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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为模板合成为模板合成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、选择性转录一
2、、选择性转录DNA分分子子上上转转录录出出RNA的的区区段段，称称为为结结构构基基因因(structural gene)。目录目录对对结结构构基基因因的的具具体体转转录录方方式式是是不不对对称称转转录录(asymmetric transcription)，它它有有两两方方面面含含义义：在在DNA分分子子双双链链上上，一一股股链链用用作作模模板板指指引引转转录录，另另一一股股链链不不转转录录；其其二二是是模模板板链链并并非非总总是是在在同同一单链上。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 g 55GCAGUACA
3、UGUC 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双双链链中中按按碱碱基基配配对对规规律律能能指指引引转转录录生生成成RNA的的一一股股单单链链，称称为为模模板板链链(template strand)，也也称称作作反反义义链链。相相对对的的另另一一股股单单链链是是编编码码链链(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、转录后加工三、转录后加工目录目录RN
4、ARNA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聚聚合合酶酶在在启启动动DNA链链延延长长时时需需要要引引物物存存在在，而而RNA聚聚合合酶酶不不需需要要引引物物就就能能直直接接启启动动RNA链的延长。链的延长。RNA聚聚合合酶酶和和DNA的的特特殊殊序序列列启启动动子子(
5、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 sixth 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
6、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聚聚合合酶酶最最大大亚亚基基的的羧羧基基末末端端有有一一段段共共有有序序列列(consensus sequ
7、ence)为为Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Ser的的重重复复序序列列片片段段，称称为为羧羧基基末末端端结结构构域域(carboxyl-terminal domain, CTD)。 CTD对对于于维持真核细胞中的转录是必需的。维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、转录起始每每一一个个转转录录区区段段可可视视为为一一个个转转录录单单位位，在在原原核核生生物物中中被被称称为为操操纵纵子子(operon)。操操纵纵子子包包括括若若干个结构基因及其上游干个结构基因及其上游(upstream)的调控序列
8、。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 调调控控序序列列中中的的启启动动子子是是RNA聚聚合合酶酶结结合合模模板板DNA的部位，也是控制转录的关键部位。的部位，也是控制转录的关键部位。 原原核核生生物物以以RNA聚聚合合酶酶全全酶酶结结合合到到DNA的的启启动动子子上上而而起起动动转转录录，其其中中由由亚亚基基辨辨认认启启动动子子，其其他亚基相互配合。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
9、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双双链链局局部部解解开开，形形成成开开放放转转录录复复合合体体(open tr
10、anscription complex) ；1. RNA聚聚合合酶酶全全酶酶( 2)与与模模板板结结合合，形形成成 闭闭 合合 转转 录录 复复 合合 体体 (closed transcription complex) ；3. 在在RNA聚聚合合酶酶作作用用下下发发生生第第一一次次聚聚合合反反应应，形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：目录目录第第一一个个磷磷酸酸二二酯酯键键生生成成后
11、后，亚亚基基即即从从转转录录起起始始复复合合物物上上脱脱落落，核核心心酶酶连连同同四四磷磷酸酸二二核核苷苷酸酸，继继续续结结合合于于DNA模模板板上上，酶酶沿沿DNA链链前前移移，进入延长阶段。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)：
12、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：目录目录原核原核生物转录与翻译同步进行的现象生物转录与翻译同步进行的现象目录目录Electron micrograph demonstrating that translation occurs Electron micrograph demonstrating that
13、 translation occurs concomitantly with transcription concomitantly with transcription 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、转录终止转转转转录录录录终终终终止止止止指指指指RNARNA聚聚聚聚合合合合酶酶酶酶在在在在DNADNA模模模模板板板板上上上上停停停停顿顿顿顿下下下下来来来来不不不不再再再再前前前前进进进进，转转转转录录录录产产产产物物物物RNARNA链链链链从从从从转转转转录录录录复复复复合物上脱落下来。合物上脱落下来。合物
14、上脱落下来。合物上脱落下来。 n依依据据是是否否需需要要蛋蛋白白质质因因子子的的参参与与，原原核核生生物物转录终止分为：转录终止分为： 目录目录因因子子是是由由相相同同亚亚基基组组成成的的六六聚聚体体蛋蛋白白质质，亚基分子量亚基分子量46kD。因因子子能能结结合合RNA，又又以以对对poly C的的结结合合力力最强。最强。因因 子子 还还 有有 ATP酶酶 活活 性性 和和 解解 螺螺 旋旋 酶酶(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目前前认
15、认为为，因因子子终终止止转转录录的的作作用用是是：与与RNA转转录录产产物物结结合合，结结合合后后因因子子和和RNA聚聚合合酶酶都都可可发发生生构构象象变变化化，从从而而使使RNA聚聚合合酶酶停停顿顿，解解螺螺旋旋酶酶的的活活性性使使DNA/RNA杂杂化化双双链链拆拆离离，利利于于产产物物从转录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
16、，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 5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3 RNA 5 TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT. 3 DNA UUUU.5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3近终止区的转录
17、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。产物释放。5pppG5 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真核核生生物物转转录录生生成成的的mRNA分分子子是是初初级级RNA转转录录物物(primary RNA transcript，hnRNA) 经经过过加工而来。加工而来。加工主要在
18、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
19、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、加帽大大多多数数真真核核mRNA的的5-末末端端有有7-甲甲基基鸟鸟嘌嘌呤呤的的帽结构。帽结构。这这个个真真核核mRNA加加工工过过程程的的起起始始步步骤骤由由两两种种酶酶，加加 帽帽 酶
20、酶 (capping enzyme)和和 甲甲 基基 转转 移移 酶酶(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；也也 能能 与与 帽帽 结结 合合 蛋蛋 白白 质质 复复 合合 体体 (cap-binding complex of protein)结结合合，并并参参与与mRNA和和核核糖体的结合，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的的有
21、有无无与与长长短短，是是维维持持mRNA作作为为翻翻译译模模板的活性，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。一一般般真真核核生生物物在在胞胞浆浆内内出出现现的的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28S5.8S18
22、S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
