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1、生物化学多媒体课件试用版第十一章( RNA Biosynthesis, Transcription )RNA的生物合成 转录Biochemistry DepartmentDepartment of Basic Medical SciencesHangzhou Normal UniversityGuyishengDate1转录 (transcription) 是生物体以DNA为模板合成RNA的过程 。 转录RNADNA Date2RNA的合成方式 在生物界，RNA合成有两种方式：一是DNA指导的RNA合成，此为生物体内的主要合成方式。另一种是RNA指导的RNA合成，此种方式常见于病毒。 转录产生
2、的初级转录本是RNA前体（RNA precursor），需经加工过程（processing）方具有生物学活性。Date3n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Date5 DNA双链在转录过程中只有一条链中的其中某一活化基因片段起作用，该链称模板链（template strand），又称有意义链或Watson链； 与其互补的链称为编码链（coding strand），又称反义链或Crick链。一、转录模板转录生成的RNA链与编码链的碱基序列相似，以U取代T
3、第一节 原核生物的转录模板和酶Templates & Enzymes in Prokaryotic TranscriptionDate6模板链与编码链5GCAGTACATGTC 33 c g t g a t g t a c a g 55GCAGUACAUGUC 3NAla Val His Val C编码链模板链mRNA蛋白质转录翻译Date7 DNA分子上转录出RNA的区段，称为结构基因(structural gene)。不对称转录： 某一确定活化基因的转录，只能以DNA双链的一条链作为模板，这种现象称为不对称转录（asymmetric transcription）。两重含义：一是指双链DNA
4、只有一股单链用作模板。二是指同一单链上可以交错出现模板链和编码链。Date85335模板链编码链编码链模板链结构基因转录方向转录方向n不对称转录Date9二、RNA聚合酶 (DNA dependent RNA polymerase, DDRP, RNA-pol)（一）RNA聚合酶能直接启动RNA链的合成 DNA依赖的RNA聚合酶催化合成RNA； RNA合成的化学机制与DNA依赖的DNA聚合酶催化DNA合成相似。 ( NMP )n + NTP ( NMP ) n+1 + PPiRNA延长的RNADate10 DNA聚合酶在启动DNA链延长时需要引物存在，而RNA聚合酶不需要引物就能直接启动RNA
5、链的延长。 RNA聚合酶和DNA的特殊序列启动子(promoter)结合后，就能启动RNA合成。 Date11（二）RNA聚合酶由多个亚基组成大肠杆菌（E.coli）RNA 聚合酶：4种亚基、组成的五聚体蛋白质，分子量480 kD。Date12核心酶（core enzyme） ： 2能催化NTP按模板的指引合成RNA，在转录延长全过程中均起作用全酶（holoenzyme）：2 ，即亚基 + 核心酶亚基的功能是辨认转录起始点，转录起始阶段需要全酶Date13全酶 (holoenzyme)转录起始阶段转录延长阶段 核心酶 (core enzyme)结合Date14三、RNA聚合酶与模板的辨认结合
6、转录是不连续、分区段进行的。 每一转录区段可视为一个转录单位，称为操纵子(operon)。操纵子包括若干个结构基因及其上游(upstream)的调控序列。5335结构基因调控序列RNA-polRNA聚合酶结合模板DNA的部位，称为启动子(promoter)。Date15启动子（promotor）： 调控序列中的启动子是RNA聚合酶识别、结合并开始转录的一段DNA序列。也是控制转录的关键部位。 原核生物以RNA聚合酶全酶结合到DNA的启动子上而起动转录；其中由亚基辨认启动子，其他亚基相互配合。 启动子序列按功能的不同可分为三个部位，即起始部位、结合部位、识别部位。Date16起始部位：指DNA分
7、子上开始转录的作用位点，该位点有与转录生成RNA链的第一个核苷酸互补的碱基，该碱基的序号为+1。识别部位：RNA 聚合酶亚基的识别部位。 中心部位在35bp处,该序列的碱基富含TTGACA。Date17结合部位： 是DNA分子上与RNA聚合酶的核心酶结合的部位，其长度为7bp，中心部位在10bp处。 碱基序列具有高度保守性，富含TATAAT序列，故称之为 TATA盒（TATA box），又称普里布诺序列（Pribnow box）。 该序列中富含AT碱基，维持双链结合的氢键相对较弱，导致该处双链DNA易发生解链，有利于RNA聚合酶的结合。Date18RNA聚合酶保护法Date19开始转录T T
8、G A C AA A C T G T-35 区(Pribnow box)T A T A A T Pu A T A T T A Py-10 区1-30-5010-10-40-205 3 3 5 RNA-pol辨认位点(recognition site) 55RNA聚合酶保护区结构基因33n用RNA聚合酶保护法研究转录起始区结合Date20第二节 原核生物的转录过程The Process of Transcription in Prokaryote 大肠杆菌转录过程包括转录起始、延长、终止三步。Date21一、转录起始需要RNA聚合酶全酶转录起始不需引物，两个与模板配对的相邻核苷酸，在RNA-po
9、l催化下生成磷酸二酯键直接连接起来。转录生成的第一个核苷酸总是GTP或ATP ,以GTP更为常见。转录起始复合物 ： RNA聚合酶的全酶、DNA模板和四磷酸二核苷酸（pppGpN-OH 3）三者结合在一起的复合体。Date222. DNA双链局部解开，形成开放转录复合体(open transcription complex) ；1. RNA聚合酶全酶(2)与模板结合，形成闭合转录复合体(closed transcription complex) ；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：RNApol (2) - DNA - pppGpN- OH 3转录起始复合物:5-
10、pppG -OH + NTP 5-pppGpN - OH 3 + ppin转录起始过程：Date23 第一个磷酸二酯键生成后，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酸，继续结合于DNA模板上，酶沿DNA链前移，进入延长阶段。 Date24nE.coli的转录起始和延长 Date25二、 原核生物的转录延长时蛋白质的翻译也同时进行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 + PPiDate26转录空泡(transcription bubb
11、le)：RNA-pol （核心酶） DNA RNADate27转录空泡的形成： 转录空泡（transcription bubble）：也称转录复合物，是由RNA聚合酶的核心酶、DNA模板和转录产物RNA三者结合在一起的复合体。 RNA 聚合酶亚基辨认启动子识别部位。在这一区段，酶与模板的结合很松弛，酶随即移向启动子的结合部位，并跨入了转录起始点，开始转录。 第一个磷酸二酯键生成后， 亚基从转录起始复合物上脱落，形成转录空泡。核心酶沿模板DNA前移，进入延长阶段。Date28n转录延长：Date2953DNAn原核生物转录过程中的羽毛状现象核糖体RNARNA聚合酶 在同一DNA模板上，有多个转录
12、同时在进行； 转录尚未完成，翻译已在进行。 这种形状说明：Date30 依赖Rho 因子的转录终止 非依赖Rho因子的转录终止三、原核生物转录终止分为依赖(Rho)因子与非依赖因子两大类转录终止转录终止指指RNARNA聚合酶在聚合酶在DNADNA模板模板上停顿下来不再前进，转录产物上停顿下来不再前进，转录产物RNARNA链链从转录复合物上脱落下来。从转录复合物上脱落下来。 n依据是否需要蛋白质因子的参与，原核生物转录终止分为： Date31 因子是由相同亚基组成的六聚体蛋白质，亚基分子量46kD。 因子能结合RNA，又以对poly C的结合力最强。 因子还有ATP酶活性和解螺旋酶(helica
13、se)的活性。（一）依赖因子的转录终止n因子： Date32n因子的作用原理：Date33 目前认为，因子终止转录的作用是：与RNA转录产物结合，结合后因子和RNA聚合酶都可发生构象变化，从而使RNA聚合酶停顿，解螺旋酶的活性使DNA/RNA杂化双链拆离，利于产物从转录复合物中释放 。Date34因子 DNARNARNA聚合酶Date35（二） 非依赖 Rho因子的转录终止DNA模板上靠近终止处，有些特殊的碱基序列，转录出RNA后，RNA产物形成特殊的结构来终止转录。 RNA产物3端往往形成茎环结构，该结构阻碍RNA聚合酶前移。 茎环结构后有一串寡聚U。寡聚U有利于RNA不再依附DNA模板链而
14、脱出。Date365UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3 5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3 RNA 5TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT. 3 DNA UUUU. UUUU.5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3近终止区的转录产物形成发夹(hairpin)结构是非依赖因
15、子终止的普遍现象。 Date37n茎环结构使转录终止的机理： 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。5pppG5 335RNA-polDate38第三节 真核生物的转录过程The Process of Transcription in Eukaryote 真核生物的转录过程比原核复杂。二者的转录起始过程有较大区别，转录终止也不相同。一、 真核生物有三种RNA聚合酶RNA聚合酶（RNA Pol）RNA聚合酶（RNA Pol）RNA聚合酶（RNA Pol ）Date39真核生物的RNA聚合酶种类IIIIII转录产物45s-rRNAhnRNA5s-rRNA、tRNA、
16、snRNA对鹅膏蕈碱的反应耐受极敏感中度敏感酶图Date40 真核生物RNA聚合酶的结构比原核生物复杂，所有真核生物的RNA聚合酶都有两个不同的大亚基和十几个小亚基. RNA聚合酶由12个亚基组成，其最大的亚基称为RBP1。 RNA聚合酶最大亚基的羧基末端有一段共有序列(consensus sequence)为Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Ser的重复序列片段，称为羧基末端结构域(carboxyl-terminal domain, CTD)。 CTD对于维持细胞的活性是必需的。Date41二、转录起始需要启动子 、RNA聚合酶和转录因子的参与（一）转录起始前的上游区段具有启动子核心序列 不同物种、不同细胞或不同的基因，转录起始点上游可以有不同的DNA序列，但这些序列都可统称为顺式作用元件(cis-acting element)。 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。Date42顺式作用元件：n一个典型的真核生物基因上游序列:53调控序列TATA盒InrYYAN YYTA-30+1TATAAA真核
