1、暨南大学药学院1细胞与分子生物学细胞与分子生物学暨南大学药学院2内容 第四篇 遗传信息的储存、传递和调控16章章 DNA的复制及损伤修复的复制及损伤修复17章章 RNA的生物合成、转录后加工和调节的生物合成、转录后加工和调节18章章 蛋白质的生物合成及其加工修饰蛋白质的生物合成及其加工修饰19章章 基因表达的调控基因表达的调控20章章 重组重组DNA技术技术21章章 基因诊断与基因治疗基因诊断与基因治疗暨南大学药学院317章 RNA的生物合成、转录后加工和调节暨南大学药学院4第一节 基因转录的基本性质是以DNA单链为模板，NTP为原料，在DNA依赖的RNA聚合酶催化下合成RNA链的过程。n D
2、NA上的转录区域称为 n 转录是基因表达的第一阶段也是基因调节的主要阶段。暨南大学药学院5转录与复制的异同相同相同差异差异转录转录复制复制模版模版DNA一条链一条链2条条原料原料核苷三磷酸核苷三磷酸NTPdNTP碱基配对碱基配对遵从碱基配对遵从碱基配对A-U,G-C,T-A聚合酶聚合酶依赖依赖DNA的酶的酶RNA聚合酶聚合酶DNA聚合酶聚合酶产物产物多核苷酸链多核苷酸链RNA双链双链DNA特点特点不对称转录不对称转录半保留半不半保留半不连续连续暨南大学药学院6 DNA分子中编码RNA的区段 Watson W链 负链 Crick C链 正链 不同基因的模板链核编码链并不是固定在某一条链上。暨南大
3、学药学院7： 以核糖核苷三磷酸（rNTP）为底物；以DNA为模板；按53方向合成；无需引物的存在能单独起始链的合成；合成时，第一个引入的NTP是以三磷酸形式存在；在体内DNA双链中仅一条链作为转录的模板；RNA的序列和模板是互补的；RNA聚合酶无校正能力。 原核生物的RNA聚合酶细菌中只有一种 真核生物的RNA聚合酶真核生物有三类不同的第二节 RNA聚合酶暨南大学药学院8RNA的酶促合成暨南大学药学院9一、原核生物的RNA聚合酶 大肠杆菌RNA聚合酶的组成450kd，5个亚基2个Alpha亚基参与全酶的组装及识别启动子亚基与NTP及新生链结合亚基与模板DNA结合亚基辨认转录起始点，延伸阶段与核
4、心酶分离，一种转录辅助因子暨南大学药学院10 因子 原核只有一种RNA聚合酶，但有多种因子 在不同的条件下被表达，并与相应启动子结合 基因启动子35和10区的保守序列是其识别位点暨南大学药学院11RNA polymerase in prok. Core EnzymeHolo Enzyme for elongationfor initiation依靠静电作用力依靠静电作用力依靠空间结构依靠空间结构非专一性与非专一性与DNA 结合结合专一性与专一性与 DNA结合结合结合常数；结合常数；1011/mol结合常数；结合常数；1014/mol半衰期；半衰期；60衰期；数小时衰期；数小时cover60bp
5、 暨南大学药学院12基因 产物 功能E.coli RNA Pol 的结构和功能rpoA 2 亚基(每个40kD)酶的连接，装配启动子的识别结合某些活化因子rpoB 亚基(160kD)rpoC 亚基(160kD)rpoD 亚基(3290kD)和底物结合催化核心和模板结合和启动子结合识别模板链暨南大学药学院13原核生物原核生物RNApol (Core) 的结构与功能的结构与功能Enzyme MovementDNA coding strand ( )Rewinding point ()Unwinding point ()RNA binding site RNA/DNA hybrid ()DNA te
6、mplate strand Holo Enzyme 使使 DNA 形成形成10-17bp的解链区的解链区 暨南大学药学院14 RNA 聚合酶需执行多功能：识别DNA双链上的启动子；使DNA在启动子处解链成单链； 通过阅读启动子序列，RNA聚合酶确定它自己的转录方向和模板链；最后当它达到终止子时，通过识别停止转录 暨南大学药学院15二、真核生物的RNA聚合酶 已发现有3种 对抑制剂鹅膏覃碱的敏感性有差异 转录产物不同暨南大学药学院16 转录何处开始？ 启动子DNA模板上被RNA聚合酶识别并结合形成转录起始复合物的区段。 原核生物启动子 真核生物启动子第三节 与转录有关的DNA结构暨南大学药学院1
7、7一、原核生物启动子 A or G 一致序列TATAAT pribnow box 一致序列TTGACA 因子识别位点，全酶结合于此， Sextama box 长短比序列重要暨南大学药学院18大肠杆菌启动子的保守序列暨南大学药学院19 RNA聚合酶I 的启动子rRNA 45s RNA，再加工成5.8s,18s,28s rRNA，启动子由核心启动子和上游的调控元件组成二、真核生物启动子暨南大学药学院20 RNA聚合酶II 的启动子90的GC盒，70的CAAT盒，30处的TATA盒与原核生物相似，大多为A或GmRNA，种类繁杂种类繁杂，启动子多样性，还发现其还发现其它的相关元件它的相关元件。各种元件
8、有不同的组合。II是最活跃的聚合酶。暨南大学药学院21真核RNA聚合酶II启动子和增强子通过蛋白质的介导互相结合，形成环，启动转录暨南大学药学院22真核启动子含有的各种元件和分布暨南大学药学院23 RNA聚合酶III的启动子催化snRNA, tRNA, 5S RNA的转录需要其它辅助因子共同作用snRNA启动子与蛋白质基因启动子相似tRNA, 5S RNA内部启动子暨南大学药学院24真核RNA启动子的基因内启动子和基因外启动子暨南大学药学院25真核启动子不同于原核的特点 有多种元件； 结构不恒定； 它们的位置、基序、距离和方向都不完全相同； 有的有远距离的调控元件存在，如增强子、沉默子等； 这
9、些元件常常起到控制转录效率和选择起始位点的作用； 。暨南大学药学院26 转录的起始 转录的延伸 转录的终止第四节 转录过程暨南大学药学院27转录的起始 原核生物转录的起始 真核生物转录的起始暨南大学药学院28原核生物的转录起始 1. 在的参与下与模板的DNA接触，生成非专一的，不稳定的复合物在模板上移动； 2. ：全酶与模板的启动子结合，产生封闭的“酶酶-启动子二元复合物启动子二元复合物”（closed binary complex）； 3. 酶紧密地结合在启动子的-10序列处，模板DNA局部变性，形成“”（open binary complex）； 4. 酶移动到转录起始点上，第一个rNTP
10、转录开始，因子释放，形成酶酶-启动子启动子-rNTP三元复合体三元复合体。暨南大学药学院29E.coli转录的起始暨南大学药学院30真核生物的转录起始 每种RNA聚合酶都需要一些蛋白质辅助因子，即转录因子，transcription factor（I,II,III类分别对应于聚合酶）转录起始RNA聚合酶I催化的RNA聚合酶II催化的RNA聚合酶III催化的暨南大学药学院31RNA聚合酶I催化的起始 转录起始点上游有2个顺式作用元件，核心核心元件元件core element和上游调控元件和上游调控元件UCE。RNA聚合酶I催化的转录需要2种转录因子，。SL1有4个亚基，是,另是TBP相关因子。暨
11、南大学药学院32p342UBF和UCE结合令DNA发生弯曲，使相距上百bp的UCE 和核心元件靠拢，接着SL1和polI相继结合到UBF-DNA复合物上，完成复合物的组建，开始转录。暨南大学药学院33 Pre-rRNA Allows RNApol binding complex to initiate RNApol 暨南大学药学院34RNA聚合酶II催化的起始转录因子转录因子： 需要较多的转录因子参与转录起始复合物的组装转录起始复合物的组装：TFII-D与TATA盒结合，。 TFII-A存在时与TFII-D结合成D-A复合物，防止复合物与抑制因子的结合，继而与TFII-B结合。，此时不能启动转
12、录，必须TFII-E和TFII-H/ TFII-J的参与。，使起始部位DNA解链。 还有蛋白激酶活性，这是聚合酶离开起始点继续转录的重要因素。暨南大学药学院35真核生物的转录RNA Pol 的转录起始暨南大学药学院36RNA Pol 的转录起始暨南大学药学院37TATA +1 Wilds minor groove TFII A TBP of D pre-TIC TFII F RNApol IITFII B Basic TIC conclusion暨南大学药学院38mRNA Promoter clearance Transcription startingEHJE H B D AJ暨南大学药学院
13、39RNA聚合酶III催化的起始 需要3个蛋白质因子TFIII-A,B,C。 tRNA基因转录的起始基因转录的起始： 在DNA上的调控序列位于起始转录位点的下游，称为内部启动子。有2个调控区，A盒和B盒。 5s RNA基因转录的起始基因转录的起始：除了TFIII-B,C外，还需要TFIII-A，首先TFIII-A结合到下游C盒，然后TFIII-C结合到A盒和B盒，继而是类似tRNA的转录暨南大学药学院40TFIII C +1 A box B box tDNA TFIIIB TBPBRFB暨南大学药学院41TFIIIB allows RNApol III to bindand initiate
14、transcription tRNA RNApolIII +1暨南大学药学院42 RNApolIIITFIIIC TFIIIA +1 A box C box TFIIIB rRNA 5s pre-rRNA transcription暨南大学药学院43转录的延伸 延伸阶段，原核和真核比较相近。聚合酶如何向转录起始点下游移动？转录区的模板如何形成局部单链区？暨南大学药学院44原核生物的延伸原核生物的延伸：核苷酸链中的的一个磷酸二酯键形成后， 因子从全酶中解离出来，核心酶沿DNA分子移动。真核生物真核生物： RNA聚合酶需要较多的转录因子，起始后酶的移动也靠多种转录因子的共同作用使酶的构象发生改变来
15、实现，如在TFII-H的作用下，polII C端丝氨酸的磷端丝氨酸的磷酸化酸化是向下游移动的重要因素。暨南大学药学院45转录的延伸延伸时RNA 聚合酶以稳定收缩和突然伸展的方式在DNA上“爬行”，稳定的收缩是指RNA聚合酶从35bp长连续地收缩到28bp，然后前端又突然向前伸展8bp,RNA聚合酶又恢复到35 bp长。 暨南大学药学院46转录泡p345 在转录延伸的过程中，DNA双链需要解开1020bp，形成的局部单链区象一个小泡 为了保持局部的转录泡状态，在RNA聚合酶下游的DNA需要不断的解链，可使越缠越紧，而其链变得松弛，产生。解旋酶和拓扑酶可以消除这些螺旋暨南大学药学院47 第一个磷酸
16、二酯键的形成是由第一个核苷酸的3OH与第二个核苷酸的5磷酸之间脱水形成的。 在转录局部形成的RNA:DNA杂合双链之间的力比DNA双链的弱，延长中的RNA链的5端会被重新形成的DNA双链挤出，使合成中的RNA链的5端游离端游离于转录复合物于转录复合物。暨南大学药学院48转录的终止 生物转录的终止处有特殊结构的存在，称为终止终止子子 在原核细胞中有两种不同的终止子，一种是强终强终止子止子，另一种是。强终止子在体外实验中，无需其他任何因子的帮助就可以终止核心酶，这种终止子被称为（intrinsic terminators）。弱终止子需要在一种蛋白质因子（rho factor）的帮助一才能终止，所以
17、又称为依赖性终止子依赖性终止子（Rho-dependent terminator） 暨南大学药学院49强终止子的结构强终止子的结构有三个特点：有回文有回文结构存在结构存在。由它转录出mRNA可形成茎环结构，可阻止RNA 聚合酶的前进；，由于它和模板形成的连续U-A配对较易打开，从而便于释放出RNA。暨南大学药学院50弱终止子的结构它也可形成茎环结构，但在茎中的茎中的G.C含量少含量少，茎环易打开。在，因此RNA 聚合酶合成此段RNA后，由于茎环的存在可使聚合酶暂停一下，若此时追上来和聚合酶结合，那么转录即可终止，若无因子聚合酶还可越过终止进行“通读”。暨南大学药学院51RNA聚合酶转录mRNA
18、 因 子 附 着 到mRNA识别位点因子在RNA聚合 酶 后 面 沿mRNA移动RNA聚合酶在终止位点停留，因子赶上了聚合酶在转录泡中因子解开DNA-RNA杂合链终止RNA聚合酶，因子和RNA被释放在原核mRNA转录中依赖性终止机制暨南大学药学院52依赖性终止子，其共同特点是C丰富，G缺乏暨南大学药学院53RNA聚合酶转录出mRNA后核糖体结合到mRNA上核糖体在突变位点解离 因 子 追 上 了RNA聚合酶转录提前终止无义突变时因子可能使转录提前终止暨南大学药学院54原核转录的过程暨南大学药学院55真核生物转录的终止 机制了解不多，且3种聚合酶的转录终止不完全相同。 RNA聚合酶聚合酶I催化的
19、转录有18bp的终止子序列，可被辅助因子识别。RNA聚合酶聚合酶II和和III催化转录催化转录的终止子的终止子，可能有与原核生物不依赖因子的终止子相似的结构和终止机制，即有。 由于成熟的mRNA3端已被切除了一段，并加入了polyA尾巴，具体的转录终止点目前尚未认识。暨南大学药学院56真核生物的转录终止爪蟾rDNA的转录终止位点真核生物的RNA大部分都要经过加工，包括剪切和加上poly(A)，因此对于其终止的情况了解因此对于其终止的情况了解很少，只有少数的例子搞得比较清楚很少，只有少数的例子搞得比较清楚。前体RNA转录的终止是随着组织的变化而变化。例如在爪蟾中有两个重要的转录终止位点：T2和T
20、3。T2是28SrRNA序列3末端下游约235bp序列。T3是排列在下一个转录单位的上游约200bp处。T2和T3都含有7个碱基的保守序列：5-GACTTGC-3。T2是前体rRNA转录的初始终止位点。T3是作为是作为“失败失败-保险保险”的终止位的终止位点点，由于rDNA转录单位是串联排列的，所以“失败-保险”终止系统让RNA Pol分子可能在一个转录单位上起始和转录。 暨南大学药学院57第五节 RNA转录后加工 原核生物RNA转录后的加工mRNA转录后的加工rRNA转录后的加工tRNA转录后的加工 真核生物RNA转录后的加工rRNA转录后的加工tRNA转录后的加工mRNA转录后的加工暨南大
21、学药学院58原核生物RNA转录后的加工 mRNA的加工的加工：mRNA转录产物，一般无需加工即具有活性，可作为翻译的模板。但近年也发现要添加3polyA的现象。tRNA, rRNA的加工修饰较多。 rRNA的加工的加工：rRNA基因常与一些tRNA基因混合组成一个操纵子，呈有序排列。RNA酶酶III对其转录产物进行切割，其产物还需再加工才成为成熟的rRNA，具体机制不明。暨南大学药学院59原核生物RNA转录后的加工 tRNA的加工的加工：原核生物tRNA的初始转录产物有几种形式，1、与rRNA相连；2、相同的几个拷贝连在一起；3、不相同的几个连在一起。要经过多个加工程序才能成为成熟的tRNA。
22、参与tRNA加工的酶类有多种包括：RNA酶III，RNA酶D，RNA酶P，tRNA核苷酸转移酶暨南大学药学院60真核生物RNA转录后的加工 rRNA的加工的加工：有5s，5.8s，18s，28s四种，其中5.8s，18s，28s 是由RNA聚合酶I催化一个转录单位（中度重复序列），产生45s rRNA前体，rRNA转录后加工包括前体rRNA与蛋白质结合，然后再切割和甲基化。 转录在核仁进行，新生的前体迅速与蛋白质结合成前体核糖体颗粒，然后，其中的RNA经一系列切割先产生18s rRNA，该RNA与蛋白质组成核糖体的小亚基。余下的部分再拼接成5.8S, 28S rRNA。前体rRNA的切割在特殊
23、序列位点，可能是由核仁小RNA(snoRNA)催化。，在切割加工后，甲基化仍保留，甲基化的位点在脊椎动物中是高度保守的。进入核仁与28s，5.8s rRNA及蛋白质一起组成核糖体的大亚基，以大亚基的形式通过核孔进入胞浆。 暨南大学药学院61真核生物RNA转录后的加工 tRNA的加工的加工：包括，有些需要剪接。有些tRNA基因在反密码环处含有内含子，剪接加工与前体mRNA的加工有所不同：在内含子两端切割去除内含子后将外显子连接，没有转酯反应。暨南大学药学院62真核生物mRNA转录后加工 RNA聚合酶II催化转录，初始产物为，新生的hnRNA从开始形成到转录终止，就逐步与蛋白质形成，前体mRNA加
24、工的顺序是形成5帽子结构、内切酶去除3端序列、polyA聚合酶催化形成尾巴；剪接取出内含子变成成熟的mRNA暨南大学药学院635帽的形成 P348 经鸟苷酰转移酶催化与另一个经鸟苷酰转移酶催化与另一个GTP作用作用 在鸟嘌呤在鸟嘌呤7甲基转移酶作用下，以甲基转移酶作用下，以S-腺腺苷蛋氨酸为甲基来源苷蛋氨酸为甲基来源 再经再经2甲基转移酶催化甲基转移酶催化 5帽子的类型帽子的类型暨南大学药学院64前mRNA3端切除及加polyA尾 除组蛋白的mRNA外，真核生物所有的mRNA都有3polyA尾。polyA，。暨南大学药学院65mRNA的剪接 剪接splicing 几乎所有真核生物的核前体mRN
25、A都有特征的GU/AG序列，称为。内含子离3剪切点2050bp范围内有一个A也是不变的，称为。分支点附近也有保守序列。暨南大学药学院66剪接过程p350 由核小RNA与蛋白质组成的核小核糖核蛋白与内含子结合，通过中的与5剪接点互补结合，与内含子分支点序列互补，以及snRNP之间的相互作用，内含子折叠，使内含子两侧的外显子靠近，利于剪接反应的进行。 剪接反应通过2次转酯，释放出的第一内含子。暨南大学药学院67 核mRNA从核内转运至胞浆 mRNA在胞浆中的定位 胞浆中mRNA的稳定性第六节 mRNA的转运及其在胞浆中的定位、稳定性暨南大学药学院68核mRNA从核内转运至胞浆 前体mRNA（hnR
26、NA）的加工在核内特定加工在核内特定的亚核结构（核基质）中进行的亚核结构（核基质）中进行。随着新合成的mRNA链延长，不断有hnRNP结合到链上，同时形成剪接体。加工成熟后，去除剪接的蛋白质，但有不少蛋白质结合，形成，成熟成熟mRNA以以mRNP的形式从细胞核内通过核的形式从细胞核内通过核孔进入胞浆孔进入胞浆。mRNPs在核内呈盘绕状在核内呈盘绕状，当它通过核孔时就呈非盘绕状。暨南大学药学院69核mRNA从核内转运至胞浆 mRNA的的5端起导引作用端起导引作用，进入胞浆后即与核糖体结合，牵制住mRNA。 5端帽子结构端帽子结构在在mRNA从核内转运至胞浆过程的从核内转运至胞浆过程的作用是作用是
27、被转运机制识别被转运机制识别。 mRNP进入胞浆后，从核内随mRNA转运至胞浆的hnRNP的蛋白质组分解离，重新进入细胞核。 组成mRNP的蛋白质组分结合到mRNA链上，特别是在3polyA结合蛋白（PABP），PABP与核内结合在polyA上的结合蛋白（PABPII）是不同的蛋白质。 mRNP中蛋白质与蛋白质与RNA的比例的比例比hnRNP中的少。暨南大学药学院70mRNA在胞浆中的定位 胞浆中的mRNA和核糖体一起与粗面内质网的膜紧密结合。 结合在mRNA3polyA的PABP又与肌动蛋白微丝组成的细胞骨架结合。 某些。机制不清楚。暨南大学药学院71胞浆中mRNA的稳定性 根据功能不同而有所差异，真核生物多数mRNA半衰期可达数小时，调节因子的mRNA只需短时表达，半衰期较短。 mRNA的是不稳定因素。许多半衰期短的mRNA含有这类序列。 转铁蛋白受体mRNA的稳定性调节，与其非翻译区铁应答元件IRE重复序列有关。暨南大学药学院72思 考 题RNA有很多种，它们分别由哪一种RNA聚合酶催化合成？和因子在转录过程中的作用是什么？homework不同RNA聚合酶的启动子有什么特征？RNA聚合酶II催化的转录起始有何特点？ homework真核生物RNA转录后加工的内容是什么？真核生物内含子是如何剪接的？核RNA如何转运至胞浆？ homework暨南大学药学院73
