RNA Biosynthesis (Transcription) RNA 生生生生 ( 生生 ) 生生 生 一 生生生 生生生生生生生
Jan 12, 2016
RNA Biosynthesis (Transcription)
RNA 生物合成 ( 转录 )
第十一章
李志红三峡大学医学院
转录( transcription )
生物体以 DNA 为模板合成 RNA 的过程
。
转录
RNADNA
RNA Structures
转录与复制的相似点:
1. 模板均为 DNA ;
2. 延长机理都是形成磷酸二酯键;
3. 方向均为 5′→3′ 。
转录和复制的区别
复制 转录模板 DNA 双链 DNA 的一条链
原料 dNTP (N=A 、 G 、 C 、T)
NTP(N=A 、 G 、 C 、U)
引物 需要 不需要酶 DNA 聚合酶 RNA 聚合酶
产物 DNA RNA
配对 A-T 、 G-C A-U 、 T-A 、 G-C
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
第一节转录的模板和酶
Templates of Transcription and Enzy
mes
一、转录模板
5'
3'
3'
5'
½á¹¹ »ùÒò£¨ structural gene£©
双链 DNA 分子中能作为模板转录出
RNA 的那条链,称为模板链。
另一条互补链称为编码链。
G C A G T A C A T G T C5' 3'
3' C G T C A T G T A C A G 5'DNA
Ä£°åÁ´
±àÂëÁ´
ת ¼
RNA G C A G U A C A U G U C5' 3'
•转录产物 RNA 的碱基序列,除了 T 变 U 外,其余与编码链相同。
不对称转录 (asymmetric transcription) • 在 DNA 分子双链上某一区段,一股链
可转录,另一股链不转录;• 模板链并非永远在同一单链上。
RNA 聚合酶全酶及核心酶电泳图谱
二、 RNA 聚合酶( DNA-dependent RNA polymerase, DDRP )
• 原核生物的 RNA 聚合酶
E.coli 的 RNA 聚合酶 (480kD) 是由四种亚基组成的六聚体( 2 )
ºËÐÄø£¨ core enzyme£©È«Ã¸£¨ holoenzyme£©
E. coli RNA 聚合酶组分亚基 分子量 功 能
36512 决定哪些基因被转录
150618 催化功能
155613 结合 DNA 模板
70263 辨认起始点
•原核生物的 RNA 聚合酶都受一类抗结核药利福平或利福霉素的特异性抑制。这类药物能与 RNA 聚合酶的亚基特异结合,从而影响酶的活性。
利福平
三、酶与模板的辨认结合
RNA 聚合酶结合模板 DNA 的部位称为启动子 (promoter) 。是调控转录的关键部位。
5'
3'
3'
5'
µ÷¿ØÐòÁÐ ½á¹¹ »ùÒò
Æô¶¯×ÓRNA-pol
开始转录
T T G A C AA A C T G T
-35 区
T A T A A T Pu A T A T T A Py
-10 区
1-30-50 10-10-40 -205
3
3
5
原核生物启动子保守序列
55
RNA 聚合酶保护区 结构基因
33
Pribnow box
原核生物启动子- 35 区:一致性序列为 TTGACA
是 RNA-pol 的辨认位点
- 10 区:一致性序列为 TATAAT
又叫 Pribnow 盒是 RNA-pol 的结合位
点
RNA 聚合酶全酶在转录起始区的结合
第二节
转录过程The Process of Transcription
分为三个阶段:
起始 (initiation)
延长 (elongation)
终止 (termination)
2. DNA 双链解开。
1. RNA 聚合酶全酶 (2) 与模板结合。
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。
5-pppG -OH + NTP 5-pppGpN - OH 3 + PPi
(一)转录起始
一、原核生物的转录过程
RNApol (2) - DNA - pppGpN- OH 3
转录起始复合物
(二)转录延长
1. 亚基脱落, RNA–pol 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 + PPi
转录泡( transcription bubble ):
在转录延长过程中,由局部打开
的 DNA 双链、 RNA 聚合酶核心酶及新生成
的 RNA 三者结合在一起的复合体,为空泡
状结构,又称转录复合物。
电镜下原核生物转录过程中的羽毛状现象
•转录未完成,翻译已开始进行。
•在同一 DNA 模板上,有多个转录同时在进行。
多聚核糖体 ( polysome)
一个 mRNA 分子可同时有多个核糖体在进行同一种蛋白质的合成,这种 mR
NA 和多个核糖体的聚合物称为多聚核糖体。
( 三 ) 转录终止
RNA 聚合酶在 DNA模板上停顿下来,转录产物 RNA链从转录复合物上脱落下来。
分类:
•依赖 Rho (ρ) 因子的转录终止•非依赖 Rho因子的转录终止
1. 依赖 ρ 因子的转录终止 因子是同六聚体蛋白; 因子能结合 RNA ,与 poly C 的结合力最强; 因子还有 ATP 酶和解螺旋酶的活性。
2. 不依赖 ρ 因子的转录终止
DNA 模板上靠近终止处,有特殊的碱基序列,转录出 RNA 后, RNA 产物形成特殊的结构来终止转录。
不依赖 因子的终止子:含富 GC的回文序列和寡聚 U序列。
茎环结构终止转录的机理
• 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。
Transcription Cycle
PromoterTerminatorsigma factor
1 )可启动 RNA 的合成,不需要引物;2 )只以一条链为模板;3 )按模板的碱基顺序,遵守碱基互补原则,即 A 与 U , G 与
C 配对,严格挑选正确的底物,催化磷酸二酯键生成,从而把底物 NTP 聚合成 RNA 链;
4 ) RNA 合成方向均为 5′→ 3′ ;5 )合成是连续进行的;6 )只有聚合活性没有降解活性,没有象 DNA 聚合酶 I 那样的
校正活性;7 )能识别转录终止信号。
小结 : 转录特点 flash
二、真核生物的转录过程
(一)转录起始
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。
1. 真核生物的 RNA 聚合酶
种类 I II III
转录产物 45S-rRNA
hnRNA5S-rRNA
tRNA, snRNA
对鹅膏蕈碱的反应 不敏感 极敏感 中度敏感
毒鹅膏 (Amanita phalloides ,or death cap)
α-amanitinα-amanitin
• α-amanitin is a cyclic peptide of eight amino acids. It is possibly the most deadly of all the amatoxins. • It is an inhibitor of RNA polymerase II. This mechanism makes it a deadly toxin.
具有双环结构的八肽毒素
Be careful of this deadly mushroom!
2. 真核生物启动子
½á¹¹ »ùÒòGCGC CAAT TATA
ÄÚº¬×ÓÍâ ÏÔ×Ó Íâ ÏÔ×Ó
ת ¼Æðʼ
CAATºÐ
GCºÐ
ÔöÇ¿×Ó
˳ʽ×÷ÓÃÔª¼þ
TATAºÐ (Hogness box)
(cis-acting element)
3. 转录因子
能直接或间接辨认和结合转录上游区段 DNA 的蛋白质,统称为反式作用因子 (trans-acting factors) 。
反式作用因子中,直接或间接结合 RNA 聚合酶的,则称为转录因子 (trans-criptional factors, TF) 。
参与 RNA-pol Ⅱ转录的 TF Ⅱ
转录因子 亚基和 (或 ) 分
子量( kDa ) 功能
TF DⅡ TBP , 38 结合 TATA 盒TAF 辅助 TBP-DNA 结合
TF AⅡ 12 , 19 , 35 稳定Ⅱ D-DNA 复合物TF BⅡ 33 促进 RNApolⅡ结合TF FⅡ 30 , 74 解螺旋酶TF EⅡ 57() , 34(β) ATPase
TF HⅡ 蛋白激酶,使 CTD 磷酸化
4. 转录起始前复合物(pre-initiation complex, PIC)
真核生物 RNA-pol 不与 DNA 分子直接结合,而需依靠众多的转录因子。
Order of binding is: IID + IIB + RNA poly. II + IIF +IIE +IIH
•TBP: TATA binding protein.TBP: TATA binding protein.
RNA pol II
TF II F
TBP TAF
TATADNA
TF II A
TF II B
TF II E
ת ¼ǰÆðʼ̧´ ºÏ Îï
TF II H
Movie
4. 拼板理论 (piecing theory)
一个真核生物基因的转录需要 3至 5个转录因子。转录因子之间互相结合,生成有活性和专一性的复合物,再与 RNA 聚合酶搭配而有针对性地结合、转录相应的基因。
(二)转录延长
真核生物转录延长过程与原核生物大致相似,但因有核膜相隔,没有转录与翻译同步的现象。
RNA-pol前移处处都遇上核小体。
转录延长过程中可以观察到核小体移位和解聚现象。
RNA-Pol
RNA-Pol
RNA-Pol
核小体转录延长中的核小体移位
转录方向
(三)转录终止
转录起始点
TATA 盒
CAAT 盒
GC 盒
增强子
AATAAA
切离加尾
转录终止点
修饰点
外显子 翻译起始点
内含子
OCT-1
OCT-1 : ATTTGCAT 八聚体
小结:真核生物基因的基本结构及转录过程
第三节
真核生物的转录后修饰Post-transcriptional Modification
一、 mRNA 的转录后加工
( 一 )首尾的修饰
1. 5´-端加帽: m7GpppG——
2. 3´-端加尾:多聚腺苷酸 (poly
A)
5 pppGp…
5 GpppGp…
pppG
PPi
鸟苷酸转移酶
5 m7GpppGp…
甲基转移酶SAM
1. 5´-帽子结构 (m7GpppG) 的生成
5 ppGp…磷酸酶
Pi
55
加帽过程
帽子结构的意义:
•可以使mRNA免遭核酸酶的攻击;
•也能与帽结合蛋白质复合体 (cap-binding complex of protein) 结合,并参与 mRNA和核糖体的结合,启动蛋白质的生物合成。
2. 3´-端加尾• polyA 的有无与长短,是维持 mRNA 作为翻译模板的活性,以及增加 mRNA本身稳定性的因素。
(二) mRNA 的剪接
1. hnRNA 和 snRNA
• 核内的初级mRNA 称为非均一核 RNA
(hetero-nuclear RNA, hnRNA)
• snRNA (small nuclear RNA)
核内的蛋白质小分子核糖核酸蛋白体
(剪接体 , splicesome)
snRNA
鸡卵清蛋白成熟mRNA 与 DNA杂交电镜图
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。
断裂基因 (splite gene)
非编码区 A~G 编码区 1~7
A B C D E F GL 1 2 3 4 5 6 7
7 700 bp
2. 外显子 (exon) 和内含子 (intron)
• 外显子在断裂基因及其初级转录产物上出
现,并表达为成熟 RNA 的核酸序列。
• 内含子隔断基因的线性表达而在剪接过程
中被除去的核酸序列。
3. mRNA 的剪接—— 除去 hnRNA 中的内含子,将外显子连接。
•snRNP 与 hnRNA 结合成为剪接体
mRNA 的剪接过程(动画)
鸡卵清蛋白基因
hnRNA
首、尾修饰
hnRNA剪接
成熟的 mRNA
鸡卵清蛋白基因及其转录、转录后修饰
4. mRNA 的编辑 (mRNA editing)
胞嘧啶核苷脱氨酶
•mRNA 上的一些序列经过编辑发生改变。
二、 rRNA 的转录后加工
转录
剪接
18S - rRNA 5.8S 和 28S-rRNA
rDNA
内含子 内含子 28S5.8S18S
45S - rRNA
RNA polⅠ催化合成
三、 tRNA 的转录后加工
tRNA前体
TGGCNNAGTGC GGTTCGANNCC
DNA
RNA pol Ⅲ 催化合成
成熟 tRNA
RNAaseP、内切酶
连接酶
tRNA 核苷酸转移酶
碱基修饰
( 2 )还原反应 如: U DHU
( 3 )核苷内的转位反应 如: U ψ
( 4 )脱氨反应 如: A I
如: A Am
( 1 )甲基化( 1 )
( 1 )
( 3)
( 2)
( 4)
本章要点• 原核生物 RNA 的生物合成
– 模板:结构基因,模板链,编码链,不对称转录– RNA 聚合酶:全酶,核心酶, σ因子(利福平抑制)– 启动子: -10区 (Pribnow box) ; -35 区– 过程:起始(转录起始复合物)、延长(转录空泡)、终止(是否依赖ρ因子)(重点)
• 真核生物 RNA 的生物合成(概念)– RNA 聚合酶:Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ(鹅膏蕈碱反应)– 顺式作用元件(启动子、增强子)– 反式作用因子、转录因子
• 真核生物 RNA 合成的加工– mRNA 加工(重点)
• hnRNA 、 snRNA(含义、作用);加帽、加尾、剪接(断裂基因、外显子、内含子); mRNA 编辑
– rRNA 加工; tRNA 加工
• 思考题:1. 复制与转录的异同点。
2.RNA 聚合酶与 DNA 聚合酶作用的异同点。
3.原核生物与真核生物 RNA 聚合酶有何异同?
4. 原核生物与真核生物中的启动子结构特点及功能。
5.原核生物与真核生物的转录终止有何不同?
6.试述原核生物转录的过程。
7. 真核生物 mRNA 转录后加工包括哪些内容?