生物化学》ppt课件12.第十二章-RNA的生物合成(转录).ppt

第十二章 RNA的生物合成 (转录)(RNA Biosynthesis,Transcription)转录转录是指是指以以DNA为模板合成为模板合成RNA的过程的过程 。参与物质参与物质原料原料:NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)DNA模板模板RNA聚合酶聚合酶(RNA polymerase,RNA-pol)其他蛋白质因子其他蛋白质因子复制和转录的区别复制和转录的区别 A-U，T-A，G-CA-T，G-C配对配对mRNA，tRNA，rRNA子代双链子代双链DNA（半保留复制）半保留复制）产物产物RNA聚合酶聚合酶-polDNA聚合酶聚合酶酶酶NTPdNTP原料原料两股链均复制两股链均复制模板模板转录转录复制复制A-U，T-A，G-CA-T，G-CmRNA，tRNA，rRNA子代双链子代双链DNA（半保留复制）半保留复制）产物产物RNA(RNA-pol)DNA聚合酶聚合酶酶酶NTPdNTP原料原料模板链转录模板链转录(不对称转录不对称转录)两股链均复制两股链均复制模板模板转录转录复制复制第一节 转录基本规律与体系一、一、不对称转录不对称转录 1.DNA分分子子上上转转录录出出RNA的的区区段段，称称为为结结构构基基因因(structural gene)。结结构构基基因因中中能能转转录录生生成成RNA的的一一股股单单链链，称称为为模模板板链链(template strand)，也也称称作作有有意意义义 链链 或或 Watson链链。另另 一一 股股 单单 链链 是是 编编 码码 链链(coding strand)，也称为，也称为反义链反义链或或Crick链链。(一一)转录转录的模板的模板(Basic Rules and System of Transcription)2.在包含多个基因的在包含多个基因的DNA分子中，各基因的模板链并分子中，各基因的模板链并不总在同一条链上，在某个基因节段以其中某一条链为不总在同一条链上，在某个基因节段以其中某一条链为模板进行转录，而在另一个基因节段上则以其对应单链模板进行转录，而在另一个基因节段上则以其对应单链为模板，这种选择性称不对称转录。为模板，这种选择性称不对称转录。5 5 3 3 3 3 5 5 模板链模板链编码链编码链编码链编码链模板链模板链转录方向转录方向转录方向转录方向5GCAGTACATGTC 33 c g t g a t g t a c a g 55GCAGUACAUGUC 3NAla Val His Val C编码链编码链模板链模板链mRNA蛋白质蛋白质转录转录翻译翻译 (二二)转录的特点转录的特点1.转录的不对称性转录的不对称性2.转录方向的单向性转录方向的单向性 3.转录不需要引物形成连续性转录不需要引物形成连续性4.转录过程有特定起始和终止点转录过程有特定起始和终止点二、二、RNA转录的体系转录的体系(一一)模板模板结构基因双链中的一股链结构基因双链中的一股链。(二二)原料原料4种核糖核苷酸：种核糖核苷酸：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聚合酶全酶在转录起始区的结合聚合酶全酶在转录起始区的结合 TATAATATATTA+1-55TTGACAAACTGA+20DNA 36512 决定哪些基因被转录决定哪些基因被转录 150618 催化功能催化功能 155613 结合结合DNA模板模板 70263 辨认起始点辨认起始点亚亚 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 种类种类对鹅膏蕈碱对鹅膏蕈碱的反应的反应45S-rRNAhnRNA5S-rRNAtRNAsnRNA耐受耐受极敏感极敏感中度敏感中度敏感转录产物转录产物 RNA转录时除需以上物质外，还需要一些转录时除需以上物质外，还需要一些蛋白因子参与。如原核生物使转录过程终止蛋白因子参与。如原核生物使转录过程终止因因子。真核生物聚合酶子。真核生物聚合酶启动转录时的转录因子。启动转录时的转录因子。(四四)蛋白因子蛋白因子第二节 RNA转录过程(一一)转录起始转录起始1.转录起始需解决两个问题转录起始需解决两个问题2.(1)RNA聚合酶必须准确地结合在转录模聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域。板的起始区域。3.(2)DNA双链解开，使其中的一条链作为双链解开，使其中的一条链作为转录的模板。转录的模板。一、原核生物的转录过程一、原核生物的转录过程(The Process of Transcription)(2)DNA双链解开。双链解开。(1)RNA聚合酶全酶聚合酶全酶(2)与模板与模板保守序列保守序列结合。结合。(3)在在RNA-pol作用下形成转录起始复合物。作用下形成转录起始复合物。RNApol(2)-DNA-pppGpN-OH 3(4)转录起始复合物转录起始复合物:2.转录起始过程转录起始过程TGTTGACATATAAT5/5/3/3/-35区区-10区区转录方向转录方向基因转录区基因转录区启动子启动子+1编码链编码链模板链模板链原核生物启动子的保守序列原核生物启动子的保守序列(二二)转录延长转录延长1.亚基脱落，亚基脱落，RNApol核心酶核心酶变构，与模板变构，与模板结合松弛，沿着结合松弛，沿着DNA模板推进，模板推进，NTP不不断聚断聚合合RNA链不断延长。链不断延长。(NMP)n +NTP (NMP)n+1 +PPi转录空泡转录空泡(transcription bubble)：RNA-pol(核心酶核心酶)DNA RNA2.原核生物转录过程中的羽毛状现象原核生物转录过程中的羽毛状现象5 3 DNA核糖体核糖体RNARNA聚合酶聚合酶转录延长转录延长1.依赖依赖(Rho)因子的转录终止因子的转录终止 因子以六聚体形因子以六聚体形式存在，协助式存在，协助RNA-pol识别终止信号，与转录识别终止信号，与转录产物结合，产物结合，RNA和和RNA-pol一起从模板上脱落。一起从模板上脱落。(三三)转录终止转录终止A T Prho5/3/5/3/rho2.非依赖非依赖因子的转录终止因子的转录终止 DNA模板上靠近终止处，模板上靠近终止处，有些特殊的碱基序列，可转录出具有茎环结构的有些特殊的碱基序列，可转录出具有茎环结构的RNA，来终止转录。，来终止转录。5/3/5/3/3/5/转录产物转录产物RNA聚合酶聚合酶DNA3/5/3/5/DNA5/U-U-U-U-U-U-U-U-3/RNA聚合酶聚合酶二、真核生物的转录起始二、真核生物的转录起始(一一)转录起始转录起始1.转录因子转录因子 (1)能直接、间接辨认和结合转录上游区段能直接、间接辨认和结合转录上游区段DNA的蛋白质，现已发现数百种，统称为的蛋白质，现已发现数百种，统称为反式作用因子反式作用因子(trans-acting factors)。(2)反式作用因子中，直接或间接结合反式作用因子中，直接或间接结合RNA聚合酶聚合酶的，则称为的，则称为转录因子转录因子(transcriptional factors,TF)。真核生物的转录起始上游区有不同真核生物的转录起始上游区有不同DNA序列序列的的顺式作用元件顺式作用元件，转录起始时，转录起始时，RNA-pol不直接不直接结合模板结合模板，由，由转录因子转录因子识别起始部位。识别起始部位。参与参与RNA-pol转录的转录的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促进促进RNA-pol结合及作结合及作为其他因子结合的桥梁为其他因子结合的桥梁33TFB稳定稳定TFD-DNA复合物复合物12，19，35TFA辅助辅助TBP-DNA结合结合TAF*结合结合TATA盒盒TBP*38TFD功功能能亚基组成，分子量亚基组成，分子量(kD)转录因子转录因子蛋白激酶活性，使蛋白激酶活性，使 CTD*磷磷TFHATPase5734TFE解螺旋酶解螺旋酶30，74TFF促进促进RNA-pol结合及作结合及作为其他因子结合的桥梁为其他因子结合的桥梁33TFB稳定稳定TFD-DNA复合物复合物12，19，35TFA辅助辅助TBP-DNA结合结合TAF*结合结合TATA盒盒TBP*38TFD功功能能亚基组成，分子量亚基组成，分子量(kD)()*CTD(carboxyl terminal domain):RNA-pol大亚基羧基末端结构域。大亚基羧基末端结构域。*TAF(TBP associated factors):TBP辅助因子。在不同的基因转录中辅助因子。在不同的基因转录中有不同的有不同的TAF辅助。辅助。*TBP(TATA binding protein):TATA结合蛋白。结合蛋白。转录起始点转录起始点TATA盒盒CAAT盒盒GC盒盒 增强子增强子顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element)2.转录起始前的上游区段转录起始前的上游区段 AATAAA切离加尾切离加尾 转录终止点转录终止点 修饰点修饰点 外显子外显子 翻译起始点翻译起始点内内含含子子 3.转录起始前复合物转录起始前复合物(pre-initiation complex,PIC)POL-TFFABTFFHETBPTAFTFD-A-B-DNA复合物复合物TATAABTBPTAFTATAHECTD-PPOL-(二二)转录延长转录延长真核生物转录延长过程与原核生物大致相真核生物转录延长过程与原核生物大致相似，但因有核膜相隔，没有转录与翻译同步的似，但因有核膜相隔，没有转录与翻译同步的现象。现象。(三三)转录终止转录终止和转录后修饰密切相关。和转录后修饰密切相关。三、三、转录后的加工修饰转录后的加工修饰主要的修饰方式有主要的修饰方式有剪接剪接、剪切、修饰、添加剪切、修饰、添加。剪切剪切(cleavage)剪接剪接(splicing)(一一)真核生物真核生物mRNA的转录后加工的转录后加工1.5 端形成端形成 帽子结构帽子结构(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甲基鸟苷三磷酸甲基鸟苷三磷酸帽子结构帽子结构多聚多聚A尾结构尾结构OOCH2OOH+NHNNOH2NNCH3OOHH2CO-OPOOPO-OP鸟嘌呤鸟嘌呤OO-OPOOAAA-OH 3/3.mRNA的剪接的剪接真核生物结构基因，由若干个编码区和非编码真核生物结构基因，由若干个编码区和非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，称为区互相间隔开但又连续镶嵌而成，称为断裂基因断裂基因。(1)断裂基因断裂基因(splite gene)编码区编码区 A、B、D、F 非编码区非编码区 C、EA B C D E F(2)外显子外显子(exon)在断裂基因及其初级转录产物上在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟出现，并表达为成熟RNA的核酸序列。的核酸序列。(3)内含子内含子(intron)隔断基因的线性表达而在剪接隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列。过程中被除去的核酸序列。鸡卵清蛋白基因鸡卵清蛋白基因hnRNA首、尾修饰首、尾修饰hnRNA剪接剪接成熟的成熟的mRNA鸡卵清蛋白基因及其转录、转录后修饰鸡卵清蛋白基因及其转录、转录后修饰7.7kbL 1 2 3 4 5 6 7ABCDEFG47 185 51 129 118 143 156 1043转录转录GpppGAAAAAGpppGAAAAAGpppGAAAAA 内切酶内切酶tRNA核苷核苷酸转移酶、酸转移酶、连接酶连接酶ATPADPtRNA前体前体(二二)tRNA的转录后加工的转录后加工1.转录后剪切转录后剪切tRNA2.碱基修饰碱基修饰(2)还原反应还原反应 如：如：U DHU(3)核苷内的转位反应核苷内的转位反应 如：如：U (4)脱氨反应脱氨反应 如：如：A I 如：如：A Am(1)甲基化甲基化TT环环环环(1)(3)(2)(4)氨基酸氨基酸氨基酸氨基酸臂臂臂臂额外环额外环额外环额外环OHACCAGAGGGCCCCCCGCAAGCCGCUCUCGUAUCTCCGGGGGGGCAAGDDGGDDDAACAGUUAIAAGUUCCDmAACADUHDUH环环环环反密码反密码反密码反密码环环环环反密码子反密码子反密码子反密码子mm(1)(三三)rRNA的转录后加工的转录后加工转录转录45S-rRNA剪接剪接18S-rRNA5.8S和和28S-rRNADNA内含子内含子内含子内含子28S5.8S18S第三节 逆转录 逆转录逆转录酶酶一、逆转录与逆转录酶一、逆转录与逆转录酶RNA 模板模板逆转录酶逆转录酶DNA-RNA 杂化双链杂化双链RNA酶酶c cDNA逆转录酶逆转录酶双链双链DNA(一一)逆转录现逆转录现象象(Reverse Transcription)1.逆转录现象发现于逆逆转录现象发现于逆转录病毒。转录病毒。2.cDNA是指以是指以RNA为为模板，经逆转录合成模板，经逆转录合成的与的与RNA碱基序列互碱基序列互补的补的DNA链。链。二、逆转录研究的意义二、逆转录研究的意义(一一)逆转录酶和逆转录现象，是分子生物学研逆转录酶和逆转录现象，是分子生物学研究中的重大发现，发展了中心法则。究中的重大发现，发展了中心法则。(二二)逆转录现象说明至少在某些生物，逆转录现象说明至少在某些生物，RNA同同样兼有遗传信息传代与表达功能。样兼有遗传信息传代与表达功能。(三三)对逆转录病毒的研究，拓宽了对逆转录病毒的研究，拓宽了20世纪初已世纪初已注意到的病毒致癌理论。注意到的病毒致癌理论。