1、第十章第十章 RNARNA的生物合成的生物合成第一节第一节 转录的概念和转录模板转录的概念和转录模板转录转录RNADNA 一、转录一、转录 (transcription) 以以DNA为模板，在为模板，在RNA聚合酶聚合酶（RNA polymerase）的）的作用下合成作用下合成mRNA，将遗传信息从，将遗传信息从DNA分子上转移到分子上转移到mRNA分子上，这一过程称为转录。分子上，这一过程称为转录。 生物体以生物体以DNA为模板合成为模板合成RNA的过程的过程 。 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: : DNA酶酶: :
2、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5GCAGTACATGTC 33 c g t g a t g t a c a g 55GCAGUACAUGUC 3NAla Val His Val C编码编码链链(+)(+)模板链模板链( - )mRNA蛋白质蛋白质转录转录翻译翻译二、二、转录模板转录模板 不对称转录不对称转录(asymmetric transcription) 在在DNA分子双链上某一区段，一股链用作分子双链上某一区段，一股链用作模板指引转录，另一股链不转录模板指引转录，另一股链不转录 ； 模板链并非永远在同一条单链上。模板链并非
3、永远在同一条单链上。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结构基因结构基因转录方向转录方向转录方向转录方向核心酶核心酶 (core enzyme)全酶全酶 (holoenzyme) 第二节第二节 原核生物基因的转录原核生物基因的转录一一、原核生物的原核生物的RNA聚合酶聚合酶RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合聚合酶全酶在转录起始区的结合 酶的连接和装配酶的连接和装配亚基亚基 分子量分子量 每分子酶每分子酶中所含数目中所含数目 功能功能 36512 2 36512 2 150618 1 150618 1 与底物与底物NTPNTP结合，延长多核苷酸链结合，
4、延长多核苷酸链 155613 1 155613 1 结合结合DNADNA模板模板 70263 1 70263 1 辨认起始位点辨认起始位点原核生物的原核生物的RNA聚合酶聚合酶 利福平作用部位利福平作用部位 10000 10000 1 1 未知未知原核生物一个转录区段可视为一个转录单原核生物一个转录区段可视为一个转录单位，称为位，称为操纵子操纵子(operon)，包括若干个，包括若干个结构基因结构基因及其上游及其上游(upstream)的的调控序列调控序列。 5 3 3 5 结构基因结构基因调控序列调控序列RNA-pol模板模板DNA上结合上结合RNA聚合酶的部位，称为聚合酶的部位，称为启动子
5、启动子(promoter)。二、原核生物启动子二、原核生物启动子开始转录开始转录T T G A C AA A C T G T-35 区区(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 RNA-pol辨认位点辨认位点(recognition site) 5 5 RNA聚合酶识别区聚合酶识别区 结构基因结构基因3 3 1 1）转录起始转录起始转录起始需解决两个问题：转录起始需解决两个问题：1. RNA聚合酶必须准确地结合在转录模板的聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域。起始区域。2. DNA双链
6、解开，使其中的一条链作为转录双链解开，使其中的一条链作为转录的模板。的模板。三、三、原核生物的转录过程原核生物的转录过程2. DNA双链解开双链解开1. RNA聚合酶全酶聚合酶全酶( 2 )与模板结合与模板结合 3. 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 - 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 + ppi转录起始过程转录起始过程:2）转录延长）转录延长1. 亚基脱落，亚基脱落，RNApol聚合酶核心酶变构，聚
7、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DNA模板前移；模板前移； 2. 在在核心酶核心酶作用下，作用下，NTP不断聚合，不断聚合，RNA链链不断延长。不断延长。(NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPi“转录泡（转录泡（transcription bubble）”羽毛状现象羽毛状现象 在电子显微镜下观察转录现象，可以看到在电子显微镜下观察转录现象，可以看到同一同一DNA模板上，有长短不一的新合成的模板上，有长短不一的新合成的RNA链散开成羽毛状图形，这说明在同一链散开成羽毛状图形，这说明在同一DNA基因上可以有很多的基因上可以有很多的RNA聚合酶在同时聚合酶在
8、同时催化转录，生成相应的催化转录，生成相应的RNA链链 。5 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l依赖依赖Rho ()因子的转录终止因子的转录终止(缺少缺少polyU)l非依赖非依赖Rho因子的转录终止因子的转录终止3 3）转录终止）转录终止指指RNA聚合酶在聚合酶在DNA模板上停顿下来不模板上停顿下来不再前进，转录产物再前进，转录产物RNA链从转录复合物上脱链从转录复合物上脱落下来。落下来。 分类分类1. 非依赖非依赖 Rho因子的转录终止因子的转录终止DNA模板上靠近终止处，有些特殊的碱模板上靠近终止处，有些特殊的碱基
9、序列，转录出基序列，转录出RNA后，后，RNA产物形成特殊产物形成特殊的结构来终止转录。的结构来终止转录。茎环茎环(stem-loop)/发夹发夹(hairpin)结构结构茎环结构使转录终止的机理茎环结构使转录终止的机理 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。5 pppG5 3 3 5 RNA-polA T P2. 依赖依赖 Rho因子的转录终止因子的转录终止四、原核生物四、原核生物RNA的转录后加工的转录后加工1 1、mRNAmRNA 原核生物的原核生物的mRNAmRNA转录后转录后一般一般不需要加工，不
10、需要加工，转录的同时即进行翻译（半寿期短）。转录的同时即进行翻译（半寿期短）。2.r2.rRNARNA前体的加工前体的加工甲基化作用甲基化作用专一核酸内切酶专一核酸内切酶30S前体前体17StRNA25S专一核酸外切酶专一核酸外切酶16S rRNAtRNA23S rRNA5S rRNA专一核酸外切酶专一核酸外切酶3 3、tRNAtRNA前体的加工：前体的加工：原核生物的原核生物的tRNAtRNA转录后需要加工。包括：转录后需要加工。包括：（1 1）由核酸内切酶切除前体上）由核酸内切酶切除前体上3 3 和和5 5 端上多余的核苷酸；端上多余的核苷酸；（2 2）由核酸外切酶逐个在）由核酸外切酶逐个
11、在3 3 切去附加序列，进行修剪。切去附加序列，进行修剪。（3 3）33端添加端添加CCACCAOHOH序列，由核苷酰转移酶催化。序列，由核苷酰转移酶催化。 （4 4）核苷的一些特定的碱基和戊糖进行修饰。）核苷的一些特定的碱基和戊糖进行修饰。 一一、真核生物的真核生物的RNA聚合酶聚合酶 第三节第三节 真核生物基因的转录真核生物基因的转录 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 结构基因结构基因-GCGC-CAAT-TATA转录起始转录起始真核生物启动子保守序列真核生物启动子保守序列二二、真核生物基因的启动子真核生物基因的启动子 三、三、真核生物的转录过程
12、真核生物的转录过程1）转录起始）转录起始真核生物的转录起始上游区段比原核生物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，多样化，转录起始时，RNA-pol不直接结合模不直接结合模板，其起始过程比原核生物复杂。板，其起始过程比原核生物复杂。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. 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2.
13、转录因子转录因子 能直接、间接辨认和结合转录上游区段能直接、间接辨认和结合转录上游区段DNA的蛋白质，现已发现数百种，统称为的蛋白质，现已发现数百种，统称为反反式作用因子式作用因子(trans-acting factors)。 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RNA聚合酶的，则称为聚合酶的，则称为转录因子转录因子(transcriptional factors, TF)。 参与参与RNA-pol转录的转录的TF 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-pol不与不与DNA分子直接结分子
14、直接结合，而需依靠众多的转录因子才与合，而需依靠众多的转录因子才与DNA分子分子结合。结合。 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2）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似，但因有核膜相隔，没有转录与翻译同步的现象。现象。 RNA-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
15、体移位和转录延长过程中可以观察到核小体移位和解聚现象。解聚现象。 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 mRNA3）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。复制和转录的区别复制和转录的区别 几种主要的修饰方式几种主要的修饰方式1. 剪接剪接(splicing)2. 剪切剪切(cleavage)3. 修饰修饰(modification)4. 添加添加(addition)四、真核生物四、真核生物RNARNA转录后的修饰转
16、录后的修饰（一）（一）mRNAmRNA的加工的加工1.1.首、尾的修饰首、尾的修饰 5 端形成端形成 帽子结构帽子结构(m7GpppGp ) 3 端加上端加上多聚腺苷酸尾巴多聚腺苷酸尾巴(poly A tail)帽子结构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帽帽子子结结构构的的生生成成5 ppGp磷酸酶磷酸酶 Pi2 2 mRNA的剪接的剪接（1） hnRNA 和和 snRNA 核内的初级核内的初级mRNA称为称为杂化核杂化核RNA (hetero-nuclear RNA, hnRNA) snRNA (small n
17、uclear RNA)核内的蛋白质核内的蛋白质小分子核糖核酸蛋白体小分子核糖核酸蛋白体（并接体（并接体, , splicesome）snRNA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)CABD编码区编码区 A、B、C、D非编码区非编码区（2） 外显子外显子(exon)和内含子和内含子(intr
18、on) 外显子外显子在断裂基因及其初级转录产物上出现，在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟并表达为成熟RNA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隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列。除去的核酸序列。 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鸡卵清蛋白成熟鸡卵清蛋白成熟mRNA与与DNA杂交电镜示意图杂交电镜示意图DNAmRNA（二）（二）rRNA的转录后加工的转录后加工转录转录45S - rRNA剪接剪接18S -
19、 rRNA5.8S和和28S-rRNArDNA内含子内含子内含子内含子28S5.8S18S（三）（三）tRNA的转录后加工的转录后加工tRNA前体前体RNA pol TGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNARNAaseP、内切酶内切酶tRNA核苷酸转移酶、核苷酸转移酶、连接酶连接酶ATPADP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）转录过程的选择性抑制剂转录过程的选择性抑制剂 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 以病毒以病毒RNA为模板，在为模板，在RNA复制酶催复制酶催化下，以四种化下，以四种NTP为底物，按碱基配对为底物，按碱基配对原则，以原则，以5 3方向合成互补链的全序列。方向合成互补链的全序列。 RNA复制复制 转录、有义链、反义链概念；掌握转录、有义链、反义链概念；掌握RNA的的转录过程：起始位点和识别、起始、延伸、终转录过程：起始位点和识别、起始、延伸、终止；转录后加工；了解止；转录后加工；了解RNA的复制。的复制。本章重点本章重点
