第十二章RNA的生物合成轉(zhuǎn)錄

第十二章RNA的生物合成轉(zhuǎn)錄第1頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月第十一章RNA的生物合成(轉(zhuǎn)錄)Chapter11RNABiosynthesis,Transcription第2頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月第3頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的區(qū)別第4頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)RNA轉(zhuǎn)錄合成的特點(diǎn)Section1CharactersofRNABiosynthesis第5頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月

轉(zhuǎn)錄（transcription）的不對稱性就是指以雙鏈DNA中的一條鏈作為模板進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，從而將遺傳信息由DNA傳遞給RNA。對于不同的基因來說，其轉(zhuǎn)錄信息可以存在于兩條不同的DNA鏈上。一、轉(zhuǎn)錄的不對稱性第6頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月能夠轉(zhuǎn)錄RNA的那條DNA鏈稱為模板鏈(templatestrand)，也稱作有意義鏈或Watson鏈。

與模板鏈互補(bǔ)的另一條DNA鏈稱為編碼鏈(codingstrand)，也稱為反義鏈或Crick鏈。

模板鏈編碼鏈5’5’3’3’5’5’第7頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月5335模板鏈編碼鏈編碼鏈模板鏈轉(zhuǎn)錄方向轉(zhuǎn)錄方向模板鏈和編碼鏈的相對性第8頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月5′···GCAGTACATGTC···3′3′···cgtgatgtacag···5′編碼鏈模板鏈mRNA5′···GCAGUACAUGUC···3′轉(zhuǎn)錄N······Ala·Val·His·Val······C蛋白質(zhì)翻譯模板鏈、編碼鏈與轉(zhuǎn)錄及翻譯的關(guān)系第9頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月RNA轉(zhuǎn)錄合成時(shí)，以DNA作為模板，在RNA聚合酶的催化下，連續(xù)合成一段RNA鏈，各條RNA鏈之間無需再進(jìn)行連接。二、轉(zhuǎn)錄的連續(xù)性第10頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月RNA轉(zhuǎn)錄合成時(shí)，只能向一個方向進(jìn)行聚合，所依賴的模板DNA鏈的方向?yàn)?'→5'，而RNA鏈的合成方向?yàn)?'→3'。

三、轉(zhuǎn)錄的單向性第11頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月RNA轉(zhuǎn)錄合成時(shí)，只能以DNA分子中的某一段作為模板，故存在特定的起始位點(diǎn)和特定的終止位點(diǎn)。特定起始點(diǎn)和特定終止點(diǎn)之間的DNA鏈構(gòu)成一個轉(zhuǎn)錄單位，通常由轉(zhuǎn)錄區(qū)和有關(guān)的調(diào)節(jié)順序構(gòu)成。

四、有特定的起始和終止位點(diǎn)第12頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)參與轉(zhuǎn)錄合成的酶和蛋白因子Section2EnzymesandProteinFactorsforRNABiosynthesis第13頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月原料：NTP（ATP,UTP,GTP,CTP）。模板：單鏈DNA。酶：RNA聚合酶（DDRP，RNA-pol）。其他蛋白質(zhì)因子：如轉(zhuǎn)錄因子、終止因子等。參與RNA轉(zhuǎn)錄合成的物質(zhì)第14頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月這是一種不同于引物酶的依賴DNA的RNA聚合酶（DDRP）。該酶在單鏈DNA模板以及四種核糖核苷酸存在的條件下，不需要引物，即可從5'→3'聚合RNA。

一、RNA聚合酶（DDRP）第15頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月原核生物中的RNA聚合酶全酶由五個亞基構(gòu)成，即2'。亞基與轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)的識別有關(guān)，在轉(zhuǎn)錄合成開始后被釋放；余下的部分（2'）被稱為核心酶，與RNA鏈的聚合有關(guān)。

（一）原核生物的RNA聚合酶第16頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月核心酶(coreenzyme)全酶(holoenzyme)原核生物RNA聚合酶的核心酶和全酶第17頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月原核生物RNA聚合酶亞基的功能第18頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月真核生物中的RNA聚合酶可按其對-鵝膏蕈堿的敏感性而分為三種，它們均由10~12個大小不同的亞基所組成，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，其功能也不同。

（二）真核生物的RNA聚合酶第19頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月RNA聚合酶Ⅱ的分子結(jié)構(gòu)第20頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月酵母RNA聚合酶Ⅰ和Ⅱ的電子晶體圖第21頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月在真核生物中，轉(zhuǎn)錄的起始過程較為復(fù)雜，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)數(shù)百種蛋白因子與RNA轉(zhuǎn)錄合成有關(guān)。凡是與基因表達(dá)調(diào)控相關(guān)的蛋白因子統(tǒng)稱為反式作用因子（transactingfactor）。二、轉(zhuǎn)錄因子第22頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月在反式作用因子中，直接或間接參與轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合體的形成的蛋白因子被稱為轉(zhuǎn)錄因子（transcriptionalfactor,TF）。不同的RNA聚合酶存在相應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子，如與RNA聚合酶Ⅱ相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子包括TFⅡA，TFⅡB，TFⅡD，TFⅡE，TFⅡF，TFⅡH等。第23頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月真核生物RNA聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄因子及其功能第24頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月原核生物中的終止因子蛋白是一種六聚體的蛋白質(zhì)，亞基的分子量為50kd。蛋白能識別轉(zhuǎn)錄終止信號，并與RNA緊密結(jié)合，導(dǎo)致RNA的釋放。三、終止因子第25頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)RNA轉(zhuǎn)錄合成的過程Section3TheProcessofRNABiosynthesis第26頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始需解決兩個問題：RNA聚合酶必須準(zhǔn)確地結(jié)合在轉(zhuǎn)錄模板的起始區(qū)域。DNA雙鏈解開，使其中的一條鏈作為轉(zhuǎn)錄的模板。一、原核生物的轉(zhuǎn)錄過程第27頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月在原核生物中，若干功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因常常串聯(lián)在一起，由其上游的同一調(diào)控序列進(jìn)行調(diào)控，這種基因的組織形式稱為操縱子（operon）。1.模板與酶的辨認(rèn)識別：5335結(jié)構(gòu)基因調(diào)控序列RNA-pol第28頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月DNA分子中參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控的序列統(tǒng)稱為順式作用元件（cis-actingelement）。原核生物轉(zhuǎn)錄起始時(shí)，首先由RNA聚合酶中的因子識別轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)，并促使核心酶結(jié)合形成全酶復(fù)合物。第29頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月位于基因上游，與RNA聚合酶識別、結(jié)合并起始轉(zhuǎn)錄有關(guān)的一些DNA調(diào)控序列被稱為啟動子（promoter）。啟動子序列通常由一些帶共性的保守序列構(gòu)成。第30頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月開始轉(zhuǎn)錄(Pribnowbox)TATAATPuATATTAPy-10區(qū)1-30-5010-10-40-205335原核生物啟動子的保守序列TTGACAAACTGT-35區(qū)RNA-pol辨認(rèn)位點(diǎn)(recognitionsite)55RNA聚合酶保護(hù)區(qū)結(jié)構(gòu)基因33第31頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月原核生物轉(zhuǎn)錄起始區(qū)的一致性序列第32頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月被RNA聚合酶辨認(rèn)的區(qū)段就是位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)-35區(qū)的TTGACA序列。RNA聚合酶與該區(qū)結(jié)合后，即滑動至-10區(qū)的TATAAT序列（Pribnow盒），并啟動轉(zhuǎn)錄。第33頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月RNA聚合酶全酶在轉(zhuǎn)錄起始區(qū)的結(jié)合第34頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月⑵DNA局部雙鏈解開。⑴RNA聚合酶全酶(2)與模板結(jié)合。⑶在RNA聚合酶作用下發(fā)生第一次聚合反應(yīng)，形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物。RNApol(2)-DNA-pppGpN-OH3轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物:5-pppG-OH+

NTP

5-pppGpN

-OH3+ppi2.轉(zhuǎn)錄的起始過程：第35頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月因子從全酶上脫離，余下的核心酶繼續(xù)沿DNA鏈移動，按照堿基互補(bǔ)原則，不斷聚合RNA。

1.亞基脫落，RNA–pol聚合酶核心酶變構(gòu)，與模板結(jié)合松弛，沿著DNA模板前移；2.在核心酶作用下，NTP不斷聚合，RNA鏈不斷延長。（二）轉(zhuǎn)錄延長(NMP)n

+

NTP(NMP)n+1

+PPi第36頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月RNA轉(zhuǎn)錄的延長第37頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月轉(zhuǎn)錄空泡(transcriptionbubble)的形成第38頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月原核生物轉(zhuǎn)錄過程中的羽毛狀現(xiàn)象第39頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月RNA轉(zhuǎn)錄合成的終止機(jī)制有兩種：

1．依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止：由終止因子（因子）識別特異的終止信號，并促使RNA的釋放。（三）轉(zhuǎn)錄終止第40頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月ATP依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止第41頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月模板DNA鏈在接近轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn)處存在相連的富含GC和AT的區(qū)域，使RNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物形成寡聚U及發(fā)夾形的二級結(jié)構(gòu)，引起RNA聚合酶變構(gòu)及移動停止，導(dǎo)致RNA轉(zhuǎn)錄的終止。2．非依賴Rho的轉(zhuǎn)錄終止：第42頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`

RNA5TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT...3

DNAUUUUU...…UUUU...…5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`莖環(huán)(stem-loop)/發(fā)夾(hairpin)結(jié)構(gòu)第43頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月莖環(huán)結(jié)構(gòu)使轉(zhuǎn)錄終止的機(jī)理使RNA聚合酶變構(gòu)，轉(zhuǎn)錄停頓；使轉(zhuǎn)錄復(fù)合物趨于解離，RNA產(chǎn)物釋放。第44頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月二、真核生物的轉(zhuǎn)錄過程1.轉(zhuǎn)錄起始的上游區(qū)段：真核生物的轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游-25bp區(qū)也存在一段富含TA的順序，被稱為Hogness盒或TATA盒，通常認(rèn)為是啟動子的核心序列。（一）轉(zhuǎn)錄起始第45頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月除此之外，在真核生物中還可見到其他帶共性的序列，如CAAT盒及GC盒等。在遠(yuǎn)離受控基因處存在的，能夠增強(qiáng)基因轉(zhuǎn)錄活性的調(diào)控序列稱為增強(qiáng)子（enhancer）。第46頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月真核生物啟動子保守序列第47頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月真核生物轉(zhuǎn)錄起始時(shí)，首先由TFⅡD的TBP亞基識別并結(jié)合TATA盒，然后在其他轉(zhuǎn)錄因子的配合下，與RNA聚合酶Ⅱ組裝形成轉(zhuǎn)錄起始前復(fù)合物(pre-initiationcomplex,PIC)。2.轉(zhuǎn)錄起始過程：第48頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月RNA聚合酶Ⅱ催化第一個磷酸二酯鍵形成。RNA聚合酶Ⅱ的羧基末端結(jié)構(gòu)域（CTD）被磷酸化修飾，大部分轉(zhuǎn)錄因子脫離，聚合酶向下游移動延伸RNA鏈。第49頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）轉(zhuǎn)錄延長真核生物轉(zhuǎn)錄延長過程與原核生物類似，但由于存在核小體的高級結(jié)構(gòu)，故在轉(zhuǎn)錄延長過程中可觀察到核小體移位和解聚現(xiàn)象。第50頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）轉(zhuǎn)錄終止真核生物轉(zhuǎn)錄終止與轉(zhuǎn)錄后修飾，即polyA尾巴結(jié)構(gòu)的添加密切相關(guān)。在polyA修飾位點(diǎn)的下游存在一組共同序列AATAAA和GTGTGT……，為轉(zhuǎn)錄終止的識別修飾位點(diǎn)。在轉(zhuǎn)錄越過修飾點(diǎn)后，RNA鏈在修飾點(diǎn)處被切斷，隨即進(jìn)行加帽和加尾修飾。第51頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄終止5------AAUAAA-5------AAUAAA--核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAAGTGTGTG轉(zhuǎn)錄終止的修飾點(diǎn)55333加尾AAAAAAA······3mRNA第52頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)真核生物的轉(zhuǎn)錄后修飾Section4Post-transcriptionalModificationinEukaryote第53頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月

1．加帽（addingcap）：即在mRNA的5'-端加上m7GTP的結(jié)構(gòu)。此過程發(fā)生在細(xì)胞核內(nèi)，即HnRNA即可進(jìn)行加帽。加工過程首先是在磷酸酶的作用下，將5'-端的磷酸基水解，然后再加上鳥苷三磷酸，形成GpppN的結(jié)構(gòu)，再對G進(jìn)行甲基化。

一、真核生物mRNA的轉(zhuǎn)錄后加工（一）首、尾的修飾第54頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月

Pi5ppGp…磷酸酶5pppGp…5GpppGp…pppG

ppi鳥苷酸轉(zhuǎn)移酶5

m7GpppGp…甲基轉(zhuǎn)移酶SAM帽子結(jié)構(gòu)的生成第55頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月

2．加尾（addingtail）：這一過程也是細(xì)胞核內(nèi)完成，首先由核酸外切酶切去3'-端一些過剩的核苷酸，然后再加入polyA。polyA結(jié)構(gòu)與mRNA的半壽期有關(guān)。

第56頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）mRNA的剪接（splicing）雞卵清蛋白成熟mRNA與DNA雜交電鏡圖mRNADNA第57頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月1.斷裂基因（splitegene）CABD編碼區(qū)A、B、C、D非編碼區(qū)真核生物結(jié)構(gòu)基因，由若干個編碼區(qū)和非編碼區(qū)互相間隔開但又連續(xù)鑲嵌而成，去除非編碼區(qū)再連接后，可翻譯出由連續(xù)氨基酸組成的完整蛋白質(zhì)，這些基因稱為斷裂基因。第58頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月外顯子(exon)和內(nèi)含子(intron)外顯子——在斷裂基因及其初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物上出現(xiàn)，并表達(dá)為成熟RNA的核酸序列（結(jié)構(gòu)基因中能夠指導(dǎo)多肽鏈合成的編碼順序）。內(nèi)含子——隔斷基因的線性表達(dá)而在剪接過程中被除去的核酸序列（不能指導(dǎo)多肽鏈合成的非編碼順序）。第59頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月內(nèi)含子的分類I：主要存在于線粒體、葉綠體及某些低等真核生物的rRNA基因；II：也發(fā)現(xiàn)于線粒體、葉綠體，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物是mRNA；根據(jù)基因的類型和剪接的方式，通常把內(nèi)含子分為4類。第60頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月III：是常見的形成套索結(jié)構(gòu)后剪接，大多數(shù)mRNA基因有此類內(nèi)含子；IV：是tRNA基因及其初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物中的內(nèi)含子，剪接過程需酶及ATP。第61頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月核內(nèi)帶有外顯子和內(nèi)含子編碼序列的初級RNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物稱為雜化核RNA（hetero-nuclearRNA,hnRNA）。hnRNA經(jīng)剪接加工除去內(nèi)含子編碼序列并將外顯子編碼序列連接起來才能形成成熟的mRNA。2.hnRNA和snRNA：第62頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月snRNA為核內(nèi)小RNA，富含尿嘧啶，故以U作分類和命名，如U1、U2等。snRNA與核內(nèi)蛋白質(zhì)組裝形成小核蛋白體（snRNP），參與hnRNA的剪接加工。第63頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月3.hnRNA的剪接過程：①snRNP與hnRNA結(jié)合成為剪接體。第64頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月②剪接體結(jié)構(gòu)調(diào)整，U2和U6形成催化中心，發(fā)生轉(zhuǎn)酯反應(yīng)。第65頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月UpAGpU外顯子1內(nèi)含子外顯子2pG-OH(ppG-OH,pppG-OH)U-OHGpUpGpA第一次轉(zhuǎn)酯反應(yīng)第二次轉(zhuǎn)酯反應(yīng)G-OHUpUpGpA剪接過程的二次轉(zhuǎn)酯反應(yīng)第66頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月雞卵清蛋白基因hnRNA首、尾修飾hnRNA剪接成熟的mRNA雞卵清蛋白基因及其轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后修飾第67頁，課件共