生物化学与分子生物学第十一章RNA生物合成 (转录)

1、,RNA Biosynthesis (Transcription),The biochemistry and molecular biology department of CMU,RNA 生物合成 (转录),第十一章,转录（transcription） 生物体以DNA为模板合成RNA的过程 。,转录,DNA,转录与复制的相似点： 1. 模板均为DNA； 2. 延长机理都是形成磷酸二酯键； 3. 方向均为53。,转录和复制的区别,参与转录的物质,原料: NTP（ATP, UTP, GTP, CTP） 模板: DNA 酶: RNA聚合酶（RNA polymerase, RNA-pol） 其他蛋白质因子,第一节 转录的模板和酶 Templates of Transcription and Enzymes,一、转录模板,能转录出RNA的DNA区段,模板链 (template strand),编码链 (coding strand),编码链,模板链,双链DNA分子中能作为模板转录出RNA的那条链，称为模板链。又叫有意义链（sense strand）或Watson链。 另一条互补链称为编码链，又叫

2、反义链（antisense strand）或 Crick链。,转录产物RNA的碱基序列，除了 T 变U 外，其余与编码链相同。,不对称转录 (asymmetric transcription) 在DNA分子双链上某一区段，一股链可转录，另一股链不转录； 模板链并非永远在同一单链上。,二、RNA聚合酶（DDRP） 1. 原核生物的RNA聚合酶 E.coli的RNA聚合酶是由四种亚基组成的六聚体（ 2 ）,RNA聚合酶全酶及核心酶电泳图谱,E. coli RNA聚合酶组分,其他原核生物的RNA聚合酶，在结构、组成、功能上均与E.coli相似。 原核生物的 RNA聚合酶都受一类抗 结核药利福平或利福霉素的特异性抑制。这类药物能与RNA聚合酶的亚基特异结合，从而影响酶的活性。,RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合,2. 真核生物的RNA聚合酶,RNA聚合酶、都由多个 亚基组成。有些亚基是三种酶所共有。 mRNA是各种RNA中寿命最短、 最不稳定的，需经常重新合成。因此RNA聚合酶是三种酶中最活跃的。,三、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，称为操纵子(operon)，包括

3、若干个结构基因及其上游(upstream)的调控序列。 RNA聚合酶结合模板DNA的部位称为启动子(promoter)。是调控转录的关键部位。,RNA聚合酶保护法,开始转录,T T G A C A A A C T G T,-35 区,T A T A A T Pu A T A T T A Py,-10 区,原核生物启动子保守序列,原核生物启动子 35区：一致性序列为TTGACA 是RNA-pol的辨认位点 10区：一致性序列为TATAAT 又叫Pribnow盒 是RNA-pol的结合位点,真核生物启动子,第二节 转录过程 The Process of Transcription,分为三个阶段： 起始(initiation) 延长(elongation) 终止(termination),一、原核生物的转录过程,（一）转录起始 1. RNA聚合酶结合在转录模板的起始区域。 2. DNA双链解开，以一条链为模板，合成第一个磷酸二酯键。,2. DNA双链解开。,1. RNA聚合酶全酶(2)与模板结合。,3. 在RNA聚合酶作用下发生第一次聚合反应，形成转录起始复合物。,5-pppG -OH +

4、NTP 5-pppGpN - OH 3 + PPi,转录起始过程,RNApol (2) - DNA - pppGpN- OH 3,转录起始复合物,（二）转录延长,1. 亚基脱落，RNApol聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，沿着DNA模板前移；,2. 在核心酶作用下，NTP不断聚合，RNA链不断延长。,(NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPi,转录泡（transcription bubble）： 在转录延长过程中，由局部打开的DNA双链、RNA聚合酶核心酶及新生成的RNA三者结合在一起的复合体，为空泡状结构，又称转录复合物。,电镜下原核生物转录过程中的羽毛状现象,转录未完成，翻译已开始进行。,转录的起始及延长过程,(三) 转录终止 RNA聚合酶在DNA模板上停顿下来，转录产物RNA链从转录复合物上脱落下来。,分类：,依赖Rho ()因子的转录终止 非依赖Rho因子的转录终止,1. 依赖因子的转录终止 因子是同六聚体蛋白； 因子能结合RNA，与poly C的结合力最强； 因子还有ATP酶和解螺旋酶的活性。,2. 不依赖因子的转录终止 DNA模板上靠近终止处，有特殊的碱基

5、序列，转录出RNA后，RNA产物形成特殊的结构来终止转录。,茎环结构终止转录的机理,使RNA聚合酶变构，转录停顿； 使转录复合物趋于解离，RNA产物释放。,二、真核生物的转录过程,（一）转录起始,真核生物的转录起始上游区段比原核生物多样化，转录起始时，RNA-pol不直接结合模板，其起始过程比原核生物复杂。,转录起始点,TATA盒,CAAT盒,GC盒,增强子,顺式作用元件(cis-acting element),1. 转录起始前的上游区段,AATAAA,切离加尾,转录终止点,修饰点,外显子,翻译起始点,内含子,OCT-1,OCT-1：ATTTGCAT八聚体,2. 转录因子,能直接或间接辨认和结合转录上游区段DNA的蛋白质，统称为反式作用因子(trans-acting factors)。,反式作用因子中，直接或间接结合RNA聚合酶的，则称为转录因子(trans-criptional factors, TF)。,参与RNA-pol 转录的TF,3. 转录起始前复合物 (pre-initiation complex, PIC),真核生物RNA-pol不与DNA分子直接结合，而需依靠众多的转录

6、因子。,4. 拼板理论(piecing theory),一个真核生物基因的转录需要3至5个转录因子。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RNA聚合酶搭配而有针对性地结合、转录相应的基因。,（二）转录延长,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。,RNA-pol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位和解聚现象。,RNA-Pol,RNA-Pol,RNA-Pol,核小体,转录延长中的核小体移位,转录方向,（三）转录终止,第三节 真核生物的转录后修饰 Post-transcriptional Modification,一、mRNA的转录后加工 (一)首尾的修饰 1. 5-端加帽：m7GpppG 2. 3-端加尾：多聚腺苷酸 (poly A),帽子结构,5 pppGp,5 GpppGp,pppG,PPi,鸟苷酸转移酶,5 m7GpppGp,甲基转移酶,SAM,帽子结构的生成,5 ppGp,磷酸酶,Pi,加帽过程,（二）mRNA的剪接,1. hnRNA 和 snRNA,核内的初级mRNA称为杂化核RNA (hetero

7、-nuclear RNA, hnRNA) snRNA (small nuclear RNA),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。,断裂基因(splite gene),非编码区 AG,编码区17,2. 外显子(exon)和内含子(intron),外显子 在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟RNA的核酸序列。 内含子 隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列。,鸡卵清蛋白成熟mRNA与DNA杂交电镜图,鸡卵清蛋白基因,hnRNA,首、尾修饰,hnRNA剪接,成熟的mRNA,鸡卵清蛋白基因及其转录、转录后修饰,3. 内含子的分类,I：主要存在于线粒体、叶绿体及某些低等真核生物的 rRNA基因； II：也发现于线粒体、叶绿体，转录产物是mRNA； III：是常见的形成套索结构后剪接，大多数mRNA基因有此类内含子； IV：是tRNA基因及其初级转录产物中的内含子，剪接过程需酶及ATP。,Unit of transcription in a DNA strand

8、,Transcript modification,3,5,4. mRNA的剪接, 除去hnRNA中的内含子，将外显子连接。,snRNP与hnRNA结合成为并接体,二次转酯反应, RNA编辑作用说明，基因的编码序列经过转录后加工，是可有多用途分化的，因此也称为分化加工(differential RNA processing)。,5. mRNA的编辑(mRNA editing),二、tRNA的转录后加工,tRNA前体,连接酶,tRNA核苷酸 转移酶,碱基修饰,三、rRNA的转录后加工,5.8S和28S-rRNA,rDNA,内含子,内含子,28S,5.8S,18S,45S - rRNA,四、核 酶,具有酶促活性的RNA称为核酶。,核酶(ribozyme),四膜虫rRNA内含子的二级结构,最简单的核酶二级结构槌头状结构 (hammerhead structure),底物部分,核酶研究的意义,核酶的发现，对中心法则作了重要补充； 核酶的发现是对传统酶学的挑战； 利用核酶的结构设计合成人工核酶 。,人工设计的核酶,粗线表示合成的核酸分子 细线表示天然的核酸分子 X 表示一致性序列 箭头表示切断点,复习思考题： 1. 概念 （1）转录 （2）不对称转录 （3）结构基因 （4）核心酶 （5）外显子 （6）内含子 （7）模板链 （8）启动子 （9）核酶 （10）Pribnow盒,2. 复制与转录的异同点。 3. RNA聚合酶与DNA聚合酶作用的异同点。 4. 试述原核生物启动子的结构特点及功 能。 5. 原核生物与真核生物RNA聚合酶有何异 同？ 6. 原核生物与真核生物的转录终止有何不 同？,

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