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第十一章转录-PPT精品

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第十一章
RNA的生物合成(转录) RNA Biosynthesis (Transcription)

本节内容
第1节 转录模板和RNA聚合酶 第2节 转录过程 第3节 转录后加工

DNA DNA DNA

RNA 蛋白质
中心法则

转录(transcription)*
生物体以DNA为模板合成RNA的过程 。

复制与转录的异同
一、相同点 二、不同点

一、复制与转录的相同点
(一)服从碱基配对规则 (二)合成方向都是5’-3’ (三)都形成3’, 5’-磷酸二酯键

核酸基本组成单位—核苷酸

5?端

C

核苷酸之间以

磷酸二酯键连接形

H2O
成多核苷酸链,即

A

核酸。

5’端:磷酸末



H2O

G

3’端:羟基末


3?端

二、复制与转录的不同点

模板 原料 酶 校读

复制 DNA双链
dNTP DNA聚合酶


转录 DNA单链
NTP RNA聚合酶


配对 产物 引物

复制
A=T GC
子代双 链DNA
需要

转录
A=U T=A GC
mRNA tRNA rRNA
不需要

第一节 转录模板和酶 Templates and Enzymes
一、转录模板 二、RNA聚合酶
三、酶与模板的辨认结合

一、转录模板
结构基因 模板链

RNA

编码链

*结构基因(structural gene): DNA分 子上能转录出RNA的区段。
*模板链(template strand) ,编码链 (coding strand): DNA双链中按碱基配
对规律能指引转录生成RNA的一股单链;相对的 另一股单链是编码链
*不对称转录

*不对称转录 对一个特定的基因,只选择双 链中的一条链进行转录;对全部基因来说, 两条链都可以作为模板,模板链并非总是在 同一单链上。

结构基因

转录方向

5?

编码链

3?

模板链

模板链

3?

编码链

5?

转录方向

二、RNA聚合酶
以NTP为底物,催化RNA合成的 一类酶

全称:依赖DNA的RNA聚合酶 DNA-dependent RNA polymerase 英文缩写:DDRP或RNA-pol 合成方向:5’ -3’ 合成时不需要RNA引物 无3’ -5’核酸外切酶活性

1. 原核生物的RNA聚合酶
共1种,合成全部原核细胞中的RNA
由4个亚基组成的 五聚体
(α2 β β’ σ ) 有无ω?

大肠杆菌RNA聚合酶组分

亚基
? ? ?? ?

分子量
36512 150618 155613 70263

功能
决定哪些基因被转录 催化功能
结合DNA模板 辨认起始点

α2 β β’ 称为核心酶 α2 β β’ σ称为全酶

?? ??
??

核心酶可以进行转录,但没有

正确的起始点,因此在原核细胞

中的转录起始是需要全酶的 ,而

延长时仅需核心酶。

大肠杆菌的多种σ因子

名称

主要功能

σ28

鞭毛基因

噬菌体合成

σ32

热休克基因

σ因子?

σ54

氮饥饿状态

σ70

正常状态,最常见启动子

2. 真核生物的RNA聚合酶
共3种(RNA-PolⅠ、Ⅱ、Ⅲ) 分别合成rRNA、mRNA和tRNA
动画 RNA-Pol II

RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ都由多个 亚基组成。有些亚基是三种酶所共有。
mRNA是各种RNA中寿命最短、 最不稳定的,需经常重新合成。因此 RNA聚合酶Ⅱ是三种酶中最活跃的。

RNA



聚合酶





转录
产物 45SrRNA hnRNA tRNA 5SRNA

5.8SrRNA

snRNA

加工 18SrRNA mRNA

28SrRNA

真核生物的RNA聚合酶

种类

I

II

III

5S-rRNA

转录产物

45SrRNA

hnRNA

tRNA

snRNA

对鹅膏蕈 碱的反应

不敏感

极敏感

中度敏感

Clinical Correlation11.1
?利福* 抑制原核生物的RNA聚合酶( β ),而不 抑制哺乳动物RNA聚合酶,主要应用于肺结核和 其他结核病治疗。
?鹅膏蕈碱(α-Amanitin) 来自毒蘑菇Amanita phalloides的八肽,抑制真核生物的RNA聚合酶, 尤其是聚合酶II,从而阻断RNA合成。误服早期 显示较温和的胃肠不适反应,48小时后可因严重 肝衰竭致死。

鬼笔鹅膏

三、酶与模板的辨认结合

结构基因

3’

核心酶

σ

启动子

转录起始点

模板链

操纵子/启动子
原核生物一个转录区段可视为一个转录单 位,称为操纵子(operon),包括若干个结构 基因及其上游的调控序列。 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。

原核生物的启动子

-40 -30 -20 -10 0 10

启动子
-35区:TTGACA 为RNA-pol辨认位点

转录起始点

-10区:TATAAT 为RNA-pol结合位点

回顾
?基本概念:转录、不对称转录、模板链和编 码链
?大肠杆菌RNA聚合酶亚基组成 ?真核生物三种RNA聚合酶的功能/转录产物 ?复制与转录的区别 ?原核生物启动子的特点,RNA-Pol与模板的 识别

第2节 转录过程
The Process of Transcription
一、原核生物转录过程 二、真核生物转录过程

一、原核生物RNA合成过程
(一)起始 (二)延长 (三)终止

(一)起始

转录起始过程
1. RNA聚合酶全酶(?2????)与模板结合 2. DNA双链局部解开
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
转录起始复合物:
RNApol (?2????) - DNA - pppGpN- OH 3?

(二)延长

3’
核心酶
σ
5’
rRNA、mRNA、tRNA

5’ 3’

转录空泡(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。
RNA-pol (核心酶) ····DNA ····RNA

原核生物转录的起始与延长 Rna transcription-Prokaryote.flv

DNA
3?

RNA

RNA聚合酶

5?

核糖体 原核生物转录过程中的羽毛状现象

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

(三)终止
1. 依赖ρ因子 2. 非依赖ρ因子

1. 依赖ρ因子终止
核心酶 ρ

1. 依赖 Rho因子的转录终止 原核细胞转录终止因子ρ,同六聚体蛋白。(1) ρ具有结合RNA的能力:对 polyC的结合力最强。(2) ρ还有ATP酶和解螺旋酶的活性。当转录产物的3′ 末端含有丰富的C时,就会与ρ结合,二者都发生构象变化,从而使RNA聚合 酶停顿。解螺旋酶活性使DNA-RNA杂化链分开释放RNA产物,转录终止。
依赖Rho终止转录的RNA产物3′末端含有丰富的C(红色 标出部分),或者有规律地出现C碱基。 Rho可以结合此区段发挥ATP酶和解螺旋酶的作用。

2. 非依赖ρ因子终止
靠*终止处,RNA产物形成特殊的茎环/发夹结构 来终止转录。

核心酶

RNA

发夹结构

1) RNA茎环结构的形成,可改变RNA-pol的 构象及其与DNA模板的结合方式,使酶不再向 下游移动,出现转录停顿。 2)RNA形成局部双链(茎环),DNA分子回 复双螺旋,导致原DNA-RNA杂化双链不稳定, 转录复合物趋于解体。 3)末端连续的寡聚U促进RNA链从模板脱落 (所有的碱基配对中rU/dA最不稳定)。
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。

转录过程动画 RNA synthesis.mov

二、真核生物RNA合成过程
(一)起始 (二)延长 (三)终止

真核生物DNA分子高度折叠凝缩 DNA高度凝缩形成染色体.MOV
为进行转录,遗传物质需要从其更加紧密的包装 状态变为相对松散的开放状态-
染色体上形成扩展或涨泡

(一)起始

转录起始点
真核生物RNA聚合酶

增强子

O反CT式-1作用G因C子TATA CAAT 或顺转式录作因用子元件
OCT-1:ATTTGCAT八聚体

1. 转录起始前的上游区段 典型的RNA-pol Ⅱ转录的基因

2. 转录因子
能直接、间接辨认和结合 转录上游区段DNA的蛋白 质,现已发现数百种,统 称为反式作用因子(transacting 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 (transcriptional factors, TF)。

3. 转录起始前复合物 (pre-initiation complex, PIC)

由RNA-Pol Ⅱ催化转录的PIC

TFⅡF

2个亚基组成:
大亚基有解螺旋酶活性 小亚基与原核生物σ 因子同源 。

ⅡA
ⅡE

ⅡB

ⅡH

由RNA-Pol Ⅱ催化转录的PIC

TFⅡF

2个亚基组成: 大亚基有解螺旋酶活性 小亚基与原核生物σ因子同源 。
recruitment

ⅡA
ⅡE

ⅡB

ⅡH

真核生物转录因子作用动画
Eukaryotic Transcription activation process-TF.flv

拼板理论
一个真核生物基因的转录需要3至5 个转录因子。转录因子比基因组上基 因数少,以不同的组合来转录不同的 基因。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)延长和终止
?与原核生物相似,机制更复杂; ?转录延长过程中无转录、翻译同步
现象; ?转录终止和加尾修饰同时进行。

真核生物的转录终止及加尾修饰

第3节 RNA的转录后加工
一、mRNA转录后加工 二、tRNA转录后加工 三、rRNA转录后加工

几种主要的修饰方式

1. 剪接(splicing)

2. 剪切(cleavage)

3. 修饰(modification) 4. 添加(addition)

一、mRNA转录后加工
原核生物的mRNA不需要加工, 一边转录,一边翻译。
真核生物先转录为hnRNA, 经过复杂的加工才成为成熟的 mRNA。

原核生物
原核、真核生物转录过程区别 bio25 processing of gene
information prokaryotes versus eukaryotes.swf
真核生物

真核生物mRNA的转录后加工 (一) 5’加帽子 (二) 3’加尾巴 (三)切除内含子,拼接外显子 (四)mRNA编辑

(一)5’加帽子

新生RNA链25nt时

5’

3’

帽子m7GpppGp -
帽子保护RNA免遭核酸酶降解; 也可参与mRNA与核糖体结合, 与蛋白翻译有关

帽子结构

(二)3’加尾巴

5’

AAAA

AAA 3’

PolyA尾巴长度为100-200个核 苷酸,与mRNA的寿命有关

转录终止及加尾修饰同时进行

(三)切除内含子,拼接外显子

内含子

hnRNA 外显子 mRNA

*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。 其编码区为外显子(exon),非编码区为内 含子(intron)。

*外显子和内含子
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。
对mRNA来说,外显子编码指导蛋白的合成;内含 子则代表不编码氨基酸的核酸序列

断裂基因及其转录、转录后修饰
注:前导顺序(L)和外显子(1、2、3、4、5、6、7)

7.7kb

卵清蛋白基因

L

12 34

56

7

hnRNA GpppG
首尾修饰的hnRNA
GpppG
剪接中的套索RNA
胞浆mRNA GpppG

AAA···AAA AAA···AAA AAA···AAA

鸡卵清蛋白成熟mRNA(虚线部分)与基因 DNA(实线部分)分子杂交后电镜所见

剪接过程由剪接体完成,剪接 体由snRNA和蛋白质组成。

剪接体通过识别内含子两端GU 和AG来确定剪切位置
内含子

5’GU

AG3’

mRNA的剪切动画
bio30 How spliceosomes process RNA.swf

Clinical Correlation11.3
剪接体通过识别内含子两端GU和AG来确定剪 切位置,当5’GU的G突变为A,剪接体无法准确 识别和切去内含子,可能多切或不切,无法形成 正常的mRNA。
内含子

5’GA U

AG3’

mRNA加工缺陷导致的人类疾病
β+-地中海贫血症:
由于β-珠蛋白基因的转录初级产物发生了 这种剪接识别信号序列的突变(G—A), 剪接体无法准确识别和切去内含子,导致 无法加工形成正常β-珠蛋白mRNA,病人 合成的正常β-珠蛋白链减少。

内含子序列存在的意义?

通过选择性剪接产生不同的成熟mRNA
黑腹果蝇dsx基因有些基因RNA 跳过一个外显子能进行可变或
选择性剪 接 (Alternative splicing),即一 种基因能产生 多种mRNA。
肌钙蛋白通过拼接 不同外显子,表达 组织特异性蛋白

(四)mRNA编辑
一种mRNA通过加工,产生不止一 种蛋白质。

2153
UCAA


apoB

aappooBB14080
? RNA编辑作用说明,基因的编码序列经过转 录后加工,是可有多用途分化的,因此也称 为分化加工(differential RNA processing)。

二、tRNA转录后加工
(一)切除5’前导序列,中部内含子, 3’两个核苷酸
(二) 3’加上CCA-OH

RNA-polⅢ转录的基因及其初级产物

DHU-loop

A C C
T?loop
虚线部分要在转录后加工剪除 同时在3′末端加上“—CCA”

RNaseP 及RNase D
内含子剪切

tRNA核苷酸转移酶 及连接酶
ATP

-CCA

(2) (1)

碱基修饰

(1)甲基化

(1)

如:A ? Am

(2)还原反应 如:U ? DHU

(3) (4)

(3)核苷内的转位反应 如:U ? ψ
(4)脱氨反应 如:A ? I

三、rRNA转录后加工

18S 内含子 5.8S 内含子 28S

RNA-pol I

转录

剪接

rDNA 45S - rRNA

18S - rRNA

5.8S和28S-rRNA

rRNA基因属于丰富基因族, 丰富基因族是指同一个基因在 基因组上有很多重复。

四、核酶
核酶是指具有催化活性的 RNA,它的发现是对传统酶学 的挑战。

四膜虫rRNA的剪接采用自我剪接方式
四膜虫rRNA内含子的二级结构 5?-端核苷酸序列

四膜虫35S rRNA 前体的拼接 可通过体外凝胶电泳进行分析

在不存在任何蛋白的 情况下,可以发生催 化剪切反应。反应只 需要一价阳离子、二 价阳离子和鸟苷酸辅 助因子(GTP、GDP、 GMP均可,只需鸟苷 酸的3’-OH)。反应 不需要外部能量的供 给。

能做自我剪接的RNA结构
标出的碱基都是必需的保守序列
3′ 5′

槌头ribozyme N N

最简单的核酶

CG AU

可被切断的部位

A A

C

NNN

NNN

NNN

NNN

A

C

GU

NA G

1989年诺贝尔化学奖: T. Cech与S.Altman,发现RNA的生物 催化作用。

RNA的降解
各种RNA分子半衰期不同,肝中tRNA~5天,哺 乳动物mRNA几小时~30小时。 RNA分子的降解依赖各种核酸外切酶及内切酶, 并受其本身结构特点及蛋白因子的影响。如 mRNA的polyA尾巴。 某些病毒如单纯疱疹病毒HSV,可在感染早期, 降低宿主mRNA的稳定性,导致宿主mRNA容易 降解,从而减少对游离核糖体的竞争,病毒自身 基因得到高效表达翻译。

小结
掌握: 1.转录概念。 2.转录基本条件:模板、酶及蛋白因子。不 对称转录、模板链和编码链;原核生物的 RNA聚合酶及其亚基组成 。 3. RNA转录基本过程:起始、延长、终止 (原核)。 4. 真核生物的转录后加工过程。

小结
熟悉: 1.真核生物与原核生物转录过程的异同。 2.RNA转录基本特点:转录与复制相比较、 真核生物与原核生物相比较、转录与逆转录 相比较。

Clinical Correlation11.4
?脆性 X 综合征(Fragile X Syndrome) 常见的遗传性痴呆病,也是孤独症和智力迟钝的 最普遍遗传病因。约每1250个男性或2000个女性 中就有一人发病,其临床表现主要是智力低下, 患者智商仅为正常人的40%。 男性病人的体貌特征是耳朵大、睾丸大。

Clinical Correlation11.4
? 脆性 X 综合征患者智力低下与基因FMR1中三核甘酸重复 序列CGG的拷贝数目有关。(CGG)n 位于FMR1基因的5’ 非翻译区,正常人的CGG序列重复约30-200个拷贝,脆性 X染色体综合征患者则有200-上千个拷贝。
? 过多的CGG 重复序列导致FMR1基因的启动子广泛甲基化, 在转录上无活性,无法启动FMR1基因的转录,从而缺乏 FMR1蛋白表达。
? FMR1蛋白产物主要存在于胎儿大脑及神经组织中,影响发 育过程中多种基因的转录及表达。

Clinical Correlation11.5
?Cockayne综合征(Cockayne syndrome,CS) 是一种罕见的人类常染色体隐性遗传疾病,临床表 现为严重的生长迟缓、发育缺陷、神经退化、严 重残废和早老。患者皮肤对紫外线极为敏感,易 出现光损伤和皮肤癌变。 特殊面容(大而深陷的眼睛, 颞部尖瘦,鼻窄而突出)。

Clinical Correlation11.5
? 致病机理 CSA或CSB基因产物似乎是TFⅡH的一部分或 与TFⅡH 相结合的蛋白,与转录延长过程有关。

CSA或CSB基因突变

影响某些发育相关基因转录

蛋白产物缺陷 转录偶联的DNA修复过程

TFⅡH功能缺陷

干扰RNA-polⅡ转录延长

课外阅读
人到底有多少个基因?P279
网络资源;文献搜索 GENETICS: Working the (Gene Count) Numbers: Finally, a Firm Answer? Pennisi Science 25 May 2019: 1113




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