1、目录目录第第14章章RNA的生物合成的生物合成RNA Biosynthesis ( Transcription )目录目录转录转录 (transcription) 是是生物体以生物体以DNA为为模板合成模板合成RNA的过程的过程 。 转转录录RNADNA 目录目录n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 : : 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复制和转录的区别复制和转录的区别A-U，T-A，G-CA-T，G-C配对配对mRNA，tRNA，rRNA
2、子代双链子代双链DNA（半保留复制）半保留复制）产物产物RNA聚合酶（聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶聚合酶酶酶NTPdNTP原料原料模板链转录（不对称转录）模板链转录（不对称转录）两股链均复制两股链均复制模板模板转录转录复制复制A-U，T-A，G-CA-T，G-C配对配对mRNA，tRNA，rRNA子代双链子代双链DNA（半保留复制）半保留复制）产物产物RNA聚合酶（聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶聚合酶酶酶NTPdNTP原料原料模板链转录（不对称转录）模板链转录（不对称转录）两股链均复制两股链均复制模板模板转录转录复制复制目录目录转录的基本特征转录的基本特征第一节第一节目录目录一、
3、选择性转录一、选择性转录 DNA分子上转录出分子上转录出RNA的区段，称为的区段，称为结构基因结构基因(structural gene)。目录目录对结构基因的具体转录方式是对结构基因的具体转录方式是不对称转录不对称转录(asymmetric transcription)，它有两方面含，它有两方面含义：在义：在DNA分子双链上，一股链用作模板指引分子双链上，一股链用作模板指引转录，另一股链不转录；其二是模板链并非总转录，另一股链不转录；其二是模板链并非总是在同一单链上。是在同一单链上。二、不对称转录二、不对称转录目录目录5GCAGTACATGTC 33 c g t g a t g t a c a
4、 g 55GCAGUACAUGUC 3NAla Val His Val C编码链编码链模板链模板链mRNA蛋白质蛋白质转录转录翻译翻译 DNA双链中按碱基配对规律能指引转录生成双链中按碱基配对规律能指引转录生成RNA的一股单链，称为的一股单链，称为模板链模板链(template strand)，也称，也称作作反义链反义链。相对的另一股单链是。相对的另一股单链是编码链编码链(coding strand)，也称为，也称为有义链有义链。 目录目录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n不对称转录不对称转录三、转
5、录后加工三、转录后加工目录目录RNARNA聚合酶聚合酶第二节第二节目录目录一、一、RNA聚合酶的特点聚合酶的特点 DNA依赖的依赖的RNA聚合酶催化合成聚合酶催化合成RNA； RNA合成的化学机制与合成的化学机制与DNA依赖的依赖的DNA聚合酶聚合酶催化催化DNA合成相似。合成方向合成相似。合成方向5-3。 ( NMP )n + NTP ( NMP ) n+1 + PPiRNA延长的延长的RNA目录目录 DNA聚合酶在启动聚合酶在启动DNA链延长时需要引物存链延长时需要引物存在，而在，而RNA聚合酶聚合酶不需要引物不需要引物就能直接启动就能直接启动RNA链的延长。链的延长。 RNA聚合酶和聚合
6、酶和DNA的特殊序列的特殊序列启动子启动子(promoter)结合后，就能启动结合后，就能启动RNA合成。合成。 目录目录二、原核生物二、原核生物RNA聚合酶聚合酶 36512 决定哪些基因被转录决定哪些基因被转录 150618 催化功能催化功能 155613 结合结合DNA模板模板 70263 辨认起始点辨认起始点亚亚 基基分分 子子 量量功功 能能还有还有亚基亚基,分子量分子量10100,促促RNA聚合酶装配聚合酶装配目录目录Roger Kornberg wins the 2006 Nobel Prize in Chemistry He and his father are the six
7、th father and son to win Nobel Prizes目录目录核心酶核心酶 (core enzyme)全酶全酶 (holoenzyme) 转录起始阶段转录起始阶段转录延长阶段转录延长阶段 目录目录三、三、 真核生物真核生物RNA聚合酶聚合酶n 真核生物具有真核生物具有3种不同的种不同的RNA聚合酶聚合酶: RNA聚合酶聚合酶（RNA Pol） RNA聚合酶聚合酶（RNA Pol） RNA聚合酶聚合酶（RNA Pol ）目录目录种类种类对鹅膏蕈碱对鹅膏蕈碱的反应的反应45S-rRNAhnRNA5S-rRNAtRNAsnRNA耐受耐受极敏感极敏感中度敏感中度敏感转录产物转录产物
8、真核生物的真核生物的RNARNA聚合酶聚合酶RNA聚合酶聚合酶由由12个亚基组成个亚基组成目录目录间隔序列间隔序列间隔序列间隔序列28S5.8S18S45SrRNA间隔序列间隔序列间隔序列间隔序列28S5.8S18SDNA目录目录destroying angel 目录目录目录目录RNA聚合酶聚合酶最大亚基的羧基末端有一段共有序最大亚基的羧基末端有一段共有序列列(consensus sequence)为为Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Ser的重复序列片段，称为的重复序列片段，称为羧基末端结构域羧基末端结构域(carboxyl-terminal domain, CTD)。 CTD
9、对于维对于维持真核细胞中的转录是必需的。持真核细胞中的转录是必需的。目录目录大肠杆菌大肠杆菌RNARNA的转录合成的转录合成第三节第三节目录目录一、转录起始一、转录起始 每一个转录区段可视为一个转录单位，在每一个转录区段可视为一个转录单位，在原核原核生物生物中被称为中被称为操纵子操纵子(operon)。操纵子包括若干。操纵子包括若干个结构基因及其上游个结构基因及其上游(upstream)的调控序列。的调控序列。5 3 3 5 结构基因结构基因调控序列调控序列RNA-pol目录目录1、启动子、启动子 调控序列中的启动子是调控序列中的启动子是RNA聚合酶结合模板聚合酶结合模板DNA的部位，也是控制
10、转录的关键部位。的部位，也是控制转录的关键部位。 原核生物以原核生物以RNA聚合酶全酶结合到聚合酶全酶结合到DNA的启的启动子上而起动转录，其中由动子上而起动转录，其中由亚基辨认启动子，其亚基辨认启动子，其他亚基相互配合。他亚基相互配合。 目录目录开始转录开始转录T T G A C AA A C T G T-35 区区RNA-pol结合位点结合位点(Pribnow 框框)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(Sextama框框) 5 5 启动子启动子结构基因结构基因3 3 目录目
11、录目录目录 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。 DNA双链解开，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。2、起始过程、起始过程n转录起始需解决两个问题：转录起始需解决两个问题：目录目录nE.coli的转录起始和延长的转录起始和延长 2. DNA双链局部解开，形成双链局部解开，形成开放转录复合体开放转录复合体(open transcription complex) ；1. RNA聚合酶全酶聚合酶全酶( 2)与模板结合，形成与模板结合，形成闭闭合转录复合体合转录复合体(closed transcription c
12、omplex) ；3. 在在RNA聚合酶作用下发生第一次聚合反应，形聚合酶作用下发生第一次聚合反应，形成转录起始复合物：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 + ppin转录起始过程：转录起始过程：目录目录第一个磷酸二酯键生成后，第一个磷酸二酯键生成后，亚基即从转录起亚基即从转录起始复合物上脱落，核心酶连同四磷酸二核苷始复合物上脱落，核心酶连同四磷酸二核苷酸，继续结合于酸，继续结合于DNA模板上，酶沿模板上，酶沿DNA链前链前移，进入延长阶段。移
13、，进入延长阶段。 目录目录二、二、 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转录空泡转录空泡(transcription bubble)：RNA-pol （核心酶）（核心酶） DNA RNA5 3 DNAn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聚合酶聚合酶在同一在同一DNA模板上，有
14、多个转录同时在进行；模板上，有多个转录同时在进行；转录尚未完成，翻译已在进行。转录尚未完成，翻译已在进行。 这种形状说明：这种形状说明：目录目录原核生物转录与翻译同步进行的现象原核生物转录与翻译同步进行的现象目录目录目录目录依赖依赖Rho 因子的转录终止因子的转录终止不依赖不依赖Rho因子的转录终止因子的转录终止三、转录终止三、转录终止n依据是否需要蛋白质因子的参与，原核生物依据是否需要蛋白质因子的参与，原核生物转录终止分为：转录终止分为： 目录目录因子是由相同亚基组成的六聚体蛋白质，因子是由相同亚基组成的六聚体蛋白质，亚基分子量亚基分子量46kD。因子能结合因子能结合RNA，又以对，又以对p
15、oly C的结合力的结合力最强。最强。因子还有因子还有ATP酶活性和解螺旋酶酶活性和解螺旋酶(helicase)的活性。的活性。1、依赖、依赖因子的转录终止因子的转录终止n因子：因子： 目录目录n因子的作用原理：因子的作用原理：序列中有富含序列中有富含CA的的rut元件元件目录目录目前认为，目前认为，因子终止转录的作用是：与因子终止转录的作用是：与RNA转转录产物结合，结合后录产物结合，结合后因子和因子和RNA聚合酶都可发聚合酶都可发生构象变化，从而使生构象变化，从而使RNA聚合酶停顿，解螺旋聚合酶停顿，解螺旋酶的活性使酶的活性使DNA/RNA杂化双链拆离，利于产物杂化双链拆离，利于产物从转录
16、复合物中释放从转录复合物中释放 。目录目录2、不依赖、不依赖 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，有些特殊的碱基序列基序列( (使转录产物富含使转录产物富含G/CG/C的回文序列和一的回文序列和一连串的连串的U U序列序列) )，转录出，转录出RNA后，后，RNA产物形产物形成特殊的结构来终止转录。成特殊的结构来终止转录。5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3 5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGC
17、CUUUUU. 3 RNA 5 TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT. 3 DNA UUUU.5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3近终止区的转录产物形成发夹近终止区的转录产物形成发夹(hairpin)结构结构是非依赖是非依赖因子终止的普遍现象。因子终止的普遍现象。 n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
18、物释放。5 pppG5 3 3 5 RNA-pol目录目录真核生物真核生物RNA的转录后加工的转录后加工第四节第四节目录目录真核生物转录生成的真核生物转录生成的mRNA分子是初级分子是初级RNA转转录物录物(primary RNA transcript，hnRNA) 经过经过加工而来。加工而来。加工主要在细胞核中进行。加工主要在细胞核中进行。一、一、mRNA前体前体目录目录目录目录真核生物结构基因，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
19、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非编码区非编码区目录目录外显子外显子(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，并表达为成熟现，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隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列。中被除去的核酸序列。 目录目录n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
20、切剪切(cleavage)3. 修饰修饰(modification)4. 添加添加(addition)目录目录1、加帽、加帽大多数真核大多数真核mRNA的的5-末端有末端有7-甲基鸟嘌呤甲基鸟嘌呤的帽结构。的帽结构。这个真核这个真核mRNA加工过程的起始步骤由两种加工过程的起始步骤由两种酶，酶，加帽酶加帽酶(capping enzyme)和和甲基转移酶甲基转移酶(methyltransferase)催化完成。催化完成。 目录目录n帽子结构：帽子结构：目录目录n帽子结构的意义：帽子结构的意义：可以使可以使mRNA免遭核酸酶的攻击；免遭核酸酶的攻击；也能与帽结合蛋白质复合体也能与帽结合蛋白质复合体
21、(cap-binding complex of protein)结合，并参与结合，并参与mRNA和核和核糖体的结合，启动蛋白质的生物合成。糖体的结合，启动蛋白质的生物合成。 目录目录尾部修饰是和转录终止同时进行的过程。尾部修饰是和转录终止同时进行的过程。poly A的有无与长短，是维持的有无与长短，是维持mRNA作为翻译模作为翻译模板的活性，以及增加板的活性，以及增加mRNA本身稳定性的因素。本身稳定性的因素。一般真核生物在胞浆内出现的一般真核生物在胞浆内出现的mRNA，其，其poly A长度为长度为100至至200个核苷酸之间，也有少数例外。个核苷酸之间，也有少数例外。 2、加尾、加尾目录目
22、录3. mRNA的剪接的剪接 除去除去hnRNAhnRNA中的内含子，将外显子连接。中的内含子，将外显子连接。目录目录二、二、rRNA前体前体转录转录45S - rRNA剪接剪接18S - rRNA5.8S和和28S-rRNArDNA内含子内含子内含子内含子28S5.8S18S目录目录三、三、tRNA的前体的前体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）目录目录RNA生物合成的抑制剂生物合成的抑制剂第五节第五节目录目录 小结小结 不对称转录不对称转录RNA聚合酶聚合酶启动子概念启动子概念原核生物转录大概过程原核生物转录大概过程 真核生物的断裂基因、内含子、外显子概念真核生物的断裂基因、内含子、外显子概念 真核真核mRNA的转录后加工的转录后加工tRNA的转录后加工的转录后加工rRNA的转录后加工的转录后加工
