RNA的生物合成转录省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

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1、第十一章 RNA生物合成(转录)Chapter 11 RNA Biosynthesis,Transcription第1页在在RNA聚聚合合酶酶催催化化下下，以以一一段段DNA链链为为模模板板合合成成RNA，从从而而将将DNA所所携携带带遗遗传传信信息息传传递递给给RNA过程称为过程称为转录（转录（transcription）。经经转转录录生生成成RNA有有各各种种，主主要要是是rRNA，tRNA，mRNA，snRNA和和HnRNA等。等。转录转录RNADNA 第2页复制和转录区分复制和转录区分 第3页第一节 RNA转录合成特点Section 1 Characters of RNA Biosyn

2、thesis第4页 转录（转录（transcription）不对称性就是指以双链）不对称性就是指以双链DNA中一条链作为模板进行转录，从而将遗传中一条链作为模板进行转录，从而将遗传信息由信息由DNA传递给传递给RNA。对对于于不不一一样样基基因因来来说说，其其转转录录信信息息能能够够存存在在于于两条不一样两条不一样DNA链上。链上。一、转录不对称性一、转录不对称性第5页能够转录能够转录RNA那条那条DNA链称为链称为模板链模板链(template strand)，也称作，也称作有意义链有意义链或或Watson链链。与模板链互补另一条与模板链互补另一条DNA链称为链称为编码链编码链(coding

3、 strand)，也称为，也称为反义链反义链或或Crick链链。模板链模板链编码链编码链553355第6页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模板链和编码链相对性模板链和编码链相对性第7页5GCAGTACATGTC 33 c g t g a t g t a c a g 5编码链编码链模板链模板链mRNA5GCAGUACAUGUC 3转录转录NAla Val His Val C蛋白质蛋白质翻译翻译模板链、编码链与转录及翻译关系模板链、编码链与转录及翻译关系第8页RNA转录合成时，以转录合成时，以DNA作为模板，在作为模板

4、，在RNA聚合酶催化下，连续合成一段聚合酶催化下，连续合成一段RNA链，各条链，各条RNA链之间无需再进行连接。链之间无需再进行连接。二、转录连续性二、转录连续性第9页RNA转录合成时，只能向一个方向进行聚合，转录合成时，只能向一个方向进行聚合，所依赖模板所依赖模板DNA链方向为链方向为35，而，而RNA链合链合成方向为成方向为53。三、转录单向性三、转录单向性第10页RNA转录合成时，只能以转录合成时，只能以DNA分子中某一段作分子中某一段作为模板，故存在特定起始位点和特定终止位点。为模板，故存在特定起始位点和特定终止位点。特定起始点和特定终止点之间特定起始点和特定终止点之间DNA链组成一个

5、链组成一个转录单位转录单位，通常由转录区和相关调整次序组成。，通常由转录区和相关调整次序组成。四、有特定起始和终止位点四、有特定起始和终止位点第11页第二节 参加转录合成酶和蛋白因子Section 2 Enzymes and Protein Factors for RNA Biosynthesis第12页原料：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（DDRP，RNA-pol）。）。其它蛋白质因子：其它蛋白质因子：如转录因子、终止因子等。如转录因子、终止因子等。参加参加RNA转录合成物质转录合成物质第13页这是一个不一样于这是

6、一个不一样于引物酶引物酶依赖依赖DNARNA聚合酶聚合酶（DDRP）。该酶在单链该酶在单链DNA模板以及四种核糖核苷酸存在模板以及四种核糖核苷酸存在条件下，条件下，不需要引物不需要引物，即可从，即可从53聚合聚合RNA。一、一、RNARNA聚合酶（聚合酶（DDRPDDRP）第14页原核生物中原核生物中RNA聚合酶全酶由五个亚基组成，聚合酶全酶由五个亚基组成，即即 2。亚基亚基与与转录起始点识别转录起始点识别相关，在转录合成开始相关，在转录合成开始后被释放；余下部分（后被释放；余下部分（2）被称为）被称为关键酶关键酶，与与RNA链聚合链聚合相关。相关。（一）原核生物（一）原核生物RNARNA聚合

7、酶聚合酶第15页关键酶关键酶(core enzyme)全酶全酶(holoenzyme)原核生物原核生物RNARNA聚合酶关键酶和全酶聚合酶关键酶和全酶第16页原核生物原核生物RNARNA聚合酶亚基功效聚合酶亚基功效第17页真核生物中真核生物中RNA聚合酶可按其对聚合酶可按其对-鹅膏蕈碱鹅膏蕈碱敏感敏感性而分为三种，它们均由性而分为三种，它们均由1012个大小不一样亚个大小不一样亚基所组成，结构非常复杂，其功效也不一样。基所组成，结构非常复杂，其功效也不一样。（二）真核生物（二）真核生物RNARNA聚合酶聚合酶第18页RNARNA聚合酶聚合酶分子结构分子结构第19页酵母酵母RNARNA聚合酶聚合

8、酶和和电子晶体图电子晶体图第20页在真核生物中，转录起始过程较为复杂，现在真核生物中，转录起始过程较为复杂，现已发觉数百种蛋白因子与已发觉数百种蛋白因子与RNA转录合成相关。转录合成相关。凡是与基因表示调控相关蛋白因子统称为凡是与基因表示调控相关蛋白因子统称为反反式作用因子（式作用因子（transacting factor）。二、转录因子二、转录因子第21页在反式作用因子中，直接或间接参加转录起始在反式作用因子中，直接或间接参加转录起始复合体形成蛋白因子被称为复合体形成蛋白因子被称为转录因子转录因子（transcriptional factor,TF）。不一样不一样RNA聚合酶存在对应转录因子

9、，如与聚合酶存在对应转录因子，如与RNA聚合酶聚合酶相关转录因子包含相关转录因子包含 TFA，TFB，TFD，TFE，TFF，TFH等。等。第22页真核生物真核生物RNARNA聚合酶聚合酶转录因子及其功效转录因子及其功效第23页原核生物中终止因子原核生物中终止因子 蛋白蛋白是一个六聚体蛋白质，亚基是一个六聚体蛋白质，亚基分子量为分子量为50kd。蛋白蛋白能识别转录终止信号，能识别转录终止信号，并与并与RNA紧密结合，造成紧密结合，造成RNA释放。释放。三、终止因子三、终止因子第24页第三节 RNA转录合成过程Section 3 The Process of RNA Biosynthesis第2

10、5页（一）转录起始（一）转录起始转录起始需处理两个问题：转录起始需处理两个问题：1.RNA聚合酶必须准确地结合在转录模板起始聚合酶必须准确地结合在转录模板起始区域。区域。2.DNA双链解开，使其中一条链作为转录模板。双链解开，使其中一条链作为转录模板。一、原核生物转录过程一、原核生物转录过程第26页在原核生物中，若干功效相关结构基因经常在原核生物中，若干功效相关结构基因经常串联在一起，由其上游同一调控序列进行调串联在一起，由其上游同一调控序列进行调控，这种基因组织形式称为控，这种基因组织形式称为操纵子操纵子（operon）。）。1.1.模板与酶识别识别：模板与酶识别识别：5 3 3 5 结构基

11、因结构基因调控序列调控序列RNA-pol第27页DNA分子中参加转录调控序列统称为分子中参加转录调控序列统称为顺式作用顺式作用元件（元件（cis-acting element）。原核生物转录起始时，首先由原核生物转录起始时，首先由RNA聚合酶中聚合酶中 因子因子识别转录起始点，并促使关键酶结合形成识别转录起始点，并促使关键酶结合形成全酶复合物。全酶复合物。第28页位于基因上游，与位于基因上游，与RNA聚合酶识别、结合并起聚合酶识别、结合并起始转录相关一些始转录相关一些DNA调控序列被称为调控序列被称为开启子开启子（promoter）。开启子序列通常由一些带共性保守序列组成。开启子序列通常由一些

12、带共性保守序列组成。第29页开始转录开始转录(Pribnow box)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 原核生物开启子保守序列原核生物开启子保守序列T T G A C AA A C T G T-35 区区RNA-pol识别位点识别位点(recognition site)5 5 RNA聚合酶保护区聚合酶保护区结构基因结构基因3 3 第30页原核生物转录起始区一致性序列原核生物转录起始区一致性序列第31页被被RNA聚合酶识别区段就是位于转录起始点聚合酶识别区段就是位于转录起始点-35区区TTGACA序列序列。R

13、NA聚合酶与该区结合后，即滑动至聚合酶与该区结合后，即滑动至-10区区TATAAT序列序列（Pribnow盒），并开启转录。盒），并开启转录。第32页RNARNA聚合酶全酶在转录起始区结合聚合酶全酶在转录起始区结合 第33页 DNA局部双链解开。局部双链解开。RNA聚合酶全酶聚合酶全酶(2)与模板结合。与模板结合。在在RNA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反应，形成转录起始复合物。形成转录起始复合物。RNApol(2)-DNA-pppGpN-OH 3 转录起始复合物转录起始复合物:5-pppG-OH +NTP 5-pppGpN-OH 3 +ppi2.2.转录起始过程：

14、转录起始过程：第34页 因子从全酶上脱离，余下关键酶继续沿因子从全酶上脱离，余下关键酶继续沿DNA链移动，按照碱基互补标准，不停聚合链移动，按照碱基互补标准，不停聚合RNA。1.亚基脱落，亚基脱落，RNApol聚合酶关键酶变构，聚合酶关键酶变构，与模板结合松弛，沿着与模板结合松弛，沿着DNA模板前移；模板前移；2.在在关键酶关键酶作用下，作用下，NTP不停聚合，不停聚合，RNA链不链不停延长。停延长。（二）转录延长（二）转录延长(NMP)n +NTP (NMP)n+1 +PPi第35页RNARNA转录延长转录延长第36页转录空泡转录空泡(transcription bubble)(transc

15、ription bubble)形成形成第37页原核生物转录过程中羽毛状现象原核生物转录过程中羽毛状现象第38页RNA转录合成终止机制有两种：转录合成终止机制有两种：1 1依赖依赖RhoRho因子转录终止：因子转录终止：由终止因子（由终止因子（因子）识别特异终止信号，因子）识别特异终止信号，并促使并促使RNA释放。释放。（三）转录终止（三）转录终止第39页ATP依赖依赖 Rho Rho因子转录终止因子转录终止第40页模板模板DNA链在靠近转链在靠近转录终止点处存在相连富录终止点处存在相连富含含GC和和AT区域，使区域，使RNA转录产物形成寡转录产物形成寡聚聚U及发夹形二级结构，及发夹形二级结构，

16、引发引发RNA聚合酶变构聚合酶变构及移动停顿，造成及移动停顿，造成RNA转录终止。转录终止。2 2非依赖非依赖RhoRho转录终止：转录终止：第41页5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU.3 5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU.3 RNA 5 TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT.3 DNA UUUUU.UUUU.5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGA

17、UGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU.3茎环茎环(stem-loop)/(stem-loop)/发夹发夹(hairpin)(hairpin)结构结构第42页茎环结构使转录终止机理茎环结构使转录终止机理 使使RNA聚合酶变构，转录停顿；聚合酶变构，转录停顿；使转录复合物趋于解离，使转录复合物趋于解离，RNA产物释放。产物释放。第43页二、真核生物转录过程二、真核生物转录过程1.1.转录起始上游区段：转录起始上游区段：真核生物转录起始点上游真核生物转录起始点上游-25bp区区也存在一段也存在一段富含富含TA次序，被称为次序，被称为Hogness盒盒或或TATA盒盒，通常

18、认为是开启子关键序列。通常认为是开启子关键序列。（一）转录起始（一）转录起始第44页除此之外，在真核生物中还可见到其它带共性除此之外，在真核生物中还可见到其它带共性序列，如序列，如CAAT盒盒及及GC盒盒等。等。在远离受控基因处存在，能够增强基因转录活在远离受控基因处存在，能够增强基因转录活性调控序列称为性调控序列称为增强子（增强子（enhancer）。第45页真核生物开启子保守序列真核生物开启子保守序列第46页真核生物转录起始时，首真核生物转录起始时，首先由先由TFDTBP亚基识别亚基识别并结合并结合TATA盒，然后在盒，然后在其它转录因子配合下，与其它转录因子配合下，与RNA聚合酶聚合酶组

19、装形成组装形成转录起始前复合物转录起始前复合物(pre-initiation complex,PIC)。2.2.转录起始过程：转录起始过程：第47页RNA聚合酶聚合酶催化第一个磷酸二酯键形成。催化第一个磷酸二酯键形成。RNA聚合酶聚合酶羧基末端结构域羧基末端结构域（CTD）被磷酸）被磷酸化修饰，大部分转录因子脱离，聚合酶向下游化修饰，大部分转录因子脱离，聚合酶向下游移动延伸移动延伸RNA链。链。第48页（二）转录延长（二）转录延长真核生物转录延长真核生物转录延长过程与原核生物类过程与原核生物类似，但因为存在核似，但因为存在核小体高级结构，故小体高级结构，故在转录延长过程中在转录延长过程中可观察

20、到核小体移可观察到核小体移位和解聚现象。位和解聚现象。第49页（三）转录终止（三）转录终止真核生物转录终止与转录后修饰，即真核生物转录终止与转录后修饰，即poly A尾尾巴结构添加亲密相关。巴结构添加亲密相关。在在poly A修饰位点下游存在一组共同序列修饰位点下游存在一组共同序列AATAAA和和GTGTGT，为转录终止识别修，为转录终止识别修饰位点。饰位点。在转录越过修饰点后，在转录越过修饰点后，RNA链在修饰点处被切链在修饰点处被切断，随即进行加帽和加尾修饰。断，随即进行加帽和加尾修饰。第50页真核生物真核生物RNARNA转录终止转录终止5-AAUAAA-5 -AAUAAA-核酸酶核酸酶-

21、GUGUGUGRNA-polAATAAA GTGTGTG转录终止修饰点转录终止修饰点5 5 3 3 3 3 加尾加尾AAAAAAA 3 mRNA第51页第四节 真核生物转录后修饰Section 4 Post-transcriptional Modification in Eukaryote第52页 1 1加帽（加帽（adding capadding cap）：）：即在即在mRNA5-端加上端加上m7GTP结构。此过程发结构。此过程发生在细胞核内，即生在细胞核内，即HnRNA即可进行加帽。即可进行加帽。加工过程首先是在磷酸酶作用下，将加工过程首先是在磷酸酶作用下，将5-端磷酸端磷酸基水解，然后再

22、加上鸟苷三磷酸，形成基水解，然后再加上鸟苷三磷酸，形成GpppN结构，再对结构，再对G进行甲基化。进行甲基化。一、真核生物一、真核生物mRNAmRNA转录后加工转录后加工（一）首、尾修饰（一）首、尾修饰第53页 Pi5 ppGp磷酸酶磷酸酶5 pppGp5 GpppGppppG ppi鸟苷酸鸟苷酸转移酶转移酶5 m7GpppGp甲基转移酶甲基转移酶SAM帽子结构生成帽子结构生成第54页 2 2加尾（加尾（adding tailadding tail）：）：这一过程也是细胞核内完成，首先由核酸外切这一过程也是细胞核内完成，首先由核酸外切酶切去酶切去3-端一些过剩核苷酸，然后再加入端一些过剩核苷酸

23、，然后再加入polyA。polyA结构与结构与mRNA半寿期相关。半寿期相关。第55页（二）（二）mRNAmRNA剪接（剪接（splicingsplicing）鸡卵清蛋白成熟鸡卵清蛋白成熟mRNA与与DNA杂交电镜图杂交电镜图mRNADNA第56页1.1.断裂基因（断裂基因（splite genesplite gene）CABD编码区编码区 A、B、C、D非编码区非编码区真真核核生生物物结结构构基基因因，由由若若干干个个编编码码区区和和非非编编码码区区相相互互间间隔隔开开但但又又连连续续镶镶嵌嵌而而成成，去去除除非非编编码码区区再再连连接接后后，可可翻翻译译出出由由连连续续氨氨基基酸酸组组成成

24、完完整整蛋白质，这些基因称为蛋白质，这些基因称为断裂基因断裂基因。第57页外显子外显子(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，并表示为成熟现，并表示为成熟RNA核酸序列（结构基因中能核酸序列（结构基因中能够指导多肽链合成编码次序）。够指导多肽链合成编码次序）。内含子内含子隔断基因线性表示而在剪接过程中隔断基因线性表示而在剪接过程中被除去核酸序列（不能指导多肽链合成非编码次被除去核酸序列（不能指导多肽链合成非编码次序）。序）。第58页内含子分类内含子分类 I：主主要要存存在在于于线线粒粒体体、叶叶绿绿体体及及一一些些

25、低低等等真真核生物核生物 rRNA基因；基因；II：也也发发觉觉于于线线粒粒体体、叶叶绿绿体体，转转录录产产物物是是mRNA；依据基因类型和剪接方式，通常把内含子分为依据基因类型和剪接方式，通常把内含子分为4类。类。第59页III：是是常常见见形形成成套套索索结结构构后后剪剪接接，大大多多数数mRNA基因有这类内含子；基因有这类内含子；IV：是是tRNA基基因因及及其其初初级级转转录录产产物物中中内内含含子子，剪接过程需酶及剪接过程需酶及ATP。第60页核内带有外显子和内含子编码序列初级核内带有外显子和内含子编码序列初级RNA转转录产物称为录产物称为杂化核杂化核RNA（hetero-nucle

26、ar RNA,hnRNA）。）。hnRNA经剪接加工除去内含子编码序列并将外经剪接加工除去内含子编码序列并将外显子编码序列连接起来才能形成成熟显子编码序列连接起来才能形成成熟mRNA。2.hnRNA2.hnRNA和和snRNAsnRNA：第61页snRNA为核内小为核内小RNA，富含尿嘧啶，故以，富含尿嘧啶，故以U作作分类和命名，如分类和命名，如U1、U2等。等。snRNA与核内蛋与核内蛋白质组装形成白质组装形成小核蛋白体小核蛋白体（snRNP），参加），参加hnRNA剪接加工。剪接加工。第62页3.hnRNA3.hnRNA剪接过程：剪接过程：snRNP与与hnRNA结合成为剪接体。结合成为剪

27、接体。第63页 剪接体结构调整，剪接体结构调整，U2和和U6形成催化中心，发形成催化中心，发生转酯反应。生转酯反应。第64页UpAGpU外显子外显子1内含子内含子外显子外显子2pG-OH(ppG-OH,pppG-OH)U-OHGpUpGpA第一次转酯反应第一次转酯反应第二次转酯反应第二次转酯反应G-OHUpUpGpA剪接过程二次转酯反应剪接过程二次转酯反应第65页鸡卵清蛋鸡卵清蛋白基因白基因hnRNA首、尾修饰首、尾修饰hnRNA剪接剪接成熟成熟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、转录后修饰第66页 RNA编辑作用说明，基因编码序列经过转录后加工，编辑作用说明，基

28、因编码序列经过转录后加工，是可有多用途分化，所以也称为分化加工是可有多用途分化，所以也称为分化加工(differential RNA processing)。4.mRNA4.mRNA编辑（编辑（mRNA editingmRNA editing）人类人类apo B基因基因 mRNA（14500个核苷酸）个核苷酸）肝肝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编辑编辑第67页二、二、tRNAtRNA转录后加工转录后加工主要有以下几个加工方式：主要有以下几个加工方式：1.切断。切断。2.剪接。剪接。3.3-末端末端-

29、CCA序列添加。序列添加。4.化学修饰。化学修饰。第68页tRNA前体前体RNA pol TGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNAtRNAtRNA前体转录合成前体转录合成第69页tRNAtRNA前体切断和剪接加工前体切断和剪接加工第70页tRNA3-tRNA3-末端末端-CCA-CCA序列添加序列添加第71页tRNAtRNA碱基修饰碱基修饰（2）还原反应）还原反应 如：如：U DHU （3）核苷内转位反应）核苷内转位反应 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）第72页三、三、rRNA

30、rRNA转录后加工转录后加工第73页rRNArRNA前体转录和剪接加工前体转录和剪接加工第74页四、核酶四、核酶含有催化活性含有催化活性RNA称为核酶。称为核酶。核酶核酶(ribozyme)第75页四膜虫四膜虫rRNA内含子二级结构内含子二级结构四膜虫四膜虫rRNArRNA剪接采取本身剪接方式剪接采取本身剪接方式5-端核苷酸序列端核苷酸序列第76页四膜虫前四膜虫前rRNArRNA本身剪接过程本身剪接过程第77页最简单核酶二级结构最简单核酶二级结构锤头结构锤头结构(hammerhead structure)底物部分底物部分通常为通常为60个核苷酸左右个核苷酸左右同同一一分分子子上上包包含含有有催催化化部份和底物部份部份和底物部份 催催化化部部份份和和底底物物部部份份组组成锤头结构成锤头结构 第78页核酶研究意义核酶研究意义核酶发觉，对中心法则作了主要补充；核酶发觉，对中心法则作了主要补充；核酶发觉是对传统酶学挑战；核酶发觉是对传统酶学挑战；利用核酶结构设计合成人工核酶利用核酶结构设计合成人工核酶 。第79页