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1、第14章 RNA的生物合成转录,RNA Biosynthesis：Transcription,本章主要内容,转录及其特点 转录的起始 原核生物转录过程 真核生物转录过程 转录后的加工成熟 基因表达的调节,重点与难点：,原核生物转录过程RNA转录后的加工原核基因表达调节操纵子学说,以DNA为模板，在RNA聚合酶的作用下合成RNA，将遗传信息从DNA分子上转移到RNA分子上的过程称为转录。,一、转录及其特点,转录的特点：,（1）以 DNA为模板，在RNA聚合酶的作 用下合成RNA。（2）转录具有不对称性；（3）转录不需要引物，方向5到3；（4）转录的忠实性相对弱；（5）转录首先得到RNA前体，然后
2、再进 行加工转变为成熟的RNA。,不对称转录（一条链被转录）,转录的不对称性：在RNA的合成中， DNA的二条链中仅有一条链可作为转录的模板，称为转录的不对称性。,复制和转录的区别,二、转录的起始,RNA聚合酶 启动子,1. RNA聚合酶（RNA-pol）,分子量50万u，5个亚基 全酶= 核心酶（2）+ 因子,核心酶 (core enzyme),全酶 (holoenzyme),（1）原核生物RNA聚合酶,亚基的功能：,聚合酶 I ：转录5.8S, 18S, 28S rRNA前体聚合酶 II：转录mRNA的前体聚合酶 III：转录tRNA和5S rRNA,（2）真核的RNA聚合酶,2. 启动子
3、（promoter）,启动子是指转录开始时, RNA聚合酶与模板DNA分子结合的特定部位。位于基因上游，含有与RNA聚合酶识别、结合和转录起始位点。,TATAAT,-10 区,原核生物启动子：,TTGACA,-35 区,RNA-pol 识别位点(recognition site),5,5,启动子,3,3,RNA-pol 结合位点(Pribnow box),-35顺序：TTGACA序列，是RNA-pol对转 录起始的辨认位点。 -10顺序：TATAAT，是双螺旋打开形成起 始复合物的区域。,TATA,-25 区,-70,-25,-80,5 3 ,3 5 ,CAAT box,-75 区,转录的起始
4、频率有关,5,5,启动子,结构基因,3,3,聚合酶定位、 DNA双链解开，决定转录的起始位点,真核生物启动子：,(1) RNA聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域。(2) DNA双链解开，使其中的一条链作为转录的模板。,转录起始需解决的问题：,三、原核生物转录过程, RNA聚合酶的因子识别起始位点，并使全酶结合到启动子上。 DNA双链解开。 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。 聚合的方向5到3。,5-pppG -OH + NTP 5-pppGpN - OH 3 + ppi,1. 转录起始过程,50,10,RNA聚合酶结合在启动子上,上游,下游,2. RNA链的延伸
5、, 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；, 由核心酶催化，以其中的一股DNA单链作为模板链，以NTP为原料，按照碱基互补配对的原则，通常是由5ppp嘌呤核苷（G 或A）开头向着3方向延长多核苷酸链。, 转录泡(transcription bubble)形成,RNA聚合酶、DNA模板、新转录的RNA复合物,转录过程中的模板识别、起始和延伸,3. 转录终止,在终止点之前具有一段富含G-C的回文区域，转录后易形成发夹结构。富含G-C的区域之后是一连串的dA 碱基序列， 它们转录的RNA链的末端为一连串U。,DNA分子末端提供转录停止信号的DNA序列称为终止子（
6、terminators)，它能使RNA聚合酶停止合成RNA并释放出RNA。,ATP,缺少发夹结构：需要因子（终止因子）， 识别终止信号终止转录,新生RNA上有因子的识别位点。它与聚合酶-DNA-RNA复合物结合，向3端移动，解开DNA-RNA杂交体，需ATP。,四、真核生物的转录,真核生物转录比原核复杂，主要区别：转录与翻译在不同区域： 原核：转录与翻译偶联进行。 真核：转录在细胞核，翻译在核外。RNA聚合酶不同启动子不同,转录的过程,原核生物：2 +DNA模板+pppGp N-OH3形成转录起始复合物。,真核生物：RNA-pol不与DNA分子直接结 合，需众多的转录因子参与。, 转录的起始,
7、 转录的延长,基本相似，只是催化的酶不同，都是转录空泡沿着模板链向前滑动，转录出相应的RNA，但真核生物需要许多转录因子参与，且转录与翻译不同步。, 转录终止,原核：非依赖因子和依赖因子 识别特异的终止信号。,真核：依赖模板链末端特殊的转录 终止修饰点，不在特定位点 终止，在基因下游不同距离 处终止。,由RNA聚合酶合成的原始转录物往往需要一系列的变化。包括：,五、转录后的加工成熟,剪切及剪接 末端添加核甘酸 核苷的修饰 RNA编辑等过程,原核：三种核蛋白体（16S、23S和5S rRNA）在一起形成一个转录单位，中间由一个或多个tRNA隔开。 先形成30SrRNA前体，然后核糖核酸酶切割、剪
8、接和甲基化变为成熟的rRNA。,1. rRNA的加工,原核rRNA的加工,真核生物的 rRNA 转录后加工,rRNA前体的转录和剪接加工,原核与真核的tRNA转录后加工类似。但真核生物tRNA前体含有插入顺序，原核生物没有。,2. tRNA前体的加工,原核生物tRNA的加工需要切除5 和3 端多余的顺序。有些 tRNA 前体在 3 端没有CCA基团，在成熟过程中需要加一个CCA（氨基酸结合部位）。,A. 剪接和剪切 B. 3端添加CCA C. 化学修饰,真核生物tRNA的加工方式：,A. 剪接和剪切,tRNA核苷酸转移酶、连接酶,ATP,ADP,B. 3端添加CCA,原核生物：mRNA 半衰期
9、短，转录的同时即进行翻译，转录后一般不需要加工。,3. mRNA前体的加工,真核生物：mRNA半衰期较长，初转录物很大，在加工过程中形成许多分子大小不等的中间物，它们被称为核内不均一RNA（hnRNA)，需要进一步进行加工修饰转化为mRNA。,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，为一个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),编码区 A、B、C、D,一个断裂基因含有若干段编码序列，这些可以编码的序列称为外显子。 在两个外显子之间被一段不编码的间隔序列隔开，这些间隔序列称为内含子。,外显子（exon）和内含子（ in
10、tron ）,RNA剪接（RNA Splicing）：,mRNA前体物内含子的剪除以及留下的片段拼接为成熟的mRNA的过程，称为RNA剪接。,A. mRNA首尾修饰 3端添加polyA “尾巴” 5端连接“帽子”（m7G5ppp5NmpNp-）B. mRNA的剪接,加工包括：,5-加帽（adding cap）：即在mRNA的5-端加上m7GTP的结构。 首先是在磷酸酶的作用下，将5-端的磷酸基水解，然后再加上鸟苷三磷酸，形成GpppN的结构，再对G进行甲基化。,A 首、尾的修饰,7-甲基鸟嘌呤,m7G(5)pppNmpNm,3-加尾（adding tail）,在细胞核内完成，首先由核酸外切酶切
11、去3端一些过剩的核苷酸，然后再加入polyA。 polyA结构与mRNA的半寿期有关。,B. RNA的剪接,基因：具有特定生物遗传信息的DNA序列，在一定条件下能够表达这种遗传信息，产生特定的生理功能。 基因表达（gene expression）是指储存遗传信息的基因经过一系列步骤表现出其生物功能的整个过程。典型的基因表达是基因经过转录、翻译，产生有生物活性的蛋白质的过程。,六、基因表达的调节,基因表达的各个调节部位 转录是基因表达控制的中心环节,转录控制,转录后加工,转运,翻译控制,蛋白质活性控制,mRNA的降解控制, 时间特异性：某一基因的表达严格按特定的时间顺序发生。这些基因在生命活动过
12、程中并不都是一齐开放表达，而是在有些时候，一些基因进行表达，另一些基因则关闭。 空间特异性：在个体生长全过程，某种基因产物按不同组织空间顺序出现。在同一时间，不同的组织器官，有些基因表达，而有些基因关闭。,（1）基因表达的时空性,基因表达的特点, 组成性表达 管家基因（housekeeping gene）： 在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。管家基因的表达很少受环境变化影响。,(2) 基因表达的方式, 诱导和阻遏表达 诱导（induction）：可诱导基因在特定环境信号刺激下表达增强的过程。 阻遏（repression）：可阻遏基因表达，表达产物水平降低的过程。,操纵子：原核生物在
13、转录水平上控制基因表达的协调单位。 包括启动基因(P)、操纵基因(O)和功能上彼此相关的几个结构基因组成。 (操纵子学说由Monod and Jocob提出，1960),1. 原核生物基因表达的调节,启动基因 P,操纵基因 O,结构基因,激活物结合位置,原核生物操纵子中的结构基因是多顺反子，即含有几个编码功能相关的蛋白质或酶的基因。在其上游有操纵基因（O）和启动基因（P), 操纵基因是阻遏物蛋白结合的部位。P基因是RNA聚合酶结合并开始转录的部位。在P基因的上游，有激活物蛋白结合的部位，还有表达阻遏蛋白的调节基因i。,操纵子转录水平调节方式,阴性调控/负调节（negative control）
14、 阻遏物蛋白（repressor ）对基因开关（操纵基因O）进行的调节。阻遏物蛋白结合在操纵基因上则转录不能进行，它的活性受小分子诱导物影响。阻遏物是由调节基因i表达的。阳性调控/正调节（positive control） 激活物蛋白（activator）对RNA聚合酶的转录进行的调节。激活物蛋白结合在启动基因(P基因)上游的某个区域以增强RNA聚合酶的转录活性，它的活性也受小分子的影响。,酶诱导和阻遏操纵子模型,酶的诱导,调节基因,操纵基因,结构基因1,结构基因2,结构基因3,无诱导物时,启动基因,酶的诱导,调节基因,操纵基因,结构基因1,结构基因2,结构基因3,转录,翻译,酶1,酶2,酶3,有诱导物时,启动基因,大肠杆菌可以利用葡萄糖、乳糖、麦芽糖、阿拉伯糖等作为碳源而生长繁殖。大肠杆菌在乳糖培养基中，代谢乳糖的酶增加，能够代谢乳糖。在葡萄糖培养基生长时，不能代谢乳糖。当培养基中有葡萄糖和乳糖时，细菌优先使用葡萄糖，当葡萄糖耗尽，细菌停止生长，经过短时间的适应，就能利用乳糖，细菌继续呈指数式繁殖增长。,（1）乳糖操纵子,i,mRNA,-,半乳糖苷酶,透过酶,
