合成(RNABiosynthes1Reversetranscription中心法則(CentralDogma)Replication

貯存遺傳信息直接模板有功能的產(chǎn)物復制轉(zhuǎn)錄翻譯Reverse中心法則(CentralDogma)Re2轉(zhuǎn)錄(transcription)：

以DNA單鏈為模板，NTP為原料，在DNA依賴的RNA聚合酶催化下合成RNA鏈的過程。RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄(transcription)：RNA聚合酶3第一節(jié)RNA聚合酶及RNA轉(zhuǎn)錄的一般特點GeneralSurveyofRNASynthesis第一節(jié)4模板：酶：原料：產(chǎn)物：配對：方向：引物：DNA(不對稱轉(zhuǎn)錄）RNA聚合酶NTPmRNA,tRNA,rRNA,小RNAA-U,T-A,G-C5’3’不需要轉(zhuǎn)錄的條件模板：DNA(不對稱轉(zhuǎn)錄）轉(zhuǎn)錄的條件5一、DNA指導的RNA聚合酶(DNAdirectedRNApolymerase,DDRP)模板：雙鏈DNA中的一條鏈底物：四種核糖核苷三磷酸（ATP、GTP、CTP和UTP）反應(yīng)條件：二價金屬離子，如Mg2+和Mn2+。

RNA聚合酶(NMP)n+NTP(NMP)n+1+PPi一、DNA指導的RNA聚合酶模板：雙鏈DNA中的一條鏈RNA6真核生物的RNA聚合酶

表12-1真核生物RNA聚合酶的種類和性質(zhì)

種類I型II型III型線粒體RNA（Mt型）分子量5.5×1056×1056×1056.4～6.8×104分布核仁核質(zhì)核質(zhì)線粒體轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物5.8S、18S、28SmRNA前體tRNA前體線粒體RNArRNA前體5SrRNA對利福平不敏感不敏感不敏感敏感敏感性對鵝膏蕈堿不敏感非常敏感敏感不敏感敏感性

轉(zhuǎn)錄因子TFITFIITFIII真核生物的RNA聚合酶表12-1真核生物RNA聚合酶的種7

復制——以DNA為模板合成DNA的過程；轉(zhuǎn)錄——以DNA為模板合成RNA的過程。相同點

都是酶促核苷酸聚合過程；都以DNA為模板；合成方向都是5’-3’；核苷酸之間都以磷酸二酯鍵相連；服從堿基互補配對規(guī)律；二、比較復制和轉(zhuǎn)錄的異同復制——以DNA為模板合成DNA的過程；8不同點

復制兩條鏈均復制dNTPA-T、G-CDNA聚合酶子代雙鏈DNA需要RNA引物不需要

轉(zhuǎn)錄模板鏈轉(zhuǎn)錄（不對稱）NTPA-U、T-A、G-CRNA聚合酶mRNA/tRNA/rRNA不需要引物需要模板原料堿基配對聚合酶產(chǎn)物引物加工不同點復制轉(zhuǎn)錄9轉(zhuǎn)錄因子（transcriptionfactors，TF）能結(jié)合到DNA的特殊序列并且與RNA聚合酶結(jié)合，促進轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì)因子。TFI：促進RNA聚合酶I轉(zhuǎn)錄TFII：促進RNA聚合酶II（TFIIA，B，D，E，F(xiàn)，H）TFIII：促進RNA聚合酶III轉(zhuǎn)錄。

反式作用因子轉(zhuǎn)錄因子（transcriptionfactors，TF10不對稱轉(zhuǎn)錄(asymmetrictranscription):在DNA雙鏈分子的某一區(qū)段，一股鏈可轉(zhuǎn)錄，另一股鏈不轉(zhuǎn)錄，模板鏈也并非永遠在同一單鏈上的轉(zhuǎn)錄方式。5’3’3’5’箭頭方向為轉(zhuǎn)錄方向；深色鏈為模板鏈。不對稱轉(zhuǎn)錄(asymmetrictranscription113’-----CGTCATGTACAG-----5’模板鏈5’-----GCAGTACATGTC-----3’編碼鏈

5’-----GCAGUACAUGUC-----3’mRNAN------Ala--Val--His--Val------C蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄翻譯mRNA序列與編碼鏈一樣（U-T）。3’-----CGTCATGTACAG-----5’模板鏈轉(zhuǎn)12原核細胞真核細胞原核細胞真核細13轉(zhuǎn)錄過程：起始——延長——終止

轉(zhuǎn)錄單位（transcriptionunit）：

RNA聚合酶作用的起始點與終止點之間的DNA序列。轉(zhuǎn)錄起始位點：

合成RNA鏈的DNA的第一個核苷酸位點（+1）。第二節(jié)真核生物的轉(zhuǎn)錄過程轉(zhuǎn)錄過程：起始——延長——終止轉(zhuǎn)錄單位（transcr14真核生物與轉(zhuǎn)錄起始有關(guān)的結(jié)構(gòu)

順式作用元件（cis-actingelement）：

存在于基因的旁側(cè)序列中，能影響自身基因表達的序列。包括啟動子、增強子、沉默子等。反式作用因子（trans-actingfactor）：

能直接或間接識別并特異地與順式作用元件結(jié)合，參與基因表達調(diào)控的蛋白因子。真核生物與轉(zhuǎn)錄起始有關(guān)的結(jié)構(gòu)順式作用元件（cis-acti15BEHAFRNA聚合酶IITATATFIID45bp+1+30bpDNAmRNA轉(zhuǎn)錄前起始復合體RNA聚合酶II、多種TFII、DNA模板組成轉(zhuǎn)錄前起始復合物。一、

mRNA的合成（一）起始BEHAFRNA聚合酶IITATATFIID45bp+1161.啟動子（promoter）啟動子是DNA模板上的一段特殊序列。轉(zhuǎn)錄開始時，RNA聚合酶識別和結(jié)合于啟動子。它包括一些保守順序，如GC盒、CAAT盒和TATA盒子。為順式作用元件。十二RNA的生物合成-轉(zhuǎn)錄（）課件17真核生物啟動子結(jié)構(gòu)真核生物啟動子結(jié)構(gòu)18真核生物啟動子結(jié)構(gòu)：GCBox：位于-80~-110區(qū)，有GGGCGG保守序列，結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄。CAATBox：位于-70~-80區(qū)，有GGNCAATCT保守序列，決定轉(zhuǎn)錄起始的頻率。TATABox：位于-25~-30區(qū)，有TATA(A/T)(A/T)A保守序列，能保證轉(zhuǎn)錄起始位置的精確性。又稱HognessBox。真核生物啟動子結(jié)構(gòu)：192.轉(zhuǎn)錄因子ＩＩ及轉(zhuǎn)錄前起始復合物（PIC）的形成

2.轉(zhuǎn)錄因子ＩＩ及轉(zhuǎn)錄前起始復合物（PIC）的形成20十二RNA的生物合成-轉(zhuǎn)錄（）課件21（二）RNA鏈的延長（elongation）DNA雙鏈不斷的解開，RNA聚合酶沿著DNA模板向3’方向移動。同時，在RNA聚合酶II的作用下，與DNA模板鏈序列互補的核苷酸逐一地進入反應(yīng)體系，不斷延伸RNA鏈。合成的方向為5’→3’。

需要多種轉(zhuǎn)錄因子協(xié)助，由RNA聚合酶II催化。轉(zhuǎn)錄泡酶覆蓋：40bp打開DNA：17bp合成RNA：12bpDNA-RNA雜交體（二）RNA鏈的延長（elongation）DNA22（三）RNA合成的終止（termination）轉(zhuǎn)錄至模板某一位置，停止形成磷酸二酯鍵RNA—DNA雜交鏈解開，DNA解鏈的部分重新形成雙螺旋RNA聚合酶離開DNA。

（三）RNA合成的終止（termination）轉(zhuǎn)錄至模板23轉(zhuǎn)錄終止序列：DNA的特殊序列與轉(zhuǎn)錄的終止有關(guān)。編碼鏈5‘-----AAUAAA加尾轉(zhuǎn)錄終止序列：DNA的特殊序列與轉(zhuǎn)錄的終止有關(guān)。編24二、rRNA的合成合成部位：核仁酶：RNA聚合酶I轉(zhuǎn)錄單位：包括28S，5.8S及18SrRNA基因。幾百個轉(zhuǎn)錄單位串聯(lián)排列在染色體上，中間有間隔序列隔開。轉(zhuǎn)錄因子：TFI轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物：28S，5.8S，18SrRNA二、rRNA的合成合成部位：核仁25核糖體RNA（rRNA）的轉(zhuǎn)錄染色體DNA內(nèi)含子基因間隔18S5.8S28S每個重復單位45S轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物3種rRNA前體轉(zhuǎn)錄后加工18SrRNA5.8S/28SrRNA核糖體RNA（rRNA）的轉(zhuǎn)錄染色體DNA內(nèi)含子基因間隔1826三、5SrRNA和tRNA的合成合成部位：核漿酶：RNA聚合酶III轉(zhuǎn)錄因子：TFIII轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物：5SrRNA，tRNA，snRNA三、5SrRNA和tRNA的合成合成部位：核漿27第三節(jié)真核生物轉(zhuǎn)錄后RNA的加工RNAProcessing第三節(jié)28RNA轉(zhuǎn)錄后加工（RNAprocessing）:以DNA為模板轉(zhuǎn)錄生成的RNA鏈經(jīng)過修飾、切除、連接等反應(yīng)，去除非編碼序列，形成成熟的具有功能的RNA分子的過程。

RNA轉(zhuǎn)錄后加工（RNAprocessing）:29一、mRNA的加工（一）內(nèi)含子的剪接斷裂基因（splitegene）：真核生物的結(jié)構(gòu)基因由若干編碼區(qū)和非編碼區(qū)相互間隔，編碼一個完整的蛋白質(zhì)，成為斷裂基因。外顯子（exon）：真核結(jié)構(gòu)生物基因中的編碼序列。內(nèi)含子（intron）：真核生物結(jié)構(gòu)基因中的非編碼區(qū)。exonABCintron一、mRNA的加工斷裂基因（splitegene）：真核生30真核細胞的基因結(jié)構(gòu)hnRNA成熟mRNA真核細胞的hnRNA成熟mRNA31十二RNA的生物合成-轉(zhuǎn)錄（）課件32十二RNA的生物合成-轉(zhuǎn)錄（）課件33核不均一RNA（heterogeneous-nuclearRNA,hnRNA）：細胞核內(nèi)的初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物。需要經(jīng)過剪接才能成為成熟的mRNA。小核RNA（smallnuclearRNA,snRNA）：在細胞核內(nèi)與蛋白質(zhì)組成核糖核酸蛋白體，即剪接體（splicesome），結(jié)合在hnRNA的內(nèi)含子區(qū)段，使之彎曲，形成套索結(jié)構(gòu)，有利于剪接。核不均一RNA（heterogeneous-nuclear34mRNA剪接（mRNAsplicing）真核生物結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄時，外顯子和內(nèi)含子同時被轉(zhuǎn)錄，產(chǎn)物為hnRNA，而后切除hnRNA中的內(nèi)含子，將外顯子連接的過程成為mRNA剪接。剪接類型：snRNA剪接方式剪接位點：作為內(nèi)含子起始和結(jié)束的GU、AG剪接點序列成為剪接位點。mRNA剪接（mRNAsplicing）剪接類型：snR35十二RNA的生物合成-轉(zhuǎn)錄（）課件36十二RNA的生物合成-轉(zhuǎn)錄（）課件37（二）5’端加帽5’端：m7GpppGpN（甲基化三磷酸雙鳥苷）部位：細胞核作用:1）使mRNA免受磷酸酶和核酸酶的攻擊，穩(wěn)定mRNA分子的一級結(jié)構(gòu)；2）提供核蛋白體識別位點，促進翻譯起始復合物形成，增強mRNA翻譯效率；3）有利于mRNA前體的剪接。（二）5’端加帽5’端：m7GpppGpN（甲基化三磷酸雙38mRNA的5’帽子結(jié)構(gòu)mRNA的5’帽子結(jié)構(gòu)395pppGp…5GpppGp…pppGppi鳥苷酸轉(zhuǎn)移酶5m7GpppGp…甲基轉(zhuǎn)移酶SAM5ppGp…磷酸酶Pi帽子結(jié)構(gòu)的生成5pppGp…5GpppGp…pppGppi鳥苷酸40（三）mRNA的3’端加polyA尾3’端：100-200個腺苷酸殘基部位：細胞核作用:1）維持mRNA的穩(wěn)定；2）增加翻譯效率；3）與mRNA運輸有關(guān)。（三）mRNA的3’端加polyA尾3’端：100-200個41轉(zhuǎn)錄終止序列：DNA的特殊序列與轉(zhuǎn)錄的終止有關(guān)。編碼鏈5‘-----AAUAAA加尾轉(zhuǎn)錄終止序列：DNA的特殊序列與轉(zhuǎn)錄的終止有關(guān)。編42步驟1步驟23’端加polyA尾步驟1步驟23’端加polyA尾43（四）mRNA編輯（mRNAediting）DNA在轉(zhuǎn)錄成hnRNA后，通過插入、刪除或堿基替換而改變DNA模板原來的某些遺傳信息。

通常是個別堿基的更換使一個基因表達出多個氨基酸序列不同的蛋白質(zhì)。

是對生物學中心法則的補充，擴大了mRNA遺傳信息容量。（四）mRNA編輯（mRNAediting）D44第2153位谷氨酰胺終止子第2153位谷氨酰胺終止子45二、核糖體RNA（rRNA）的轉(zhuǎn)錄后加工rDNA內(nèi)含子基因間隔18S5.8S28S每個重復單位45S轉(zhuǎn)錄物3種rRNA前身剪接18SrRNA5.8S/28SrRNA二、核糖體RNA（rRNA）的轉(zhuǎn)錄后加工rDNA內(nèi)含子基因間46rRNA轉(zhuǎn)錄后的加工和與核糖體的裝配同時進行。rRNA轉(zhuǎn)錄后的加工和與核糖體的裝配同時進行。47核酶（ribozyme）：具有催化功能的RNA。四膜蟲的rRNA自我剪接核酶（ribozyme）：具有催化功能的RNA。四膜蟲的rR48核酶的二級結(jié)構(gòu)——槌頭狀結(jié)構(gòu)（hammerheadstructure）通常為60個核苷酸左右；同一分子上包括有催化部分和底物部分，共同組成槌頭狀結(jié)構(gòu)。底物催化部分核酶的二級結(jié)構(gòu)——槌頭狀結(jié)構(gòu)通常為60個核苷酸左右；同一分子49酶底物圖13-12核酶的意義：1.核酶的發(fā)現(xiàn)，對中心法則作了重要補充；2.對傳統(tǒng)酶學提出挑戰(zhàn)；3.人工合成核酶的槌頭結(jié)構(gòu)，用于破壞有害基因，如破壞HIV病毒RNA。酶底物圖13-12核酶的意義：50三、轉(zhuǎn)移RNA（tRNA）的轉(zhuǎn)錄后加工三、轉(zhuǎn)移RNA（tRNA）的轉(zhuǎn)錄后加工51十二RNA的生物合成-轉(zhuǎn)錄（）課件52堿基修飾（1）甲基化AAm（2）還原UDHU（3）核苷酸內(nèi)的轉(zhuǎn)位反應(yīng)UΨ（4）脫氨反應(yīng)AI堿基修飾53第四節(jié)原核生物的轉(zhuǎn)錄第四節(jié)原核生物的轉(zhuǎn)錄54（一）原核生物的RNA聚合酶核心酶亞基α2ββ’σ功能決定哪些基因被轉(zhuǎn)錄結(jié)合底物，形成磷酸二酯鍵（催化）結(jié)合模板（開鏈）（核心酶參與轉(zhuǎn)錄全過程）識別起始點啟動子（延長時脫落）全酶：α2ββ’σ（一）原核生物的RNA聚合酶亞基55原核生物的RNA聚合酶原核生物的RNA聚合酶56RNA聚合酶全酶在轉(zhuǎn)錄起始區(qū)的結(jié)合-35-10PribnowboxRNA聚合酶全酶在轉(zhuǎn)錄起始區(qū)的結(jié)合-3557一、原核生物轉(zhuǎn)錄起始（initiation）啟動子（promotor）：DNA分子上可以與RNA聚合酶特異結(jié)合而使轉(zhuǎn)錄開始的一段DNA序列，本身不被轉(zhuǎn)錄。

結(jié)合部位：位于-10區(qū)，有TATAAT保守序列，是RNA聚合酶與DNA模板牢固結(jié)合的位點，也有助于打開局部DNA雙鏈。也稱PribnowBox。

識別部位：位于-35區(qū)，有TTGACA保守序列，是RNA聚合酶σ亞基識別的部位。

轉(zhuǎn)錄起始位點：合成RNA鏈中第一個核苷酸的位點，多為A或G。一、原核生物轉(zhuǎn)錄起始（initiation）58原核生物啟動子結(jié)構(gòu)原核生物啟動子結(jié)構(gòu)59

操縱子（operon）：原核生物的許多功能相關(guān)的基因成簇地串聯(lián)排列在染色體上，共同組成一個轉(zhuǎn)錄單位，幾個結(jié)構(gòu)基因受同一調(diào)控序列調(diào)控，這種基因表達控制單元稱為操縱子。操縱子（operon）：原核生物的許多功能相關(guān)的基因成簇60調(diào)節(jié)基因啟動子操縱基因lacZlacYlacACAPcAMPCAP-cAMP復合物mRNA+-半乳糖苷酶-半乳糖苷透過酶-半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶酶乳糖操縱子調(diào)節(jié)基因啟動子操縱lacZlacYlacACAPcAMPCA61RNA的轉(zhuǎn)錄開始于pppG或pppA。轉(zhuǎn)錄起始位置在Pribnow盒子下游5-8bp。RNA聚合酶（全酶）中的σ因子在DNA雙鏈上迅速、隨機滑動，尋找到啟動子-35區(qū)，結(jié)合形成閉合的復合物，DNA雙鏈未解開。全酶形成更緊密的開環(huán)復合物，其特征是DNA雙螺旋局部解開大約10bp。因為Pribnow盒子是富含AT的，它有利于這種局部的解旋。解鏈的DNA與起始的三磷酸嘌呤核苷酸（pppG或pppA）及RNA聚合酶結(jié)合，然后形成第一個磷酸二酯鍵。全酶移動到另一個位置并繼續(xù)合成。一旦起始的核苷酸鏈形成一小段后，σ因子便從全酶釋放出來，核心酶進入延長階段繼續(xù)發(fā)揮其催化作用。另外一個RNA聚合酶分子可以識別并結(jié)合到啟動子上，開始另一輪轉(zhuǎn)錄。這樣，一個基因可以被同時轉(zhuǎn)錄許多次。RNA的轉(zhuǎn)錄開始于pppG或pppA。轉(zhuǎn)錄起始位置在Pr62RNA的轉(zhuǎn)錄過程RNA的轉(zhuǎn)錄過程63二、轉(zhuǎn)錄的延長（elongation）

σ亞基脫落，RNA聚合酶核心酶變構(gòu)，與模板結(jié)合松弛，沿DNA模板前移，催化RNA鏈不斷延長。（NMP）n+NTP（NMP）n+1+PPi轉(zhuǎn)錄復合物：RNA聚合酶核心酶，DNA模板，RNA產(chǎn)物。二、轉(zhuǎn)錄的延長（elongation）σ亞基脫落，R64DNA解開17bp；RNA-DNA形成12bp長的雜交螺旋DNA解開17bp；RNA-DNA形成12bp長的雜交螺旋65十二RNA的生物合成-轉(zhuǎn)錄（）課件66三、RNA合成的終止（termination）依賴Rho（ρ）因子的轉(zhuǎn)錄終止非依賴ρ因子的轉(zhuǎn)錄終止轉(zhuǎn)錄至模板某一位置，停止形成磷酸二酯鍵RNA—DNA雜交鏈解開，DNA解鏈的部分重新形成雙螺旋RNA聚合酶離開DNA

分類：三、RNA合成的終止（termination）依賴Rh67（1）依賴Rho（ρ）因子的轉(zhuǎn)錄終止六個相同亞基組成的蛋白質(zhì)RNA依賴的ATP酶活性和解螺旋酶活性與單鏈RNA（polyC）結(jié)合ρ因子的結(jié)構(gòu)：（1）依賴Rho（ρ）因子的轉(zhuǎn)錄終止六個相同亞基組成的蛋68依賴ρ因子的轉(zhuǎn)錄終止依賴ρ因子的轉(zhuǎn)錄終止69發(fā)夾結(jié)構(gòu)環(huán)莖多個UDNA模板3’5’（2）非依賴ρ因子的轉(zhuǎn)錄終止

DNA分子近轉(zhuǎn)錄終止點處具有一段富含GC的回文區(qū)域，之后是一連串的dA堿基序列，它們轉(zhuǎn)錄的RNA鏈的末端為一連串U（連續(xù)6個）。發(fā)夾結(jié)構(gòu)環(huán)莖多個UDNA模板5’（2）非依賴ρ因子的轉(zhuǎn)錄終70十二RNA的生物合成-轉(zhuǎn)錄（）課件71RNA-pol5’pppG莖環(huán)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)錄終止RNA聚合酶變構(gòu)，轉(zhuǎn)錄停頓；AU結(jié)合弱，轉(zhuǎn)錄復合物趨于解離，RNA產(chǎn)物釋放。RNA-pol5’pppG莖環(huán)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)錄終止RNA聚合酶變構(gòu)72原核生物和真核生物轉(zhuǎn)錄過程的比較原核生物真核生物轉(zhuǎn)錄單位

1個轉(zhuǎn)錄單位含多個結(jié)構(gòu)基因1個轉(zhuǎn)錄單位含1個結(jié)構(gòu)基因起始

不需引物不需引物

啟動子辨認

σ亞基多種轉(zhuǎn)錄因子參與

起始酶

RNA聚合酶全酶

RNA聚合酶I、II、III催化合成不同的RNA延長

合成新鏈沿5’-3’方向前進合成新鏈沿5’-3’方向前進延長酶

RNA聚合酶核心酶

RNA聚合酶I、II、III

轉(zhuǎn)錄復合物

RNA聚合酶核心酶-DNA-RNA-終止

依賴ρ因子終止轉(zhuǎn)錄修飾點有特殊序列，

非依賴ρ因子終止mRNA過轉(zhuǎn)錄修飾點即被切斷加帽加尾原核生物和真核生物轉(zhuǎn)錄過程的比較73四、RNA轉(zhuǎn)錄后加工（RNAprocessing）以DNA為模板轉(zhuǎn)錄生成的RNA鏈經(jīng)過修飾、切除、連接等反應(yīng)，去除非編碼序列，形成成熟的具有功能的RNA分子的過程。

mRNA可直接作為翻譯的模板rRNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物要加工、修飾tRNA四、RNA轉(zhuǎn)錄后加工（RNAprocessing）mRNA74

原核生物和真核生物mRNA的不同原核生物mRNA多順反子轉(zhuǎn)錄與翻譯同步mRNA不需加工壽命短