第六讲的转录与转录后加工课件.ppt

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1、第六讲的转录与转录后加工第1页，此课件共41页哦RNARNA转录概述转录概述 以以DNA为模板合成为模板合成RNA的过程称为转录。转录以的过程称为转录。转录以DNA的一条链作为模板合成的一条链作为模板合成RNA分子，合成以碱基配对的方分子，合成以碱基配对的方式进行，产生的式进行，产生的RNA链与链与DNA模板链互补。模板链互补。转录转录也是一种酶促的核苷酸聚合过程，所需的酶叫做也是一种酶促的核苷酸聚合过程，所需的酶叫做DNA指导的指导的RNA聚合酶。聚合酶。第2页，此课件共41页哦RNARNA转录的特点转录的特点 以以DNA双链的反义链为模板双链的反义链为模板 以以4种三磷酸核苷种三磷酸核苷(

2、NTPs)为底物为底物 遵循碱基互补配对原则遵循碱基互补配对原则 RNA链从链从53连续合成连续合成 转录过程需要转录过程需要Mn2+或或Mg2+转录过程不需要引物转录过程不需要引物 RNA聚合酶缺乏聚合酶缺乏35外切酶活性外切酶活性 第3页，此课件共41页哦RNARNA转录的基本过程转录的基本过程u 模板识别模板识别 RNA聚合酶与启动子聚合酶与启动子DNA双链相互作用并与之相结合的过程。双链相互作用并与之相结合的过程。u 转录起始转录起始 RNA聚合酶的结合导致启动子附近的聚合酶的结合导致启动子附近的DNA双链解旋并解链，形成转双链解旋并解链，形成转录泡，促使录泡，促使RNA链第一个核苷酸

3、键产生。链第一个核苷酸键产生。u 转录延伸转录延伸 RNA聚合酶沿模板聚合酶沿模板DNA链移动并使新生链移动并使新生RNA不断伸长。不断伸长。u 转录终止转录终止 RNA链延伸到转录终止位点时，转录进入终止过程。链延伸到转录终止位点时，转录进入终止过程。第4页，此课件共41页哦RNARNA聚合酶聚合酶u 大肠杆菌大肠杆菌RNA聚合酶聚合酶亚基亚基基因基因相对分子量相对分子量亚基数亚基数组分组分功能功能 rpoA 3.65104 2核心酶核心酶核心酶组装，启动子核心酶组装，启动子识别识别 rpoB 1.51105 1核心酶核心酶和和共同形成共同形成RNA合合成的活性中心成的活性中心 rpoC 1

4、.55105 1核心酶核心酶?11104 1核心酶核心酶未知未知 rpoD 7.0104 1因子因子存在多种存在多种因子，用因子，用于识别不同的启动子于识别不同的启动子第5页，此课件共41页哦 因子的作用是负责模板链的因子的作用是负责模板链的选择和转录的起始选择和转录的起始,它是酶的别构它是酶的别构效应物，使酶专一性识别模板上效应物，使酶专一性识别模板上的启动子。的启动子。在某些细菌细胞内含有能在某些细菌细胞内含有能识别不同启动子的识别不同启动子的因子，以因子，以适应不同生长发育阶段的要求，适应不同生长发育阶段的要求，调控不同基因转录的起始。调控不同基因转录的起始。大肠杆菌大肠杆菌RNA聚合酶

5、聚合酶第6页，此课件共41页哦第7页，此课件共41页哦RNARNA聚合酶的结构聚合酶的结构 在电镜下观察RNA聚合酶，其外形犹如右手，拇指与食指间的凹槽正好结合DNA。RNA聚合酶很大，它与DNA结合，其覆盖DNA的范围大约是40bp。第8页，此课件共41页哦RNARNA聚合酶聚合酶u 真核生物的真核生物的RNA聚合酶聚合酶酶的种类酶的种类分布分布转录产物转录产物对对-鹅膏蕈鹅膏蕈碱的敏感性碱的敏感性相对活性相对活性RNARNA聚合酶聚合酶核仁核仁45S rRNA45S rRNA不敏感不敏感50-70%50-70%RNARNA聚合酶聚合酶核质核质hnRNAhnRNA敏感敏感20-40%20-4

6、0%RNARNA聚合酶聚合酶核质核质tRNA,5S rRNA,tRNA,5S rRNA,snRNAsnRNA存在物种特存在物种特异性异性约约10%10%线粒体线粒体RNARNA聚聚合酶合酶线粒体线粒体线粒体线粒体RNARNA不敏感不敏感叶绿体叶绿体RNARNA聚聚合酶合酶叶绿体叶绿体叶绿体叶绿体RNARNA不敏感不敏感第9页，此课件共41页哦启动子与转录起始启动子与转录起始u RNA的转录单元的转录单元 启动子启动子是指为是指为RNA聚合酶提供识别、结合位点并起始转录的聚合酶提供识别、结合位点并起始转录的DNA序列。序列。为转录提供终止信号的为转录提供终止信号的DNA序列称为序列称为终止子终止

7、子。转录单元转录单元是一段从启动是一段从启动子开始至终止子结束的子开始至终止子结束的DNA序列。序列。转录起始位点转录起始位点是指与新生是指与新生RNA链第链第一个核苷酸相对应的一个核苷酸相对应的DNA链上的碱基，通常为一个嘌呤。链上的碱基，通常为一个嘌呤。第10页，此课件共41页哦启动子的结构启动子的结构u 大肠杆菌启动子的结构大肠杆菌启动子的结构u 真核生物启动子的结构真核生物启动子的结构第11页，此课件共41页哦原核生物启动子的共同点原核生物启动子的共同点u 结构典型结构典型u 序列保守序列保守u 位置和距离都比较恒定位置和距离都比较恒定u 直接和多聚酶相结合直接和多聚酶相结合u 常与操

8、纵子相邻常与操纵子相邻u 都在其控制基因的都在其控制基因的5端端u 决定转录的启动和方向决定转录的启动和方向第12页，此课件共41页哦启动子与转录起始启动子与转录起始u 启动子的识别启动子的识别 一般认为，一般认为，RNA聚合酶并不直接识别碱基对本身，而是通过氢键互聚合酶并不直接识别碱基对本身，而是通过氢键互补的方式加以识别。这也表明，启动子功能既受补的方式加以识别。这也表明，启动子功能既受DNA序列的影响，又序列的影响，又受其构象的影响。受其构象的影响。第13页，此课件共41页哦启动子与转录起始启动子与转录起始u 启动子的效率启动子的效率 启动子有强弱之分，研究表明，强弱启动子的差别在于启动

9、子有强弱之分，研究表明，强弱启动子的差别在于-35区，以及区，以及-10区与区与-35区之间的距离，其距离大约是区之间的距离，其距离大约是16-19bp。第14页，此课件共41页哦真核生物启动子真核生物启动子 真核生物有三种真核生物有三种RNA聚合酶，需要三类不同的启动子，它们都由转录因子聚合酶，需要三类不同的启动子，它们都由转录因子而不是而不是RNA聚合酶所识别。聚合酶所识别。l 型启动子型启动子l 型启动子型启动子l 型启动子型启动子 RNA聚合酶聚合酶的启的启动子，它控制动子，它控制rRNA前体前体基因转录，其产物经剪基因转录，其产物经剪接加工后生成各种成熟接加工后生成各种成熟rRNA。

10、RNA聚合酶聚合酶所识所识别，序列多样。涉及别，序列多样。涉及众多编码蛋白质基因众多编码蛋白质基因表达的控制。表达的控制。RNA聚合酶聚合酶所识所识别分为两类：基因别分为两类：基因内启动子和转录起内启动子和转录起点上游启动子（也点上游启动子（也称基因外启动子）。称基因外启动子）。第15页，此课件共41页哦真核生物启动子真核生物启动子 分析表明，绝大多数功能蛋白质启动子都具有共同的结构模式。除分析表明，绝大多数功能蛋白质启动子都具有共同的结构模式。除TATA区以外，还含有上游激活序列、应答元件等多种调控序列。基区以外，还含有上游激活序列、应答元件等多种调控序列。基因转录实际上是因转录实际上是RN

11、A聚合酶、转录调控因子和启动子区各种调控元件相互聚合酶、转录调控因子和启动子区各种调控元件相互作用的结果。作用的结果。u 启动子的组成启动子的组成l TATA区区l 上游激活序列上游激活序列l 应答元件应答元件 转录转录DNA序列序列5端端上游一段富含上游一段富含TA的序的序列，类似于原核生物列，类似于原核生物-10区。区。位于位于TATA区上游的保区上游的保守序列，其存在与否，对该守序列，其存在与否，对该启动子的生物有明显影响。启动子的生物有明显影响。对某些特殊的物质对某些特殊的物质或外界刺激能迅速作或外界刺激能迅速作出反应的调控元件。出反应的调控元件。第16页，此课件共41页哦真核生物启动

12、子真核生物启动子 转录因子是转录起始过程中转录因子是转录起始过程中RNA聚合酶所需的辅助因子聚合酶所需的辅助因子（主要是蛋白质），其作用（主要是蛋白质），其作用或识别或识别DNA的顺式作用位的顺式作用位点，或识别点，或识别RNA聚合酶，聚合酶，或是识别其他因子。或是识别其他因子。u 启动子对转录的影响启动子对转录的影响转录因子转录因子第17页，此课件共41页哦转录的抑制转录的抑制 某些核酸代谢的拮抗物和抗生素可抑制核苷酸或核酸的合成，因而可以用于某些核酸代谢的拮抗物和抗生素可抑制核苷酸或核酸的合成，因而可以用于抗病毒或抗肿瘤药物，也可以用于核酸的研究。抗病毒或抗肿瘤药物，也可以用于核酸的研究。

13、RNA转录的抑制剂根据其作用的性质主要可以分为两大类：第一类是转录的抑制剂根据其作用的性质主要可以分为两大类：第一类是DNA模板功能抑制剂，第二类是模板功能抑制剂，第二类是RNA聚合酶的抑制物。聚合酶的抑制物。抑制剂抑制剂靶酶靶酶抑制作用抑制作用利福霉素利福霉素细菌全酶细菌全酶和和亚基结合，抑制起始亚基结合，抑制起始利迪链霉素利迪链霉素细菌核心酶细菌核心酶和和亚基结合，抑制起始亚基结合，抑制起始放线菌素放线菌素D真核真核RNA聚合酶聚合酶与与DNA结合，阻止延伸结合，阻止延伸-鹅膏蕈碱鹅膏蕈碱真核真核RNA聚合酶聚合酶与与RNA聚合酶聚合酶结合结合第18页，此课件共41页哦信使信使RNARNA

14、（mRNA)mRNA)原核生物原核生物mRNA的转录和翻译发生在同一个细胞空间里，两者间存在偶的转录和翻译发生在同一个细胞空间里，两者间存在偶联。一个原核细胞的联。一个原核细胞的mRNA有时可以编码几个多肽。有时可以编码几个多肽。u 原核生物原核生物mRNA的特征的特征l mRNA的半衰期短的半衰期短 绝大多数细菌绝大多数细菌mRNA半衰期很短，其降解紧随着蛋白质翻译过程发生。半衰期很短，其降解紧随着蛋白质翻译过程发生。l 许多许多mRNA可能以多顺反子形式存在可能以多顺反子形式存在 只编码一个蛋白质多肽的只编码一个蛋白质多肽的mRNA称为称为单顺反子单顺反子，而能编码多个蛋白质，而能编码多个

15、蛋白质多肽的多肽的mRNA称为称为多顺反子多顺反子。l 5端无帽子结构，端无帽子结构，3端没有或只有较短的端没有或只有较短的poly A 原核生物起始密码子原核生物起始密码子AUG上游上游7-12个核苷酸处有保守序列能与个核苷酸处有保守序列能与16S rRNA 3端反向互端反向互补，在起始翻译过程时起重要作用，称为补，在起始翻译过程时起重要作用，称为SD序列序列。第19页，此课件共41页哦真核生物真核生物mRNAmRNA的特征的特征 mRNA的加帽是指的加帽是指mRNA转录后在其转录后在其5末端加上甲方基化鸟嘌呤，其末端加上甲方基化鸟嘌呤，其反应由腺苷酸转移酶催化完成。反应由腺苷酸转移酶催化完

16、成。u 5端的帽子结构端的帽子结构l 帽子结构的种类帽子结构的种类 mRNA可能具有三种类型的帽子。可能具有三种类型的帽子。l 帽子结构的功能帽子结构的功能 有利于有利于mRNA跨膜跨膜 稳定稳定mRNA 有利于翻译起始有利于翻译起始第20页，此课件共41页哦真核生物真核生物mRNAmRNA的特征的特征 除组蛋白基因外，真核生物除组蛋白基因外，真核生物mRNA的的3端都有端都有poly A序列，其长序列，其长度一般为度一般为40-200个左右。个左右。u 3端的多聚腺苷酸尾巴端的多聚腺苷酸尾巴l 加尾信号加尾信号 poly A上游上游11-30nt处的处的AAUAAA为高度保守序列。为高度保守

17、序列。l poly A的功能的功能 有利于有利于mRNA跨膜跨膜 稳定稳定mRNA 有利于翻译调控有利于翻译调控第21页，此课件共41页哦转录的终止转录的终止 一般情况下，一般情况下，RNA聚合酶起始基因转录后，它就会沿模聚合酶起始基因转录后，它就会沿模板板53方向连续合成方向连续合成RNA，直到碰到终止信号才与模板，直到碰到终止信号才与模板相脱离并释放新生相脱离并释放新生RNA链。链。RNA合成终止发生在转录合成终止发生在转录DNA特殊碱基顺序中特殊碱基顺序中,能提能提供转录终止信号的供转录终止信号的DNA序列称为序列称为终止子终止子，协助，协助RNA聚合酶聚合酶识别终止信号的蛋白因子则称为

18、识别终止信号的蛋白因子则称为终止因子终止因子。第22页，此课件共41页哦原原核核生生物物的的转转录录终终止止第23页，此课件共41页哦 模板上存在特殊的转录终止信号模板上存在特殊的转录终止信号内内在终止子，其结构特点是：终止位点在终止子，其结构特点是：终止位点上游一般具上游一般具GC丰富对称区；转录产丰富对称区；转录产物物3端为寡聚端为寡聚U。因子六聚体具有因子六聚体具有NTP酶和解螺旋酶活酶和解螺旋酶活性，通过水解性，通过水解NTP促使新生促使新生RNA链的释放。链的释放。第24页，此课件共41页哦真核生物的转录终止真核生物的转录终止 对于真核生物转录的终止信号和终止机制了解得很对于真核生物

19、转录的终止信号和终止机制了解得很少，其主要困难在于很难确定原初转录物的少，其主要困难在于很难确定原初转录物的3末端，因末端，因为大多数基因在转录后很快进行加工，无论是为大多数基因在转录后很快进行加工，无论是mRNA、tRNA还是还是rRNA都是如此。都是如此。对于对于RNA聚合酶聚合酶，体外转录与体内转录产物相同，这就，体外转录与体内转录产物相同，这就表明体内转录确实是在表明体内转录确实是在RNA末端处终止的。末端处终止的。第25页，此课件共41页哦转录的抗终止转录的抗终止 有些终止子的作用可被特异的因子阻止，使聚合酶能越过终止子继续转有些终止子的作用可被特异的因子阻止，使聚合酶能越过终止子继

20、续转录，称为录，称为抗终止作用抗终止作用。这类引起抗终止作用的蛋白称为。这类引起抗终止作用的蛋白称为抗终止因子抗终止因子。抗终。抗终止作用主要有两种方式：止作用主要有两种方式：u 破坏终止位点破坏终止位点RNA的茎环结构的茎环结构 在一些控制氨基酸合成的操纵子结构基因前面的前导序列中具有终止信号，在一些控制氨基酸合成的操纵子结构基因前面的前导序列中具有终止信号，由于转录和翻译的偶联，核糖滞留在一定区域，使由于转录和翻译的偶联，核糖滞留在一定区域，使mRNA不能形成特定的二级不能形成特定的二级结构。结构。u 依赖于蛋白质因子的转录抗终止依赖于蛋白质因子的转录抗终止 由于某些蛋白质的参与，使由于某

21、些蛋白质的参与，使RNA聚合酶构象，从而对终止信号不敏感，聚合酶构象，从而对终止信号不敏感，转录继续进行。转录继续进行。第26页，此课件共41页哦RNARNA转录与转录与DNADNA复制的异同复制的异同项项 目目DNADNA复制复制RNARNA转录转录场所场所主要在细胞核中主要在细胞核中主要在细胞核中主要在细胞核中模板模板DNADNA的每一条链的每一条链DNADNA的一条链的一条链原料原料dNTPsdNTPsNTPsNTPs酶酶DNADNA解旋酶，解旋酶，DNADNA连接酶连接酶DNADNA指导的指导的DNADNA聚合酶聚合酶DNADNA指导的指导的RNARNA聚合酶聚合酶DNADNA解旋酶解

22、旋酶DNADNA指导的指导的RNARNA聚合酶聚合酶校正功能校正功能酶具有校正功能酶具有校正功能酶不具校正功能酶不具校正功能合成方向合成方向5 533，半不连续合成，半不连续合成5 533连续合成连续合成产物产物子代子代DNADNA分子分子RNARNA分子分子碱基互补配对原则碱基互补配对原则GCGC，CG,ATCG,AT，TATAGCGC，CG,AUCG,AU，TATA引物引物需要合成需要合成RNARNA引物引物不需要不需要第27页，此课件共41页哦转录的调节控制转录的调节控制 操纵子是原核生物转录调操纵子是原核生物转录调控的主要形式，相关的基因控的主要形式，相关的基因排列成簇，由一个调节蛋白

23、排列成簇，由一个调节蛋白所控制，一开俱开，一闭俱所控制，一开俱开，一闭俱闭，从而对环闭，从而对环环境条件的改变作出相应环境条件的改变作出相应的反应。的反应。环腺苷酸（环腺苷酸（cAMP）在原核生物的基因表达调控过程中有重要作）在原核生物的基因表达调控过程中有重要作用。用。u 原核生物转录的调控原核生物转录的调控第28页，此课件共41页哦转录的调节控制转录的调节控制u 真核生物转录的调控真核生物转录的调控 真核细胞基因组真核细胞基因组DNA的含量非常大，因此，的含量非常大，因此，相似的相似的DNA序列出现的次数增加，特异序列出现的次数增加，特异调控的难度加大。解决这个难题的途径调控的难度加大。解

24、决这个难题的途径有二个：有二个：l 由组蛋白封闭有关的由组蛋白封闭有关的DNA序列序列l 多个调控因子同时与邻近的特异多个调控因子同时与邻近的特异DNA部位结合部位结合第29页，此课件共41页哦RNARNA的剪接的剪接 真核生物的大部分基因都是不连续的断裂基真核生物的大部分基因都是不连续的断裂基因，这些被称为因，这些被称为外显子外显子的不连续编码区之间的的不连续编码区之间的序列称为序列称为内含子内含子，它们需要在转录后通过，它们需要在转录后通过RNA的剪接才能被去除。的剪接才能被去除。RNA的剪接主要有的剪接主要有3种方式：种方式：核核mRNA的剪接；的剪接；型自我剪接；型自我剪接；型自我剪接

25、型自我剪接。第30页，此课件共41页哦RNARNA的剪接的剪接 比较不同基因的核苷酸序列发现，比较不同基因的核苷酸序列发现，mRNA前体中内含子的边接点处发前体中内含子的边接点处发现了高度保守序列，这些序列结构可能是产生现了高度保守序列，这些序列结构可能是产生mRNA前体剪接的信号。前体剪接的信号。u mRNAmRNA的剪接的剪接 大多数真核生物细胞核内存在着许多种类的核内小大多数真核生物细胞核内存在着许多种类的核内小RNA(snRNA)，通常又称，通常又称U-RNA。它们与蛋白质结合形成核内小核糖核蛋白颗粒参与。它们与蛋白质结合形成核内小核糖核蛋白颗粒参与hnRNA的剪接。的剪接。第31页，

26、此课件共41页哦mRNAmRNA的剪接的剪接u mRNAmRNA的剪接体的剪接过程的剪接体的剪接过程第32页，此课件共41页哦mRNAmRNA的剪接的剪接u mRNAmRNA的变位剪接形式的变位剪接形式第33页，此课件共41页哦mRNAmRNA的剪接的剪接u mRNAmRNA的变位剪接实例的变位剪接实例第34页，此课件共41页哦mRNAmRNA的剪接的剪接u 反式剪接反式剪接第35页，此课件共41页哦RNA的剪接的剪接型自我剪接型自我剪接第36页，此课件共41页哦RNA的剪接的剪接型型自自我我剪剪接接第37页，此课件共41页哦RNARNA的编辑的编辑 RNA的编辑是某些的编辑是某些RNA，特别

27、是，特别是mRNA前体的一种加工方式，如插入、删除前体的一种加工方式，如插入、删除或取代一些核苷酸残基，导致或取代一些核苷酸残基，导致DNA所编码的遗传信息的改主，因此经过编辑所编码的遗传信息的改主，因此经过编辑的的mRNA序列发生了不同于模板序列发生了不同于模板DNA的变化。的变化。介导介导RNA编辑的机制有两种：编辑的机制有两种：l 位点特异性脱氨基作用位点特异性脱氨基作用l 引导引导RNA指导的尿嘧指导的尿嘧啶插入或删除啶插入或删除 指导指导RNA上存在一些未上存在一些未能配对的腺嘌呤，形成缺口，能配对的腺嘌呤，形成缺口，为尿嘧啶的插入提供了模板。为尿嘧啶的插入提供了模板。mRNA中的中

28、的CU或或AI，都属于，都属于脱氨基作用，分别由胞嘧啶和腺嘌呤脱氨基作用，分别由胞嘧啶和腺嘌呤脱氨酶所催化，脱氨酶所催化，RNA编辑主要通过脱氨编辑主要通过脱氨酶复合体中附加的酶复合体中附加的RNA结合区辅助识别结合区辅助识别靶位点。靶位点。第38页，此课件共41页哦位点特异性脱氨基作用位点特异性脱氨基作用第39页，此课件共41页哦尿苷酸的缺失和添加尿苷酸的缺失和添加第40页，此课件共41页哦RNARNA的再编码的再编码 某些有机体在进某些有机体在进行蛋白质翻译时，行蛋白质翻译时，mRNA的读码信号在的读码信号在tRNA、rRNA和其它和其它蛋白因子的作用下发蛋白因子的作用下发生移位，也可以看作生移位，也可以看作tRNA或核或核糖体跳过了糖体跳过了mRNA上的一段核苷序列，所以人们有进也称核糖体跳跃。这也可看作上的一段核苷序列，所以人们有进也称核糖体跳跃。这也可看作是蛋白质合成的一种调节机制。是蛋白质合成的一种调节机制。第41页，此课件共41页哦