第14章_核酸合成-转录.ppt

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1、第第1414章章 RNARNA的生物合成的生物合成-转录转录14.1 14.1 转录转录(transcription)transcription)的特点：的特点：1 1、以、以DNADNA单链为模板，单链为模板，NTPNTP为原料，在为原料，在DNADNA依赖的依赖的RNARNA聚合酶聚合酶催化下合成催化下合成RNARNA链的过链的过程。程。转录的条件：转录的条件：模板模板模板模板原料原料原料原料酶酶酶酶产物产物产物产物配对配对配对配对方向方向方向方向引物引物引物引物DNA(DNA(不对称转录）不对称转录）不对称转录）不对称转录）NTPNTPRNARNA聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶mRNAmRNA

2、,tRNAtRNA,rRNArRNA，小小小小RNARNAA-A-U U,T-A,G-C,T-A,G-C5 5 3 3 不需要不需要不需要不需要 DNADNA的大小与基因的大小与基因 结构基因结构基因(structure gene)(structure gene)：DNADNA分子中能转录出分子中能转录出RNARNA的区段的区段 1 1、重复、重复 2 2、重叠、重叠 3 3、不连续、不连续2 2、DNADNA的不对称转录的不对称转录 .DNA.DNA双链上，仅一股链转录，另一股不转录。双链上，仅一股链转录，另一股不转录。转录方向转录方向5 3模板链模板链图图图图13-113-1模板链：模板链

3、：反意义链反意义链（antisense strandantisense strand，(-)(-)链链）以该链中的以该链中的DNADNA碱基顺序指导碱基顺序指导RNARNA的合成的合成即被转录的那条即被转录的那条DNADNA链。链。编码链：编码链：有意义链有意义链（sense strand sense strand，（+）链链）不被转录的那条不被转录的那条DNADNA链，链，但其碱基顺序除但其碱基顺序除T T代替代替U U外，其余与外，其余与mRNAmRNA相同。相同。5-GCAGTACATGTC-3编码链编码链 DNADNA3-CGTCATGTACAG-5模板链模板链5-GCAGUACAUG

4、UC-3 mRNARNAN -Ala-Val-His-Val-C 蛋白质蛋白质有意义链与反意义链并非固定不变。有意义链与反意义链并非固定不变。.转录方向都是转录方向都是5 5 3 3 3 3、RNARNA聚合酶聚合酶依赖依赖DNADNA的的RNARNA聚合酶聚合酶（DNA-dependent RNA DNA-dependent RNA polymerase,DDRPpolymerase,DDRP）以以DNADNA为模板，催化为模板，催化2 2个游离的个游离的NTPNTP形成形成33，5-5-磷酸二酯键磷酸二酯键 14.2.1 14.2.1 14.2.1 14.2.1 大肠杆菌大肠杆菌大肠杆菌大

5、肠杆菌RNARNARNARNA聚合酶的组成聚合酶的组成聚合酶的组成聚合酶的组成（1 1 1 1）全酶）全酶）全酶）全酶(holoenzymeholoenzymeholoenzymeholoenzyme)由由由由4 4 4 4种种种种(5(5(5(5个个个个)亚基亚基亚基亚基2 2 2 2组成组成组成组成（2 2 2 2）核心酶核心酶核心酶核心酶(core enzyme)(core enzyme)(core enzyme)(core enzyme)2 2 2 2 ，参与转录的全过程参与转录的全过程参与转录的全过程参与转录的全过程（3 3 3 3）亚基亚基亚基亚基（起始亚基）（起始亚基）（起始亚基

6、）（起始亚基）亦称亦称亦称亦称因子因子因子因子（factor)factor)factor)factor)转录辅助因子转录辅助因子转录辅助因子转录辅助因子 识别启动子识别启动子识别启动子识别启动子 亚基功能未知亚基功能未知亚基功能未知亚基功能未知14.2 14.2 原核生物的转录原核生物的转录大肠杆菌RNA聚合酶的结构示意图 核心酶核心酶(2 2)起始因子起始因子 和模板和模板DNADNA结合结合 起始和催化聚合反应起始和催化聚合反应 酶的装配、结合启动子等酶的装配、结合启动子等全酶全酶(2 2 )全全全全酶酶酶酶核核核核心心心心酶酶酶酶uu亚基亚基亚基亚基uu 2 2uu uu uu 决定哪些

7、基因被转录决定哪些基因被转录决定哪些基因被转录决定哪些基因被转录结合底物，形成磷酸二酯键结合底物，形成磷酸二酯键结合底物，形成磷酸二酯键结合底物，形成磷酸二酯键（催化）（催化）（催化）（催化）结合模板结合模板结合模板结合模板（开链）（开链）（开链）（开链）（核心酶参与转录全过程）（核心酶参与转录全过程）（核心酶参与转录全过程）（核心酶参与转录全过程）识别起始点启动子（延长时脱落）识别起始点启动子（延长时脱落）识别起始点启动子（延长时脱落）识别起始点启动子（延长时脱落）功能功能功能功能14.2.2 14.2.2 原核生物的启动子（原核生物的启动子（promoterpromoter）1 1、启动子

8、启动子 RNARNA聚合酶全酶识别、结合、开始转录聚合酶全酶识别、结合、开始转录的的DNADNA序列序列（双链）（双链）转录因子转录因子RNARNA聚合酶聚合酶起始转录起始转录所需要的辅助因子（蛋白质）所需要的辅助因子（蛋白质）原核生物启动子的特点原核生物启动子的特点:(1)(1)DNADNA序列在转录起始点的序列在转录起始点的55端区端区(上游区上游区)(2)(2)-10-10bpbp处处-TATAAT-TATAAT-(Pribnow Pribnow box)box)(3)(3)-35bp-35bp处处-TTGACA-TTGACA-14.2.3 14.2.3 原核生物原核生物RNARNA的转

9、录过程的转录过程14.2.3.1 14.2.3.1 模板的识别模板的识别14.2.3.2 原核生物的转录起始原核生物的转录起始亚基辨认亚基辨认-35区区RNA pol 全酶移向全酶移向-10区区合成第一个磷酸二酯键合成第一个磷酸二酯键5-pppGpN（A）-OH-转录起始复合物转录起始复合物RNA pol()DNApppGpN-OH亚基脱落亚基脱落（结合松弛）（结合松弛）（结合紧密）（结合紧密）转录起始不需引物！转录起始不需引物！16/50RNA聚合聚合酶保护区酶保护区结构基因结构基因终止点终止点10-10TTGACATATAAT转录开始转录开始+1翻译开始翻译开始Purine-35（Prib

10、now box）辨认结合区辨认结合区转录起始区转录起始区12/50编码链编码链RNARNA聚合酶聚合酶因子因子识别及结合启动子，识别及结合启动子，延长时脱落延长时脱落不参与转录过程，是转录辅助因子不参与转录过程，是转录辅助因子识别位点：启动子识别位点：启动子-35-35区、区、-10-10区区结合过程：结合过程：vv闭和的启动子复合体闭和的启动子复合体RNARNA聚合酶（全酶）中的聚合酶（全酶）中的因子因子在在DNADNA双链双链上迅速、随机滑动，寻找到上迅速、随机滑动，寻找到启动子启动子-35-35区区，形成形成疏松的复合物，疏松的复合物，DNADNA双链未解开双链未解开。vv开放的启动子复

11、合体开放的启动子复合体RNARNA聚合酶（全酶）聚合酶（全酶）移向移向-10-10区和转录起始区和转录起始14.2.3.3 延长延长-转录泡转录泡RNARNA聚合酶（核心酶）聚合酶（核心酶）与与DNADNA模板紧密结合，模板紧密结合，沿沿3 53 5方向移动方向移动解旋作用：解旋作用：DNADNA解开解开聚合功能聚合功能（不具外切酶功能）（不具外切酶功能）杂交螺旋杂交螺旋 RNA-DNARNA-DNA形成杂交螺旋形成杂交螺旋 转录产物转录产物RNARNA沿沿5 35 3方向延长方向延长See Movie 14.2.3.4 转录终止：终止子和终止因子转录终止：终止子和终止因子 转录至模板某一位置

12、转录至模板某一位置 停止形成磷酸二酯键停止形成磷酸二酯键 RNADNARNADNA杂交链解开杂交链解开 DNADNA解链的部分重新形成双螺旋解链的部分重新形成双螺旋 RNARNA聚合酶离开聚合酶离开DNADNA终止子终止子（terminator）提供转录终止信号的提供转录终止信号的DNA序列序列终止因子（终止因子（termination factor）协助协助RNA Pol识别终止信号的辅助因子识别终止信号的辅助因子第一类：第一类：依赖依赖-因子的终止因子的终止1 1、转录终止的两种方式（原核）、转录终止的两种方式（原核）l lDNADNADNADNA模板上有终止信号模板上有终止信号模板上有终

13、止信号模板上有终止信号l l转录出来的转录出来的转录出来的转录出来的RNARNARNARNAl lPolPolPolPol遇此结构停止工作遇此结构停止工作遇此结构停止工作遇此结构停止工作l lDNADNADNADNA和和和和RNARNARNARNA（dAdAdAdA ：rUrUrUrU）稳定性下降稳定性下降稳定性下降稳定性下降l l富含富含富含富含GC/ATGC/ATGC/ATGC/AT的回文结构的回文结构的回文结构的回文结构l l自身互补形成自身互补形成自身互补形成自身互补形成发夹状结构（发夹状结构（发夹状结构（发夹状结构（hairpinhairpinhairpinhairpin）3333尾

14、端有尾端有尾端有尾端有4 4 4 4个个个个U U U Ul lDNADNADNADNA恢复双链，恢复双链，恢复双链，恢复双链，释放转录产物释放转录产物释放转录产物释放转录产物第二类：第二类：不依赖不依赖-因子的终止因子的终止UUGCAGCCUGAGAAAUCAGGCUGAUGG5353自发形成发夹结构自发形成发夹结构（转录产物（转录产物 3末端）末端）例如：例如：AUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUU53UUUU53自发形成自发形成茎环结构茎环结构发夹结构发夹结构环环茎茎多个U DNADNA模板模板模板模板 3 35 5 起始起始双链双链DNA局部解开局部解开磷酸二酯磷

15、酸二酯键形成键形成终止阶段终止阶段解链区到达解链区到达基因终点基因终点延长阶段延长阶段5 3 RNA启动子启动子Promoter 终止子终止子terminator5 RNA聚合酶聚合酶 5 3 5 3 5 5 3 离开离开14.2.4 转录后的加工转录后的加工l14.2.4.1 原核生物原核生物原核生物原核生物mRNAmRNAmRNAmRNAl l多顺反子多顺反子多顺反子多顺反子l l转录与翻译同步转录与翻译同步转录与翻译同步转录与翻译同步l lmRNAmRNAmRNAmRNA不需加工不需加工不需加工不需加工 l l寿命寿命寿命寿命短短短短14.2.4.1tRNAtRNA的加工的加工l l碱基

16、修饰碱基修饰碱基修饰碱基修饰l l3333端端端端 l l5555端端端端l l切除反密码环切除反密码环切除反密码环切除反密码环 的内含子的内含子的内含子的内含子l l稀有碱基稀有碱基稀有碱基稀有碱基-T-T-T-Tl l脱氨脱氨脱氨脱氨 -AMP IMP-AMP IMP-AMP IMP-AMP IMPl l还原还原还原还原 -DHU-DHU-DHU-DHUl l甲基化甲基化甲基化甲基化-m m m mA A A A m m m mG G G Gl lCCA-OHCCA-OHCCA-OHCCA-OHl lRNasePRNasePRNasePRNaseP切除多余的核苷酸切除多余的核苷酸切除多余的

17、核苷酸切除多余的核苷酸l lRNasePRNasePRNasePRNaseP在前在前在前在前tRNAtRNAtRNAtRNA二级结构基础上二级结构基础上二级结构基础上二级结构基础上14.2.4.3 rRNArRNA的加工的加工RNaseRNaseRNaseE甲基化碱基甲基化碱基甲基化核糖甲基化核糖 14.3 真核细胞中的转录真核细胞中的转录 1 1、转录与翻译在异处转录与翻译在异处14.3.1 真核细胞真核细胞RNARNA聚合酶聚合酶在在DEAE-DEAE-SephadexSephadex柱上的洗脱次序称为柱上的洗脱次序称为酶酶、没有对应于没有对应于没有对应于没有对应于 因子的成分，需要转录因

18、子参与因子的成分，需要转录因子参与因子的成分，需要转录因子参与因子的成分，需要转录因子参与14.3.2 启动子启动子（Hongness盒盒 25）TATA框（Hogness box）与RNA聚合酶的定位有关 DNA双链解开的部位 辅助因子为通用转录因子通用转录因子 （general transcription factor，GTF）4、真核与原核生物真核与原核生物mRNAmRNA的区别的区别l l原核生物原核生物原核生物原核生物mRNAmRNAmRNAmRNAl l多顺反子多顺反子多顺反子多顺反子l l转录与翻译同步转录与翻译同步转录与翻译同步转录与翻译同步l lmRNAmRNAmRNAmRN

19、A不需加工不需加工不需加工不需加工 l l寿命寿命寿命寿命短短短短l l真核生物真核生物真核生物真核生物mRNAmRNAmRNAmRNAl l单顺反子单顺反子单顺反子单顺反子l l转录后需加工运至转录后需加工运至转录后需加工运至转录后需加工运至 胞浆再翻译胞浆再翻译胞浆再翻译胞浆再翻译l lmRNAmRNAmRNAmRNA需加工需加工需加工需加工l l寿命较长寿命较长寿命较长寿命较长 真核生物真核生物的的mRNAmRNA转录后加工转录后加工l l转录产物转录产物：hnRNAhnRNA（核不均一核不均一RNARNA）+蛋白质蛋白质 不均一核糖核蛋白（不均一核糖核蛋白（hnRNPhnRNP）加帽加

20、帽加帽加帽加尾加尾加尾加尾mRNAmRNAmRNAmRNA前体的剪接前体的剪接前体的剪接前体的剪接5555端：端：端：端：m7m7m7m7GpppGpNGpppGpNGpppGpNGpppGpN作用作用作用作用:稳定稳定稳定稳定mRNA 5mRNA 5mRNA 5mRNA 5端端端端 和翻译的起始有关和翻译的起始有关和翻译的起始有关和翻译的起始有关3333端端端端:polyApolyApolyApolyA尾巴尾巴尾巴尾巴作用：稳定作用：稳定作用：稳定作用：稳定mRNAmRNAmRNAmRNA 和翻译模板活性有关和翻译模板活性有关和翻译模板活性有关和翻译模板活性有关剪除内含子，连接外剪除内含子，

21、连接外剪除内含子，连接外剪除内含子，连接外显子显子显子显子加工过程主要包括：加工过程主要包括：5 5 pppGppppGp5 5 GpppGpGpppGppppGpppG ppippi鸟苷酰鸟苷酰转移酶转移酶5 5 m m7 7GpppGpGpppGp甲基转移酶甲基转移酶SAMSAM5 5 ppGpppGp磷酸酶磷酸酶 Pi Pi（1 1）真核生物）真核生物mRNAmRNA转录后加工转录后加工-“加帽加帽”以以5-5三磷酸相连三磷酸相连步骤步骤1步骤步骤2作用位置作用位置200250（2 2）真核生物）真核生物mRNAmRNA转录后加工转录后加工-加加polyApolyA尾尾外显子外显子内含子

22、内含子DNA hnRNA（3 3）真核生物）真核生物mRNAmRNA转录后加工转录后加工剪接剪接mRNA-DNA hybrids for the chicken ovalbumin gene(the R-looping technique)14.4 核酶核酶-真核生物真核生物rRNArRNA的自身剪切的自身剪切四膜虫四膜虫四膜虫四膜虫 26SrRNA26SrRNA26SrRNA26SrRNA核酶核酶核酶核酶（ribozymeribozymeribozymeribozyme）应用应用应用应用前体前体前体前体 6.4 kb6.4 kb6.4 kb6.4 kb 414bp 414bp 414bp 4

23、14bp内含子内含子内含子内含子 5.986kb 5.986kb 5.986kb 5.986kb 无酶催化，无酶催化，无酶催化，无酶催化，自身剪接自身剪接自身剪接自身剪接具有催化功能具有催化功能具有催化功能具有催化功能的的的的RNARNARNARNA 切割特异切割特异切割特异切割特异性性性性RNARNARNARNA序列序列序列序列具特定的二级结构具特定的二级结构具特定的二级结构具特定的二级结构-槌头结构槌头结构槌头结构槌头结构人工合成核酶的槌头结构人工合成核酶的槌头结构人工合成核酶的槌头结构人工合成核酶的槌头结构 破坏破坏破坏破坏HIVHIVHIVHIV病毒病毒病毒病毒 底物底物催化部分催化部

24、分图图图图13-1113-11酶酶底物底物图图图图13-1213-12DNA复制与转录的比较复制与转录的比较相相同同点点模板模板 两股链均复制两股链均复制 模板链转录模板链转录 合成方式合成方式 半保留复制半保留复制 不对称转录不对称转录 原原 料料 dNTP NTP 聚合酶聚合酶 DNA聚合酶聚合酶 RNA聚合酶聚合酶 碱基配对碱基配对 A-T，G-C A-U，T-A，G-C 产物产物 半保留的双链半保留的双链DNA 单链单链RNA不不同同点点以以DNA为模板为模板 遵循遵循碱基配对碱基配对原则原则 都需都需依赖依赖DNA的聚合酶的聚合酶 聚合过程都是生成聚合过程都是生成磷酸二酯键磷酸二酯键新链合成方向为新链合成方向为533/50 复制（纠错）复制（纠错）转录（不纠错）转录（不纠错）