RNA的生物合成 PPT课件.ppt

第十三章第十三章RNA的生物合成（转录）的生物合成（转录）RNA Biosynthesis，transcription 1 1、原核生物转录的模板和酶、原核生物转录的模板和酶2 2、原核生物的转录过程、原核生物的转录过程3 3、真核生物的转录过程、真核生物的转录过程4 4、真核生物、真核生物RNARNA的加工的加工转录的概念转录的概念 转录：转录：是指在是指在RNARNA聚合酶催化下，聚合酶催化下，以以DNADNA的模板链为模板，的模板链为模板，4 4种种NTPNTP为为原料，按碱基配对规律原料，按碱基配对规律(T-A,A-(T-A,A-U,G-C)U,G-C)合成一条与模板链互补的合成一条与模板链互补的RNARNA链的过程。链的过程。参与转录的物质参与转录的物质原料原料:NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)模板模板:单链单链DNA酶酶: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转录与复制的异同点转录与复制的异同点相同之处相同之处酶促的核苷酸聚合过程酶促的核苷酸聚合过程以以DNADNA为模板为模板需依赖需依赖DNADNA的聚合酶的聚合酶形成磷酸二酯键形成磷酸二酯键延伸方向一致延伸方向一致遵从碱基配对规律遵从碱基配对规律不同之处不同之处 复制复制 转录转录模板模板 两股链均复制，两股链均复制，模板链转录（不对称转录）模板链转录（不对称转录）原料原料 dNTP ;NTP酶酶 依赖依赖DNA的的DNA聚合酶聚合酶;依赖依赖DNA的的RNA聚合酶聚合酶 兼有核酸外切酶活性兼有核酸外切酶活性 无核酸外切酶活性无核酸外切酶活性 产物产物 子代双链子代双链DNA mRNA,tRNA,rRNA （半保留复制）（半保留复制）;碱基配对碱基配对 A-T,G-C;A-U,T-A,G-C引物引物 需要需要 不需要不需要加工修饰加工修饰 不需要不需要 需要需要第一节第一节原核生物转录的模板和酶原核生物转录的模板和酶转录模板转录模板RNARNA聚合酶聚合酶RNARNA聚合酶如何启动转录聚合酶如何启动转录一、转录模板一、转录模板细胞内细胞内DNADNA不是其全长都可作为转录模板不是其全长都可作为转录模板 ，能转，能转录出录出RNARNA的的DNADNA区段，称为结构基因（区段，称为结构基因（structural structural gene)gene)。DNADNA双链中，能作为模板转录出双链中，能作为模板转录出 RNA RNA 的一条链，的一条链，称为称为模板链模板链(或反意义链或反意义链)。同一同一DNADNA双链中与模板链相对双链中与模板链相对(互补互补)的一条链称为的一条链称为编码链编码链(或有意义链或有意义链)，可见转录是不对称的，可见转录是不对称的 。模板链模板链=反意义链反意义链=负链负链 编码链编码链=有意义链有意义链=正链正链 为何称模板何称模板链为反意反意义链，编码链为有意有意义链？GCA GTA CAT GTC 3 编码链 3 c g t c a t g t a c a g 模板模板链 DNA 转录转录 GCA GUA CAU GUC 3 mRNA 翻译翻译 N 丙丙 缬 组 缬 C 肽 比较编码链和比较编码链和 RNA RNA 链的碱基序列可见，除了以代外，链的碱基序列可见，除了以代外，其余均一致。基因组序列均以编码链其余均一致。基因组序列均以编码链(正链正链)表示表示.不对称转录不对称转录不对称转录：不对称转录：是指在一个包含多个结构基是指在一个包含多个结构基因的双链因的双链DNADNA分子中，只有模板链转录，而分子中，只有模板链转录，而且各结构基因的模板链并不总是存在于一且各结构基因的模板链并不总是存在于一条链上，在某个基因中以这一条链为模板，条链上，在某个基因中以这一条链为模板，在另一个基因中则以另一条链为模板，这在另一个基因中则以另一条链为模板，这种转录现象称为不对称转录。种转录现象称为不对称转录。不不对称称转录的两方面含的两方面含义 ：5 3 3 5 模板模板链（含（含结构基因）构基因）编码链 1 1、DNA DNA 分子上的一条分子上的一条链可可转录，另一条不，另一条不转录。2 2、模板、模板链并非永并非永远在同一在同一单链上。上。特点：特点：1.1.以四种三磷酸核苷酸（以四种三磷酸核苷酸（NTPNTP）作为原料作为原料:2.2.遵循碱基配对原则遵循碱基配对原则:A-U:A-U，T-AT-A，C-GC-G；3.RNA3.RNA链的延长方向是链的延长方向是5 533的连续合成。的连续合成。3.3.不需要引物。不需要引物。4.4.缺乏缺乏3 355外切酶活性，所以没有校外切酶活性，所以没有校正功能。正功能。二、二、RNARNA聚合酶聚合酶全称为依赖全称为依赖DNA的的RNA聚合酶聚合酶(DNA-dependent RNA polymerase ,DDRP)原核生物（原核生物（E.Coli）的）的DDRP 由由 5 个亚基组成个亚基组成 2(核心酶核心酶)+因子因子 2(全酶全酶)原核生物原核生物RNA RNA 聚合酶聚合酶核心酶核心酶 (core enzyme)(core enzyme)全酶全酶(holoenzyme)四种亚基的功能分别为：四种亚基的功能分别为：亚基：亚基：决定哪些基因被转录。决定哪些基因被转录。亚基：亚基：含催化部位，起催化作用，催含催化部位，起催化作用，催化形成磷酸二酯键，与转录全过程有关。化形成磷酸二酯键，与转录全过程有关。亚基：亚基：与与DNADNA模板结合，解开双链。模板结合，解开双链。亚基：亚基：识别起始位点，结合启动子。识别起始位点，结合启动子。不同的不同的因子识别不同的启动子，从而表达因子识别不同的启动子，从而表达不同的基因。不同的基因。不同的原核生物，都具有相同的核心酶，不同的原核生物，都具有相同的核心酶，但但亚基有所差别，这决定了原核基因表达亚基有所差别，这决定了原核基因表达的选择性。的选择性。利福平或利福霉素是原核生物利福平或利福霉素是原核生物RNA-pol的特异性抑制剂，特异的特异性抑制剂，特异性结合性结合亚基。亚基。三、模板与酶的辨认、结合操纵子：操纵子：原核生物原核生物DNADNA分子中的每一个转录区段可视为一分子中的每一个转录区段可视为一个转录单位，称为操纵子。个转录单位，称为操纵子。结构上包括两个功能区：结构上包括两个功能区：结构基因、调控序列结构基因、调控序列（启动子启动子启动子启动子、操纵基因、终止辨认子和调节基因等）。其中启动子是操纵基因、终止辨认子和调节基因等）。其中启动子是RNARNA聚合酶辨认、结合模板聚合酶辨认、结合模板DNADNA的部位，也是控制转录的关的部位，也是控制转录的关键部位。键部位。模模板板链链上上每每转转录录一一个个RNA，就就要要有有一一个个特特殊的转录起始位点即殊的转录起始位点即启动子启动子。RNA 聚聚合合酶酶识识别别、结结合合并并起起始始转转录录的的一一段段 DNA 序列就叫序列就叫启动子启动子启动子启动子。起始位点的识别起始位点的识别识别正确的启动子，识别正确的启动子，启动子的结构由三部分组启动子的结构由三部分组成：成：3535区区 TTGACATTGACA提供了提供了RNARNA聚合酶全酶识别聚合酶全酶识别的信号，辨认结合后，酶向下游移动，达到的信号，辨认结合后，酶向下游移动，达到PribnowPribnow盒（盒（1010区区 TATAATTATAAT）；）；-10-10区序列是酶区序列是酶的紧密结合位点（富含的紧密结合位点（富含ATAT碱基，利于双链打开）；碱基，利于双链打开）；第三部分是第三部分是RNARNA合成的起始点合成的起始点。3 35 5+1+1转录起始点转录起始点A A C T G TA A C T G TA T A T T AA T A T T AT T G A C AT T G A C AT A T A A TT A T A A T3 35 53535序列序列 Sextama Sextama 框框 1010序列序列PribnowPribnow框框识别识别部位部位结合结合部位部位第二节：原核生物的转录过程第二节：原核生物的转录过程起始起始延长延长终止终止一、转录起始一、转录起始 1.RNA 1.RNA聚合酶准确地结合在转录模板的起始区域。聚合酶准确地结合在转录模板的起始区域。2.DNA2.DNA双链解开，其中的一条链作为转录的模板合双链解开，其中的一条链作为转录的模板合 成第一个磷酸二酯键。成第一个磷酸二酯键。转录起始复合物：转录起始复合物：启动子、全酶和第一个启动子、全酶和第一个磷酸二酯键形成的复合物称为三元起始复磷酸二酯键形成的复合物称为三元起始复合物。合物。-35-10pppG或或pppA5 55 53 33 3模板链模板链E 二、转录延长二、转录延长1.1.亚基脱落，亚基脱落，RNARNApolpol聚合酶核心酶变构，聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，沿着与模板结合松弛，沿着DNADNA模板前移；模板前移；2.2.在在核心酶核心酶作用下，作用下，NTPNTP不断聚合，不断聚合，RNARNA链链不断延长。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 RNA5 3 DNA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核糖体核糖体RNARNA聚合酶聚合酶三、转录终止分类分类依赖依赖Rho()因子的转录终止因子的转录终止非依赖非依赖Rho因子的转录终止因子的转录终止指指RNA聚合酶在聚合酶在DNA模板某一位置（终止子）上停止模板某一位置（终止子）上停止不再前进，转录产物不再前进，转录产物RNA链从转录复合物上脱落下来。链从转录复合物上脱落下来。1.1.依赖依赖 (Rho)Rho)因子的转录终止因子的转录终止因子（因子（终止因子）终止因子）为蛋白质因子，为蛋白质因子，有有ATPATP酶活性和解螺旋酶活性，能与新酶活性和解螺旋酶活性，能与新合成的合成的RNARNA结合并使结合并使RNARNA链解离释放链解离释放。依赖依赖 因子的转录终止因子的转录终止A T P2.2.非依赖非依赖 RhoRho因子的转录终止因子的转录终止DNADNA模板上靠近终止子模板上靠近终止子，有些，有些特殊特殊的碱基序列的碱基序列，转录出，转录出RNARNA后，后，RNARNA产物形产物形成特殊的结构来终止转录。成特殊的结构来终止转录。共同的特点共同的特点:1.1.有一段富含有一段富含GCGC的反向重复序列的反向重复序列(回文序列回文序列););2.2.其后还跟随一段富含其后还跟随一段富含A A的序列的序列;茎环结构使转录终止的机理茎环结构使转录终止的机理l使使RNARNA聚合酶变构，转录停顿；聚合酶变构，转录停顿；l RNA-DNARNA-DNA杂化双链不稳定：杂化双链不稳定：DNADNA复性，复性，RNARNA自身形成双链；自身形成双链；RNA3RNA3端，连续多个不稳定的端，连续多个不稳定的U U与与A A 碱基配对，加速碱基配对，加速 转录复合体解体转录复合体解体。5pppG5 3 3 5 RNA-pol转录过程程 第三节第三节真核生物转录过程真核生物转录过程起始起始延伸延伸终止终止真核生物真核生物RNARNA聚合聚合酶 种种类 存在部位存在部位 转录产物物 对鹅膏蕈碱的敏感性膏蕈碱的敏感性 RNA聚合聚合酶 核仁核仁 45S rRNA 不敏感不敏感 RNA聚合聚合酶 核核质 hnRNA 极敏感极敏感 RNA聚合聚合酶 核核质 tRNA、5S-rRNA和和snRNA 中度敏感中度敏感 注：注：DDRPDDRP无无3 3 5 5/5/5 3 3外切酶活性外切酶活性原、真核生物原、真核生物RNARNA聚合酶间的比较聚合酶间的比较放线菌素放线菌素D D利福平利福平鹅膏蕈碱鹅膏蕈碱原核原核抑制抑制抑制抑制不抑制不抑制真核真核抑制抑制不抑制不抑制抑制抑制RNARNA聚合酶聚合酶转录起始转录起始 （一）转录起始前的上游区段（一）转录起始前的上游区段 包括转录起始点及其上游约包括转录起始点及其上游约100100200bp200bp序列，序列，由若干具有独立功能的由若干具有独立功能的DNADNA序列元件（序列元件（顺式顺式作用元件作用元件）构成，每个元件约长）构成，每个元件约长7 730bp30bp。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)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 OCT-1 OCT-1：ATTTGCAT八聚体八聚体顺式作用元件顺式作用元件顺式作用元件：顺式作用元件：是指存在于真核生物是指存在于真核生物DNADNA分分子上的，能影响自身基因表达活性的子上的，能影响自身基因表达活性的DNADNA序序列列。（二）转录因子（二）转录因子 能直接或间接辨认和结合转录上游区段能直接或间接辨认和结合转录上游区段DNADNA的的蛋白质蛋白质，通称为，通称为反式作用因子反式作用因子（trans-trans-acting factors)acting factors)。其中能直接或间接结合其中能直接或间接结合RNARNA聚合酶的称为聚合酶的称为转转录因子录因子（transcriptional factors,TF)transcriptional factors,TF)，又称为通用转录因子或基本转录因子又称为通用转录因子或基本转录因子。分类：分类：TFTF、TFTF、TFTF参与参与RNARNApol pol 转录的转录的TFTF转录因子转录因子亚基组成亚基组成功能功能TF-DTF-DTBP/TAFTBP/TAF结合结合TATATATA盒盒TF-ATF-A稳定稳定TF-DTF-DDNADNA复合物复合物TF-BTF-B促进促进RNA-polRNA-pol结合及作为其他因结合及作为其他因子结合的桥梁子结合的桥梁TF-FTF-F解螺旋酶解螺旋酶TF-ETF-EATPaseATPaseTF-HTF-H蛋白激酶活性蛋白激酶活性（三）（三）转录起始前复合物转录起始前复合物(pre-initiation complex,PIC)(pre-initiation complex,PIC)真核生物真核生物RNA-polRNA-pol不与不与DNADNA分子直接分子直接结合，而需依靠众多的转录因子。结合，而需依靠众多的转录因子。POL-TFFAB由由RNA-Pol 催化转录的催化转录的PIC POL-TFFHETBPTAFTFD-A-B-DNA复合物复合物TATAABTBPTAFTATAHECTD-PPIC组装完成，组装完成，TFH使使CTD磷酸化磷酸化转录延长转录延长 真核生物转录延长过程与原核生物大致相似，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现象。但因有核膜相隔，没有转录与翻译同步的现象。核小体移位与解聚核小体移位与解聚RNA-pol前移处处都遇上核小体。前移处处都遇上核小体。RNA-PolRNA-PolRNA-Pol核小体核小体转转录录延延长长中中的的核核小小体体移移位位转录方向转录方向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。真核转录的真核转录的转录终止序列，在编码链末端有共同转录终止序列，在编码链末端有共同序列序列AATAAAAATAAA及多个及多个GTGT序列，合成的序列，合成的mRNAmRNA在转录终在转录终止序列处被切断。止序列处被切断。5-AAUAAA-5 -AAUAAA-核酸酶核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAA GTGTGTG转录终止的修饰点转录终止的修饰点5 5 3 3 3 3 加尾加尾AAAAAAA 3 mRNAAATAAAAATAAAGTGTGTGGTGTGTG-AAUAAAAAUAAAGUGUGUGGUGUGUGAAUAAAAAUAAAGUGUGUGGUGUGUG酶切酶切加尾信号加尾信号GT丰富序列AATAAAAATAAAGTGTGTGGTGTGTG-AAUAAAAAUAAAGUGUGUGGUGUGUG酶切酶切(继续转录，但继续转录，但5 5端没有端没有“帽子帽子”，产物被降解），产物被降解）加尾加尾第四节：真核生物第四节：真核生物RNARNA的加工的加工意义：意义：转录生成的前体转录生成的前体RNA,RNA,无生物学活性无生物学活性,需加需加工变为成熟、有活性的工变为成熟、有活性的RNA RNA 加工种类：加工种类：剪切与剪接、末端添加核苷酸、修饰、剪切与剪接、末端添加核苷酸、修饰、RNARNA编辑编辑转录后的加工转录后的加工原核原核RNARNA不需加工，边转录边翻译不需加工，边转录边翻译真核真核RNARNA需加工需加工rRNArRNAtRNAtRNAmRNAmRNA5 5加加帽帽3 3加加尾尾 剪接剪接在转录过程中在转录过程中转录后进行转录后进行一、一、mRNAmRNA的加工、修饰的加工、修饰加帽加帽加尾加尾剪接剪接编辑编辑加帽：加帽：在真核生物在真核生物mRNAmRNA的的5 5末端形成末端形成7 7甲基鸟苷三磷酸的帽子结构。该结构甲基鸟苷三磷酸的帽子结构。该结构可以保护可以保护mRNAmRNA免遭核酸酶的攻击。免遭核酸酶的攻击。加尾：加尾：是在转录终止过程中完成，在是在转录终止过程中完成，在mRNAmRNA的的3 3末端形成末端形成polpolA A的尾巴。的尾巴。5 5加帽加帽(m7GpppGp(m7GpppGp)ppippi5 5pppGpppG磷酸酶磷酸酶pipi5 5ppGppGpppGpppG5 5GppGppp pG G甲基化酶甲基化酶CH3m mGpGpp ppGpGOHOH帽1帽0帽2NNNNOH2NCH3+OHHCH2HOP OPO P OPPPN1N2N3OOHOOHOOHOCH3OCH32OH79H7-7-甲基鸟苷甲基鸟苷5 5，5 5-三磷酸三磷酸3加尾加尾(poly A tail)AAUAAAAAAAAAAAA.加尾加尾AATAAAGTGTGTG-AAUAAAGUGUGUGAAUAAAGUGUGUG酶切酶切转录的终止转录的终止加尾信号加尾信号GCGC丰富序列丰富序列polyApolyA尾（约尾（约2020200200个个A A）A AA AA AA AA AA AmRNAmRNA前体的剪接前体的剪接 1.hnRNA 1.hnRNA 和和 snRNAsnRNA 核内的初级核内的初级mRNAmRNA称为杂化核称为杂化核RNA(hetero-RNA(hetero-nuclear RNA,hnRNA)nuclear RNA,hnRNA)2.2.断裂基因断裂基因(splite gene)(splite gene)真核生物结构基因，由若干个编码区和非编码区真核生物结构基因，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，去除非编码区再互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成的完整蛋白连接后，可翻译出由连续氨基酸组成的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。质，这些基因称为断裂基因。CABD编码区编码区 A、B、C、D非编码区非编码区3.3.外显子外显子(exon)(exon)和内含子和内含子(intron)(intron)外显子外显子 在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟为成熟RNARNA的核酸序列。的核酸序列。内含子内含子 隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列。核酸序列。剪接剪接:是指是指hnRNAhnRNA被剪接体作用，剪除被剪接体作用，剪除内含子、连接外显子，产生成熟内含子、连接外显子，产生成熟mRNAmRNA的过程。的过程。外显子外显子内含子内含子DNADNAmRNAmRNA转录转录形成套索形成套索RNARNA，外显子靠近，外显子靠近剪接体剪接体去除套索去除套索RNARNA，外显子连接，外显子连接成熟成熟mRNAmRNAmRNAmRNA的剪接的剪接mRNAmRNA的编辑的编辑人类人类apo B基因基因 mRNA（14500个核苷酸）个核苷酸）肝脏肝脏 apo B100（分子量为（分子量为500 000）肠道细胞肠道细胞 apo B48（分子量为（分子量为240 000）mRNA编辑编辑RNARNA编辑的生物学意义编辑的生物学意义扩充了遗传信息，扩充了遗传信息，增加了基因产物的多样性，增加了基因产物的多样性，有利于进化；有利于进化；与生物发育与分化有关，是基因调控的一种重与生物发育与分化有关，是基因调控的一种重要方式；要方式；通过构建或去除起始密码子或终止密码子，调通过构建或去除起始密码子或终止密码子，调控翻译。控翻译。二、二、tRNAtRNA的转录后加工的转录后加工 （一）剪接和剪切（一）剪接和剪切 （二）（二）3 3端添加端添加CCA CCA（三）化学修饰（三）化学修饰 RNAaseP、内切酶内切酶（一）剪接和剪切（一）剪接和剪切（二）化学修饰（二）化学修饰（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（1 1）（1 1）（3 3）（2 2）（4 4）tRNAtRNA的加工的加工内含子编码区内含子编码区内切核酸酶内切核酸酶外切核酸酶外切核酸酶P P P53-OH-OH 3 3DNADNA内含子内含子初级转录物初级转录物3 3 端加端加CCA-OHCCA-OH3P 除去内含子除去内含子（内切酶与连接酶（内切酶与连接酶）CCA-OHCCA-OH 3成熟成熟 tRNAtRNA5CCA-OHCCA-OH内含子内含子5 5和和3 3端的酶切端的酶切3 3加上加上CCACCA去掉内含子去掉内含子特异部位碱基的加工特异部位碱基的加工三、三、rRNArRNA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-rRNArDNA内含子内含子内含子内含子28S5.8S18S基因间隔基因间隔核糖体核糖体RNARNA18S18S5.8S 28S5.8S 28S45S rRNA45S rRNA前体前体酶切酶切32S rRNA32S rRNA前体前体前前rRNA 20SrRNA 20S酶切酶切28SrRNA28SrRNA5.8SrRNA5.8SrRNA18SrRNA18SrRNA