Chapter 11 RNA生物合成(1)-精品文档资料整理.ppt

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1、RNA Biosynthesis(Transcription)RNA 生物合成生物合成(转录转录)第第 十十 一一 章章生物化学生物化学 Biochemistry转录（转录（transcription）生物体以生物体以DNADNA为模板按照碱基配对原则合为模板按照碱基配对原则合成成RNARNA的过程的过程 。转录转录RNADNA 生物化学生物化学 Biochemistry转录与复制的相似点：转录与复制的相似点：1.1.模板均为模板均为DNADNA；2.2.延长机理都是形成磷酸二酯键；延长机理都是形成磷酸二酯键；3.3.方向均为方向均为5 533；4.4.遵循碱基配对原则；遵循碱基配对原则；5.

2、5.聚合酶的活性依赖于聚合酶的活性依赖于DNADNA。生物化学生物化学 Biochemistry 转录和复制的区别转录和复制的区别复制复制转录转录模板模板DNA双双链链DNA的的一条一条链链原料原料dNTP(N=A、G、C、T)NTP(N=A、G、C、U)引物引物需要需要不不需要需要酶酶DNA聚合酶聚合酶RNA聚合酶聚合酶产物产物DNARNA配对配对A-T、G-CA-U、T-A、G-C生物化学生物化学 Biochemistry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:DNA酶酶:RNA聚合酶（聚合酶（RNA polymerase,RNA-pol）其

3、他蛋白质因子其他蛋白质因子生物化学生物化学 Biochemistry 一、一、转录的模板和酶转录的模板和酶Templates of Transcription and Enzymes生物化学生物化学 Biochemistry（一）转录的概念（一）转录的概念转录是以转录是以DNADNA为模板为模板，在，在RNARNA聚合酶聚合酶的催化的催化下按下按碱基配对原则合成碱基配对原则合成RNARNA的过程。的过程。（二）转录的模板（二）转录的模板 体内体内DNADNA的两条链中的两条链中仅有一条链可以作为模板仅有一条链可以作为模板进行转录；进行转录；或者某些区段以一条链为模板，而另一区段以另一条链或者某

4、些区段以一条链为模板，而另一区段以另一条链为模板。为模板。模板链并非永远在同一单链上模板链并非永远在同一单链上。转录仅以转录仅以DNADNA一条链的某一区段为模板，这种转录方式一条链的某一区段为模板，这种转录方式称为不对称转录称为不对称转录(asymmetric transcription)(asymmetric transcription)。双链双链DNADNA分子中能分子中能作为模板转录出作为模板转录出RNARNA的那条链，称为的那条链，称为模板链（模板链（template strandtemplate strand）、无意义链、负链）、无意义链、负链或或CrickCrick链。链。另一条

5、另一条互补链称为编码链（互补链称为编码链（coding strandcoding strand）、有意义）、有意义链、正链链、正链或或WatsonWatson链。链。生物化学生物化学 Biochemistry生物化学生物化学 Biochemistry 转录产物转录产物RNARNA的碱基序列，除了的碱基序列，除了T T变变U U 外，其余与编码链相同。外，其余与编码链相同。二、二、RNA聚合酶（聚合酶（DDRP）1.原核生物的原核生物的RNA聚合酶聚合酶E.coliE.coli的的RNARNA聚合酶是由五种亚基聚合酶是由五种亚基组成的六聚体（组成的六聚体（2 2 ）生物化学生物化学 Bioche

6、mistry E.coli RNA聚合酶组分聚合酶组分亚基亚基分子量分子量功功 能能 3651236512决定哪些基因被转录决定哪些基因被转录 150618150618催化磷酸二酯键形成催化磷酸二酯键形成 155613155613结合结合DNADNA模板模板 70263702631100011000辨认起始点辨认起始点未知未知RNA聚合酶全酶及核心酶电泳图谱聚合酶全酶及核心酶电泳图谱 生物化学生物化学 Biochemistry 其他原核生物的其他原核生物的RNARNA聚合酶，在结构、聚合酶，在结构、组成、功能上均与组成、功能上均与E.coliE.coli相似。相似。原核生物的原核生物的RNAR

7、NA聚合酶都受一类抗结聚合酶都受一类抗结核药核药利福平利福平或或利福霉素利福霉素的特异性抑制。这的特异性抑制。这类药物能与类药物能与RNARNA聚合酶的聚合酶的 亚基特异结合，亚基特异结合，从而影响酶的活性。从而影响酶的活性。应用：农杆菌转化烟草后，以应用：农杆菌转化烟草后，以利福平利福平作为抗生素作为抗生素抑制农抑制农杆菌的生长杆菌的生长2.2.真核生物的真核生物的RNARNA聚合酶（聚合酶（3 3种）种）种类种类IIIIII转录产物转录产物rRNA前体前体hnRNA（mRNA前前体）体）5S rRNAtRNA,snRNA对对-鹅膏蕈鹅膏蕈碱碱的反应的反应不敏感不敏感极敏感极敏感中度敏感中度

8、敏感生物化学生物化学 Biochemistry 二、转录过程二、转录过程The Process of Transcription生物化学生物化学 Biochemistry 分为三个阶段：分为三个阶段：起始起始(initiation)(initiation)延长延长(elongation)(elongation)终止终止(termination)(termination)生物化学生物化学 Biochemistry2.DNA2.DNA双链解开。双链解开。1.RNA1.RNA聚合酶全酶聚合酶全酶与模板结合。与模板结合。3.3.在在RNARNA聚合酶作用下发生第一次聚合反应，聚合酶作用下发生第一次聚合

9、反应，形成转录起始复合物。形成转录起始复合物。5-pppG-OH +NTP 5-pppGpN-OH 3 +PPi转录起始过程转录起始过程生物化学生物化学 Biochemistry（一）原核生物的转录过程（一）原核生物的转录过程1.转录起始转录起始RNARNA聚合酶结合在转录模板的起始区域。聚合酶结合在转录模板的起始区域。DNADNA双链解开，以一条链为模板，合成第双链解开，以一条链为模板，合成第一个磷酸二酯键。一个磷酸二酯键。生物化学生物化学 Biochemistry 酶与模板的辨认结合酶与模板的辨认结合 原核生物一个转录区段可视为一个转录单位，原核生物一个转录区段可视为一个转录单位，称为称为

10、操纵子操纵子(operon)(operon)，包括若干个，包括若干个结构基因结构基因及其及其上游上游(upstream)(upstream)的的调控序列调控序列。RNARNA聚合酶结合模板聚合酶结合模板DNADNA的部位称为的部位称为启动子启动子(promoter)(promoter)。是调控转录的关键部位。是调控转录的关键部位。结构基因结构基因(structure gene)(structure gene)：DNADNADNADNA分子中能编码蛋白质的基因。分子中能编码蛋白质的基因。分子中能编码蛋白质的基因。分子中能编码蛋白质的基因。定义：将定义：将mRNAmRNA开始转录的第一个核苷酸定为

11、起点（开始转录的第一个核苷酸定为起点（+1+1），由，由此向转录延长的方向为下游，其核苷酸以此向转录延长的方向为下游，其核苷酸以+XX+XX表示，起始点表示，起始点左侧为上游，核苷酸以左侧为上游，核苷酸以-XX-XX表示。表示。生物化学生物化学 Biochemistry原核生物启动子原核生物启动子3535区：区：一致性序列为一致性序列为TTGACATTGACA 与聚合酶与聚合酶（sigma）亚基结合）亚基结合 是是RNA-polRNA-pol的的辨认位点辨认位点1010区：区：一致性序列为一致性序列为TATAATTATAAT 又叫又叫PribnowPribnow盒（盒（TATA boxTATA

12、 box）与聚合酶与聚合酶亚基形成酶亚基形成酶-DNA-DNA复合物复合物 是是RNA-polRNA-pol的的结合位点结合位点生物化学生物化学 Biochemistry开始转录开始转录T T G A C AA A C T G T-35 区区T A T A A T Pu A T A T T A Py-10 区区1-30-5010-10-40-205 3 3 5 原核生物启动子保守序列原核生物启动子保守序列5 5 RNA聚合酶结合区聚合酶结合区结构基因结构基因3 3 不同基因的启动子区域：不同基因的启动子区域：生物化学生物化学 BiochemistryRNA聚合酶全酶在转录起始区的结合聚合酶全酶

13、在转录起始区的结合 RNApol(2)-DNA-pppGpN-OH 3 转录起始复合物转录起始复合物转录起始动画：转录起始动画：生物化学生物化学 Biochemistry2.转录延长转录延长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生物化学生物化学 Biochemistry转录泡转录泡（transcription bubb

14、le）：在转录延长过程中，由局部打开的在转录延长过程中，由局部打开的DNADNA双链双链、RNARNA聚合酶核心酶聚合酶核心酶及新生成的及新生成的RNARNA三三者结合在一起的复合体，为空泡状结构，者结合在一起的复合体，为空泡状结构，又称转录复合物。又称转录复合物。生物化学生物化学 Biochemistry转录泡转录泡 核心酶（核心酶（2）延长）延长RNA链链 生物化学生物化学 Biochemistry转录的起始及延长过程转录的起始及延长过程 生物化学生物化学 Biochemistry 3.转录终止转录终止RNARNA聚合酶在聚合酶在DNADNA模板上停顿下来，转模板上停顿下来，转录产物录产物

15、RNARNA链从转录复合物上脱落下来。链从转录复合物上脱落下来。分类：分类：非依赖非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 1.不依赖不依赖因子的转录终止因子的转录终止 DNADNA模板上靠近终止处，有特殊的碱基序列模板上靠近终止处，有特殊的碱基序列(富含富含GCGC的反向重复序列的反向重复序列)，转录出，转录出RNARNA后，后，RNARNA产产物形成特殊的结构（物形成特殊的结构（发夹结构发夹结构）来终止转录。）来终止转录。发夹结构终止转录的机理发夹结构终止转录的机理 使使RNARNA聚合酶变构，聚合酶变构，转录停顿转录停顿；使转录复合物趋于解离，使转录复合物趋

16、于解离，RNARNA产物释放产物释放。富含富含GCGC的反向重复序列的反向重复序列生物化学生物化学 Biochemistry 2.依赖依赖因子的转录终止因子的转录终止 因子是强碱性六聚体蛋白；因子是强碱性六聚体蛋白；因子能因子能结合结合RNARNA，改变改变RNARNA聚合酶构象聚合酶构象，停止前移，使停止前移，使转录终止转录终止；因子还有因子还有ATPATP酶和酶和解螺旋酶解螺旋酶的活性，使的活性，使DNA-RNADNA-RNA杂化双链解链，新转录成的杂化双链解链，新转录成的RNARNA释放释放。原核生物转录过程原核生物转录过程起起始始延长延长终止终止生物化学生物化学 Biochemistr

17、y（二）真核生物的转录过程（二）真核生物的转录过程1.转录起始转录起始真真核核生生物物的的转转录录起起始始上上游游区区段段比比原原核核生生物物多多样样化化，转转录录起起始始时时，RNA-polRNA-pol不不直直接接结合模板，其起始过程比原核生物复杂。结合模板，其起始过程比原核生物复杂。生物化学生物化学 Biochemistry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)（1 1）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

18、起始点翻译起始点内内含含子子 OCT-1 OCT-1：ATTTGCAT八聚体八聚体生物化学生物化学 Biochemistry顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element)(cis-acting element)：是是同一同一DNADNA分子分子中具有中具有转录调节功能转录调节功能的特异的特异DNADNA序列序列。按功能特性，真。按功能特性，真核基因顺式作用元件包括核基因顺式作用元件包括启动子启动子、增强子增强子及及沉默子沉默子等。等。反式作用因子反式作用因子(trans-acting factor)(trans-acting factor)：是指能直接或是指能直接或间接地间接

19、地识别或结合在各类顺式作用元件核心序列识别或结合在各类顺式作用元件核心序列上上参参与调控靶基因转录效率的与调控靶基因转录效率的蛋白质蛋白质。反式作用因子由另。反式作用因子由另一基因表达后，可与靶基因特异的顺式作用元件相互一基因表达后，可与靶基因特异的顺式作用元件相互作用，从而激活靶基因的转录。这种调节蛋白称反式作用，从而激活靶基因的转录。这种调节蛋白称反式作用因子。作用因子。生物化学生物化学 Biochemistry反式反式作用因子作用因子生物化学生物化学 Biochemistry（2）转录因子转录因子 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RNARNA聚合酶的，则称为聚

20、合酶的，则称为转录因子转录因子(trans-(trans-criptional factors,TF)criptional factors,TF)。生物化学生物化学 Biochemistry参与参与RNA-pol 转录的转录的TF 转录因子转录因子亚基和亚基和(或或)分子分子量（量（kDa）功能功能TFDTBP，38结合结合TATA盒盒TAF辅助辅助TBP-DNA结合结合TFA12，19，35稳定稳定D-DNA复合物复合物TFB33促进促进RNA-pol结合结合TFF30，74解螺旋酶解螺旋酶TFE57()，34()ATPaseTFH蛋白激酶，使蛋白激酶，使CTD磷酸化磷酸化生物化学生物化学

21、Biochemistry（3）转录起始前复合物转录起始前复合物(pre-initiation complex,PIC)真核生物真核生物RNA-polRNA-pol不与不与DNADNA分子直接结分子直接结合，而需依靠众多的转录因子。合，而需依靠众多的转录因子。生物化学生物化学 Biochemistry拼板理论拼板理论(piecing theory)一个真核生物基因的转录需要一个真核生物基因的转录需要3 3至至5 5个个转录因子。转录因子之间互相结合，生成转录因子。转录因子之间互相结合，生成有活性和专一性的复合物，再与有活性和专一性的复合物，再与RNARNA聚合聚合酶搭配而有针对性地结合、转录相应

22、的基酶搭配而有针对性地结合、转录相应的基因。因。生物化学生物化学 BiochemistryTBP TAFTF II H生物化学生物化学 Biochemistry2.2.真核转录延长真核转录延长真核生物转录延长过程与原核生物大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，没有转录与翻致相似，但因有核膜相隔，没有转录与翻译同步的现象。译同步的现象。RNA-polRNA-pol前移处处都遇上核小体。前移处处都遇上核小体。转录延长过程中可以观察到核小体移转录延长过程中可以观察到核小体移位和解聚现象。位和解聚现象。RNA-PolRNA-PolRNA-Pol核小体核小体转转录录延延长长中中的的核

23、核小小体体移移位位转录方向转录方向3.3.真核转录终止真核转录终止（专一终止的核酸内切酶专一终止的核酸内切酶）（终止信号终止信号）生物化学生物化学 Biochemistry（三）（三）RNARNA的复制的复制RNA病毒的遗传基因有病毒的遗传基因有（+）RNA（）RNA（）RNA1.概念：以概念：以RNA为模板合成为模板合成RNA 的过程。的过程。2.复制方式：见表复制方式：见表10-6总是以总是以RNA（+）为模板合成蛋白质。为模板合成蛋白质。三、转录调控（自学）三、转录调控（自学）（一）原核生物的转录调控（一）原核生物的转录调控l 操纵子操纵子（operonoperon）（二）真核生物的转录

24、调控（二）真核生物的转录调控l 顺式作用元件顺式作用元件：启动子（：启动子（promoterpromoter）、）、增强子（增强子（enhancerenhancer）、沉默子）、沉默子（silencersilencer）l 反式作用因子反式作用因子：DNADNA结合结构域结合结构域生物化学生物化学 Biochemistry 四、转录产物的修饰四、转录产物的修饰 最初转录生成的最初转录生成的RNARNA一般是不成熟的，需要经一般是不成熟的，需要经过一系列的加工（断裂、拼接和修饰）才能变成过一系列的加工（断裂、拼接和修饰）才能变成成熟的成熟的RNARNA。原核生物和真核生物原核生物和真核生物的的t

25、RNAtRNA和和rRNArRNA转录后的加转录后的加工方式基本相同，但工方式基本相同，但mRNAmRNA转录后的加工存在很大转录后的加工存在很大的差别的差别。生物化学生物化学 Biochemistry（一）（一）mRNA的转录后加工的转录后加工 原核生物的原核生物的mRNAmRNA大多不需要加工，直接大多不需要加工，直接翻译成蛋白质，且翻译成蛋白质，且边转录边翻译边转录边翻译。真核生物真核生物mRNAmRNA转录的初产物是转录的初产物是hnRNAhnRNA（核（核不均一不均一RNARNA），），需要经过加工生成成熟的需要经过加工生成成熟的mRNAmRNA，包括：，包括：5 5端加帽、端加帽、

26、3 3端加尾、端加尾、mRNAmRNA剪接以及甲基化剪接以及甲基化。生物化学生物化学 Biochemistry 1.5-端加帽端加帽：m7GpppG生物化学生物化学 Biochemistry加帽过程加帽过程生物化学生物化学 Biochemistry2.3-端加尾端加尾：多聚腺苷酸多聚腺苷酸(poly A)生物化学生物化学 Biochemistry 除去除去hnRNA中的内含子，将外显子中的内含子，将外显子连接。连接。3.mRNA的剪接的剪接生物化学生物化学 Biochemistry真核生物结构基因，由若干个编码区和非真核生物结构基因，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

27、码区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编码区再连接后，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。的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。断裂基因断裂基因(splite gene)非编码区非编码区 AG编码区编码区17生物化学生物化学 Biochemistry外显子外显子(exon)和内含子和内含子(intron)外显子外显子在断裂基因及其初级转录产物上出在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟现，并表达为成熟mRNAmRNA的核酸序列。的核酸序列。内含子内含子断裂基因的线性表达而在剪接过程断裂基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序

28、列。中被除去的核酸序列。生物化学生物化学 Biochemistry Unit of transcription in a DNA strandTranscript modification35鸡卵清蛋白鸡卵清蛋白基因基因hnRNA首、尾修饰首、尾修饰hnRNA剪接剪接成熟的成熟的mRNA鸡鸡卵卵清清蛋蛋白白基基因因及及其其转转录录、转转录录后后修修饰饰生物化学生物化学 Biochemistry4.甲基化 在在mRNAmRNA分子内部有少量的分子内部有少量的A A存在甲基化存在甲基化，而在而在mRNAmRNA前体中不存在这样的结构，需要由前体中不存在这样的结构，需要由甲基化酶催化甲基化酶催化加工

29、生成。加工生成。(二二)tRNA的转录后加工的转录后加工tRNA前体前体TGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNA生物化学生物化学 BiochemistryRNaseP内切酶内切酶RNaseD外切酶外切酶连接酶连接酶生物化学生物化学 BiochemistrytRNA核苷酸核苷酸转移酶转移酶生物化学生物化学 Biochemistry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（1 1）（1 1）（3 3）（2 2）（4 4）生物化学生物化学 Bio

30、chemistry(三三)rRNA的转录后加工的转录后加工转录转录剪接剪接18S-rRNArDNA间隔区间隔区间隔区间隔区28S5.8S18S45S-rRNA5.8S和和28S-rRNA生物化学生物化学 Biochemistry生物化学生物化学 Biochemistry 复习题：复习题：1.概念概念（1）转录）转录（2）不对称转录）不对称转录（3）结构基因）结构基因（4）核心酶）核心酶（5）外显子）外显子（6）内含子）内含子（7）模板链）模板链（8）启动子）启动子（9）核酶）核酶（10）Pribnow盒盒生物化学生物化学 Biochemistry 2.2.简述转录过程和复制过程的不同点。简述转录过程和复制过程的不同点。3.RNA3.RNA聚合酶与聚合酶与DNADNA聚合酶作用的异同点。聚合酶作用的异同点。4.4.试述原核生物启动子的结构特点及功能。试述原核生物启动子的结构特点及功能。5.5.简述真核生物与原核生物转录的不同点。简述真核生物与原核生物转录的不同点。6.6.原核生物与真核生物的转录终止有何不原核生物与真核生物的转录终止有何不 同？同？7.7.简述转录起始阶段的几个反应。简述转录起始阶段的几个反应。