第5章 转录与转录后加工(下).ppt

第五章第五章 转录与转录后加工转录与转录后加工 Part 2 第一节第一节 转录的基本原理转录的基本原理第二节第二节 与转录起始和终止有关的与转录起始和终止有关的DNADNA结构结构第三节第三节 原核生物和真核生物转录及抑制剂原核生物和真核生物转录及抑制剂第四节第四节 转录后加工及其机制转录后加工及其机制 总总RNA编码编码RNA，占总量的占总量的4%非编码非编码RNA，占总量的占总量的94%hnRNA mRNApre rRNArRNAPre tRNAtRNAsnRNAsnoRNAscRNAtmRNA细胞内的细胞内的RNARNA组分组分:一、原核生物转录的起始一、原核生物转录的起始原核生物原核生物mRNAmRNA不需要加工，通常在转录完成之前不需要加工，通常在转录完成之前就开始翻译就开始翻译.1.全酶与模板的全酶与模板的DNA接触，生成非专接触，生成非专一的一的,不稳定的复合物在模板上移动；不稳定的复合物在模板上移动；2.起始识别：全酶与起始识别：全酶与35序列结合，序列结合，产生产生封闭的酶封闭的酶-启动子二元复合物启动子二元复合物（closed binary complex）；）；3.全酶紧密地结合在全酶紧密地结合在-10序列处，模板序列处，模板DNA局局部部变变性性，形形成成开开链链式式的的启启动动子子二二元复合物元复合物(open binary complex)；4.酶酶移移动动到到+1,连连续续合合成成6-9个个核核苷苷酸酸,因因子子释释放放,形形成成酶酶-DNA-RNA三三元元复复合合物物（ternary complex）。）。转录的起始过程转录的起始过程:二二.原核生物转录的延长原核生物转录的延长RNApolRNApol酶上有两个酶上有两个核苷酸位点核苷酸位点:一个起一个起始核苷酸位点；一始核苷酸位点；一个延长核苷酸位点。个延长核苷酸位点。嘌呤核苷三磷酸充嘌呤核苷三磷酸充填了起始位点，另填了起始位点，另一个核苷三磷酸充一个核苷三磷酸充填延长位点并均与填延长位点并均与模板碱基互补，才模板碱基互补，才合成第一个磷酸二合成第一个磷酸二酯键酯键三、原核生物转录的终止三、原核生物转录的终止不依赖不依赖因子的转录终止因子的转录终止 依赖依赖因子的转录终止因子的转录终止RNA Pol转录转录RNA因子附着到因子附着到RNA因子跟在因子跟在RNAPol后沿后沿RNA移动移动RNA Pol在终止位在终止位点停下，并被点停下，并被因因子追上子追上在转录泡中在转录泡中因子因子使使DNA-RNA杂种双杂种双链解开链解开转录终止转录终止,释放出释放出RNA Pol,因子因子和和 RNA识别位点上识别位点上依赖依赖因子的转录终止因子的转录终止四四.真核生物的转录真核生物的转录机制不详五、五、RNARNA生物合成抑制剂生物合成抑制剂按照抑制作用性质的不同按照抑制作用性质的不同RNARNA生物合成抑制生物合成抑制剂可以分为三类：剂可以分为三类：1 1 嘌呤和嘧啶类似物，形成核苷类似物而抑制嘌呤和嘧啶类似物，形成核苷类似物而抑制RNARNA的合成；的合成；2 2 通过与通过与DNADNA结合而改变摸板的功能；结合而改变摸板的功能；3 3 与与RNARNA聚合酶结合而影响其活力聚合酶结合而影响其活力第一节第一节 转录的基本原理转录的基本原理第二节第二节 与转录起始和终止有关的与转录起始和终止有关的DNADNA结构结构第三节第三节 原核生物和真核生物转录及抑制剂原核生物和真核生物转录及抑制剂第四节第四节 转录后加工及其机制转录后加工及其机制第五章第五章 转录与转录后加工转录与转录后加工 Part 2 第四节第四节 转录后加工及其机制转录后加工及其机制 p169p169转录后加工转录后加工:RNA:RNA聚合酶合成的原初转录物经过一聚合酶合成的原初转录物经过一系列的包括系列的包括5 5与与3 3的切除的切除,特殊结构的形成、碱特殊结构的形成、碱基修饰和糖苷键的改变及剪接等过程，变为成熟基修饰和糖苷键的改变及剪接等过程，变为成熟的的RNARNA分子的过程。分子的过程。原核生物原核生物mRNAmRNA一般经转录后通常立即进行翻译，一般经转录后通常立即进行翻译，少数多顺反子需要切成小的单位，但少数多顺反子需要切成小的单位，但rRNArRNA和和tRNAtRNA需要加工。需要加工。真核生物的转录和翻译不同步，并且需要间接过真核生物的转录和翻译不同步，并且需要间接过程的加工。程的加工。真核生物从真核生物从hnRNAhnRNA到到mRNAmRNA需如下过程：需如下过程：(1)5(1)5加帽；加帽；(2)3(2)3加尾；加尾；(3)(3)剪接剪接 (4)(4)修饰：对某些碱基进行甲基化。修饰：对某些碱基进行甲基化。二、二、mRNAmRNA前体的加工前体的加工hnRNAmRNA 5 5加帽成为加帽成为m m7 7G G5 5pppppp5 5NmpNpNmpNp1.1.加帽方式：加帽方式：用用RNAaseRNAase处理得到处理得到5 5-5-5三磷酸二酯键相连的二核苷三磷酸二酯键相连的二核苷酸，而且酸，而且5 5端总是端总是N N7 7-甲基鸟苷酸，称为帽子甲基鸟苷酸，称为帽子0 0。单细。单细胞真核生物只具有帽子胞真核生物只具有帽子0 0。第一个核苷酸的第一个核苷酸的2 2-O-O位甲基化，构成帽子位甲基化，构成帽子1 1（包括帽子（包括帽子0 0），符号为），符号为m m7 7GpppXmGpppXm，如为，如为A A，N N6 6甲基化。甲基化。第二个核苷酸的第二个核苷酸的2 2-O-O甲基化，构成帽子甲基化，构成帽子2 2（包括帽子（包括帽子1 1），符号），符号m m7 7GpppXmpYmGpppXmpYm。（一）（一）5 5加加帽帽mRNA5mRNA5帽子帽子0 0首先转录初产物的首先转录初产物的5 5端三磷酸脱端三磷酸脱下一个磷酸基团，与下一个磷酸基团，与GTPGTP通过形成通过形成5 5-5-5三磷酸三磷酸二酯键连接（二酯键连接（GpppN1GpppN1），由），由S-S-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸（SAMSAM）提供甲基，使碱基及核糖甲基化。）提供甲基，使碱基及核糖甲基化。2.mRNA2.mRNA帽子的生理功能帽子的生理功能 a.a.为核糖体对为核糖体对mRNAmRNA的识别提供了信号。的识别提供了信号。b.b.增加增加mRNAmRNA的稳定性。的稳定性。c.c.促进某些促进某些RNARNA的合成。的合成。（二）（二）3 3末端产生和多聚腺苷酸化末端产生和多聚腺苷酸化1.1.加尾信号加尾信号5 5-AAUAAAAAUAAA24bp24bp.GUGUGUUGGAAUUUUUUGUGUGUGUGUUGGAAUUUUUUGUGU-3 3第一个信号第一个信号AAUAAAAAUAAA，位于切点上游位于切点上游13-20bp13-20bp；第二个信号位于第二个信号位于AAUAAAAAUAAA下游约下游约15-24bp15-24bp处，富含处，富含GUGU，其后常有一串富含，其后常有一串富含U U的序列。的序列。2.32.3末端的产生：末端的产生：切离酶识别切点上游切离酶识别切点上游13-20bp AAUAAA motif13-20bp AAUAAA motif，切，切点后点后GU-rich motifGU-rich motif，在特异性因子，在特异性因子CPSFCPSF（切割与（切割与多聚腺苷酸化专性因子）和多聚腺苷酸化专性因子）和CstFCstF（蛋白切割激发（蛋白切割激发因子）的协助下完成切离作用，产生因子）的协助下完成切离作用，产生3 3末端。末端。3.3.加加PolyPoly（A A）尾巴）尾巴 PolyPoly（A A）尾巴大约）尾巴大约200nt200nt。反应如下：。反应如下：多聚核糖核苷酸多聚核糖核苷酸+nATP +nATP 多聚核糖核苷酸多聚核糖核苷酸(A)n+nPPi(A)n+nPPi需需RNARNA末端腺苷酸转移酶末端腺苷酸转移酶(RNA terminal(RNA terminal riboadenylate transferase)riboadenylate transferase)催化。催化。（三）（三）mRNAmRNA的甲基化的甲基化真核生物真核生物mRNAmRNA分子中甲基化的碱基主要是分子中甲基化的碱基主要是N N6 6甲基甲基腺嘌呤腺嘌呤，约，约1/10001/1000的几率的几率1.1.原核生物原核生物rRNArRNA前体的切割前体的切割二二.rRNA.rRNA前体的加工前体的加工2.2.真核生物真核生物rRNArRNA前体的加工前体的加工3.rRNA3.rRNA前体的化学修饰前体的化学修饰两种修饰方式两种修饰方式（在细菌和真核生物中都有，（在细菌和真核生物中都有，真核中修饰更加广泛）真核中修饰更加广泛）（1 1）将甲基基团加到核苷酸糖基的）将甲基基团加到核苷酸糖基的2 2OHOH位位（2 2）将尿苷酸变为假尿苷酸）将尿苷酸变为假尿苷酸三、三、tRNAtRNA前体的加工前体的加工 原核生物中原核生物中tRNAtRNA基因常常插在多基因转录单基因常常插在多基因转录单元中，必须切割才能释放。元中，必须切割才能释放。tRNAtRNA的切割（原核和真核都有）的切割（原核和真核都有）核酸内切酶在核酸内切酶在tRNAtRNA两端切断两端切断核酸外切酶核酸外切酶RNAaseDRNAaseD识别识别CCACCA末端序末端序列，一个个切除列，一个个切除7 7个核苷酸个核苷酸RNAasePRNAaseP在在5 5端切断，端切断，RNAaseDRNAaseD除除去去3 3末端的末端的2 2个核苷酸个核苷酸核苷修饰核苷修饰 甲基化、脱氨基、核苷甲基化、脱氨基、核苷酸替换、硫代酸替换、硫代tRNAtRNA的修饰的修饰tRNAtRNA分子中大约每分子中大约每1010个核苷酸就有一个被个核苷酸就有一个被修饰。修饰。特点：范围广，种类多包括甲基化、脱氨特点：范围广，种类多包括甲基化、脱氨基、核苷酸替换、硫代。基、核苷酸替换、硫代。四、四、RNA的剪接（的剪接（RNA splicing)RNARNA的剪接从机理上分为两类：的剪接从机理上分为两类：第一类第一类:磷酯键转移反应将磷酯键转移反应将intronintron切除。包含切除。包含hnRNAhnRNA、I I型和型和IIII型内含子的剪接三种。型内含子的剪接三种。第二类第二类:特异性核酸内切酶切割去除特异性核酸内切酶切割去除intron,intron,再由特异的再由特异的RNARNA连接酶将连接酶将exonexon连接。连接。tRNAtRNA内内含子含子 的剪接。的剪接。（一）第（一）第I类内含子的自我剪接类内含子的自我剪接-rRNA的自我剪接的自我剪接（self-splicing)存在存在:真菌线粒体基因内真菌线粒体基因内,低等真核生物的细胞核低等真核生物的细胞核rRNA基因。基因。间接点序列特点：间接点序列特点：（1）其边界序列为）其边界序列为5外显子外显子U-内含子内含子-G-外显子外显子 3；（2）具有）具有中部核心结构中部核心结构（Central core structure）P、Q，R、S（3）内内部部引引导导序序列列（internal guide sequence，IGS）内含子中能与两个剪接点边界序列配对，将两个剪接点拉到一起。剪接条件剪接条件:Mg:Mg2+2+,pG,pGOH,OH,不不需能量需能量剪接机制：内含子能剪接机制：内含子能折叠形成具核酶催化折叠形成具核酶催化中心的空间结构，催中心的空间结构，催化剪接化剪接剪接过程：三次剪接过程：三次转酯反应转酯反应1.G1.G的的3 3OH OH 亲核亲核进攻进攻Intron5Intron5剪剪接位点接位点2.2.游离的游离的Exon1 Exon1 的的3 3OHOH亲核进亲核进攻攻Exon2Exon2的的5 5端端3.Intron3.Intron的的3 3OHOH进进攻他的第攻他的第1515位或位或1919位，释放出位，释放出1515和和4 4个个核苷酸的的两个小核苷酸的的两个小片段，最终形成线片段，最终形成线形产物形产物L-19L-19（二）第（二）第II类内含子的自我剪接（类内含子的自我剪接（self-splicing)存在存在:真菌和植物细胞器的基因组真菌和植物细胞器的基因组剪接条件剪接条件:需需Mg2+,不需鸟苷，不需能量不需鸟苷，不需能量结构特点：结构特点：5 GUGCG，3YnAG 离开离开3剪接点剪接点612bp Py PuPy Py TA*Py剪接机制剪接机制:内含子能折叠成类似内含子能折叠成类似U2与与U6RNA构成构成的催化中心，自身催化。的催化中心，自身催化。同同hnRNA的剪接的剪接（三）第（三）第IIIIII类内含字的剪接类内含字的剪接-hnRNA-hnRNA的剪接的剪接hnRNAhnRNA通常通常以结合有蛋以结合有蛋白形式存在，白形式存在，称为称为hnRNP hnRNP 人类遗传疾病中有人类遗传疾病中有15%15%与与mRNAmRNA的异常可变剪接有关的异常可变剪接有关 1.hnRNA1.hnRNA的结构特点的结构特点边界序列：符合边界序列：符合GU-AGGU-AG规则。内含子规则。内含子5 5端总是端总是GUGU，3 3端总是端总是AGAG。分枝点序列：为分枝点序列：为Py N Py Py Pu A*PyPy N Py Py Pu A*Py，且具有，且具有2-OH2-OH。2.2.剪接机制：剪接体与磷酸酯键转移反应剪接机制：剪接体与磷酸酯键转移反应 剪接途径分为两步：剪接途径分为两步：（1 1）5 5剪接位点的断裂剪接位点的断裂 分枝点分枝点A2A2OHOH亲核进攻亲核进攻Intron Intron 5 5G G，形成，形成5 5-2-2磷酸二酯键，磷酸二酯键，Exon1 3Exon1 3端被游离端被游离（2 2）3 3剪接位点的断裂剪接位点的断裂 和外显和外显子连接子连接Exon1 3Exon1 3OHOH亲核进攻亲核进攻Exon2Exon2的的5 5端，两端，两ExonExon以以3 3-5-5磷酸二酯键磷酸二酯键相连，切除的相连，切除的IntronIntron呈套索呈套索（lariatlariat）状）状3.3.剪接体及组装剪接体及组装GU-AGGU-AG内含子剪接装置的核心成分包括一组内含子剪接装置的核心成分包括一组snRNPssnRNPs：U1U1、U2U2、U5U5、U4/U6U4/U6，组装成剪接体（，组装成剪接体（splicesomesplicesome）a.U1结合结合5剪接点剪接点b.U2结合分支点结合分支点 c.U5/U4/U6三聚体结合三聚体结合U1释放，释放，U6结合结合5剪剪接点接点d.U5易位，结合至易位，结合至3剪接点，剪接点，U4释放释放e.U6/U2催化磷酯键转催化磷酯键转移反应，套索形成移反应，套索形成snRNAs and splice site 酵母中约酵母中约400400个核个核tRNAtRNA基因中有基因中有4040个不连个不连续基因，每一个含有一续基因，每一个含有一个内含子，与反密码子个内含子，与反密码子相邻，长度大约相邻，长度大约14-46bp14-46bp。（四）（四）.第四类内含子的剪接第四类内含子的剪接-tRNA-tRNA的剪接的剪接剪接过程如下：剪接过程如下：第一步：内切核酸酶催化的两个磷酸二酯键的断裂，第一步：内切核酸酶催化的两个磷酸二酯键的断裂，形成两个形成两个tRNAtRNA半分子半分子第二步：第二步：RNARNA连接酶催化的依赖于连接酶催化的依赖于ATPATP的连接反应的连接反应tRNAtRNA内含子的剪接不涉及转酯反应内含子的剪接不涉及转酯反应（五）顺式和反式剪接（五）顺式和反式剪接顺式剪接：内含子的剪接发生在同一基因内，切顺式剪接：内含子的剪接发生在同一基因内，切除内含子，相邻的外显子彼此连接。除内含子，相邻的外显子彼此连接。反式剪接：不同基因的外显子剪接。反式剪接：不同基因的外显子剪接。五、五、RNARNA编辑（编辑（RNA editingRNA editing）RNARNA编辑编辑：指转录后的指转录后的RNARNA在编码区发生碱基在编码区发生碱基的加入、丢失或转换等现象。的加入、丢失或转换等现象。9090年代发现年代发现guideRNAguideRNA（gRNAgRNA），它是一类新），它是一类新的小分子的小分子RNARNA，可以和，可以和mRNAmRNA分子被编辑的部分子被编辑的部分发生非常规的分发生非常规的G-UG-U互补配对，对互补配对，对mRNAmRNA前体前体分子的编辑起指导作用。分子的编辑起指导作用。G U哺乳动物哺乳动物RNA编辑举例编辑举例组织组织靶靶RNA变化变化影响影响肝、小肠肝、小肠载脂蛋白载脂蛋白B mRNACUGlu密码子转变为终止密码子密码子转变为终止密码子肌肉肌肉-半乳糖苷酶半乳糖苷酶mRNAUAPhe密码子转变为密码子转变为Try密码子密码子睾丸、肿睾丸、肿瘤瘤Wilms肿瘤肿瘤-I mRNAUCLeu密码子转变为密码子转变为Pro密码子密码子肿瘤肿瘤I型神经纤维型神经纤维瘤瘤mRNACUArg密码子转变为终止密码子密码子转变为终止密码子脑脑谷氨酸受体谷氨酸受体mRNAAGGln转变为转变为Arg 例：例：本章应该掌握的内容概念：启动子，终止子，概念：启动子，终止子，-10-10序列，序列，-35-35序列，序列，CAPCAP结合位点，结合位点，RNARNA的成熟或转录后加工，的成熟或转录后加工，RNARNA剪接，剪接，RNARNA编辑，编辑，gRNAgRNA转录与复制的异同；原核生物启动子的结构；真转录与复制的异同；原核生物启动子的结构；真核生物启动子的类型；原核和真核生物转录启动核生物启动子的类型；原核和真核生物转录启动子的结构异同；转录的基本过程子的结构异同；转录的基本过程mRNAmRNA前体包括哪些加工？前体包括哪些加工？rRNArRNA前体包括哪些加工前体包括哪些加工？tRNAtRNA前体包括哪些加工？前体包括哪些加工？I I类、类、IIII类和类和hnRNAhnRNA的剪接的基本过程是什么？的剪接的基本过程是什么？