RNA的生物合成(轉(zhuǎn)錄)課件

1、(RNA Biosynthesis, Transcription)轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄是指是指以以DNA為模板合成為模板合成RNA的過程的過程 。 參與物質(zhì)參與物質(zhì)原料原料: NTP (ATP, UTP, GTP, CTP) DNA模板模板RNA聚合酶聚合酶(RNA polymerase, RNA-pol)其他蛋白質(zhì)因子其他蛋白質(zhì)因子復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的區(qū)別復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的區(qū)別 A-U，T-A，G-CA-T，G-C配對(duì)配對(duì)mRNA，tRNA，rRNA子代雙鏈子代雙鏈DNA（半保留復(fù)制）半保留復(fù)制）產(chǎn)物產(chǎn)物RNA聚合酶聚合酶-polDNA聚合酶聚合酶酶酶NTPdNTP原料原料兩股鏈均復(fù)制兩股鏈均復(fù)制模板模板轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄復(fù)制

2、復(fù)制A-U，T-A，G-CA-T，G-CmRNA，tRNA，rRNA子代雙鏈子代雙鏈DNA（半保留復(fù)制）半保留復(fù)制）產(chǎn)物產(chǎn)物RNA(RNA-pol)DNA聚合酶聚合酶酶酶NTPdNTP原料原料模板鏈轉(zhuǎn)錄模板鏈轉(zhuǎn)錄(不對(duì)稱轉(zhuǎn)錄不對(duì)稱轉(zhuǎn)錄)兩股鏈均復(fù)制兩股鏈均復(fù)制模板模板轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄復(fù)制復(fù)制一、一、不對(duì)稱轉(zhuǎn)錄不對(duì)稱轉(zhuǎn)錄 1. DNA分子上轉(zhuǎn)錄出分子上轉(zhuǎn)錄出RNA的區(qū)段，稱為的區(qū)段，稱為結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因(structural gene)。結(jié)構(gòu)基因中能轉(zhuǎn)錄生成。結(jié)構(gòu)基因中能轉(zhuǎn)錄生成RNA的一股的一股單鏈，稱為單鏈，稱為模板鏈模板鏈(template strand)，也稱作，也稱作有意義鏈有意義鏈或或Wat

3、son鏈鏈。另一股單鏈?zhǔn)?。另一股單鏈?zhǔn)蔷幋a鏈編碼鏈(coding strand)，也稱為也稱為反義鏈反義鏈或或Crick鏈鏈。(一一)轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄的模板的模板(Basic Rules and System of Transcription) 2. 在包含多個(gè)基因的在包含多個(gè)基因的DNA分子中，各基因的模板鏈并分子中，各基因的模板鏈并不總在同一條鏈上，在某個(gè)基因節(jié)段以其中某一條鏈為不總在同一條鏈上，在某個(gè)基因節(jié)段以其中某一條鏈為模板進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，而在另一個(gè)基因節(jié)段上則以其對(duì)應(yīng)單鏈模板進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，而在另一個(gè)基因節(jié)段上則以其對(duì)應(yīng)單鏈為模板，這種選擇性稱不對(duì)稱轉(zhuǎn)錄。為模板，這種選擇性稱不對(duì)稱轉(zhuǎn)錄。 5 5 3

4、3 3 3 5 5 模板鏈模板鏈編碼鏈編碼鏈編碼鏈編碼鏈模板鏈模板鏈轉(zhuǎn)錄方向轉(zhuǎn)錄方向轉(zhuǎn)錄方向轉(zhuǎn)錄方向5GCAGTACATGTC 33 c g t g a t g t a c a g 55GCAGUACAUGUC 3NAla Val His Val C編碼鏈編碼鏈模板鏈模板鏈mRNA蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄翻譯翻譯 (二二) 轉(zhuǎn)錄的特點(diǎn)轉(zhuǎn)錄的特點(diǎn)1. 轉(zhuǎn)錄的不對(duì)稱性轉(zhuǎn)錄的不對(duì)稱性2. 轉(zhuǎn)錄方向的單向性轉(zhuǎn)錄方向的單向性 3. 轉(zhuǎn)錄不需要引物形成連續(xù)性轉(zhuǎn)錄不需要引物形成連續(xù)性4. 轉(zhuǎn)錄過程有特定起始和終止點(diǎn)轉(zhuǎn)錄過程有特定起始和終止點(diǎn)二、二、 RNA轉(zhuǎn)錄的體系轉(zhuǎn)錄的體系(一一)模板模板結(jié)構(gòu)基因雙鏈中的一股

5、鏈結(jié)構(gòu)基因雙鏈中的一股鏈。(二二)原料原料4種核糖核苷酸：種核糖核苷酸：ATP、UTP、GTP、CTP。(三三)RNA聚合酶聚合酶1.原核生物的原核生物的RNA聚合酶聚合酶核心酶核心酶全酶全酶 RNA聚合酶全酶在轉(zhuǎn)錄起始區(qū)的結(jié)合聚合酶全酶在轉(zhuǎn)錄起始區(qū)的結(jié)合 TATAATATATTA+1-55TTGACAAACTGA+20DNA 36512 決定哪些基因被轉(zhuǎn)錄決定哪些基因被轉(zhuǎn)錄 150618 催化功能催化功能 155613 結(jié)合結(jié)合DNA模板模板 70263 辨認(rèn)起始點(diǎn)辨認(rèn)起始點(diǎn)亞亞 基基分分 子子 量量功功能能原核生物的原核生物的RNA聚合酶聚合酶2.真核生物的真核生物的RNA聚合酶聚合酶 種

6、類種類對(duì)鵝膏蕈對(duì)鵝膏蕈堿堿的反應(yīng)的反應(yīng)45S-rRNAhnRNA5S-rRNAtRNAsnRNA耐受耐受極敏感極敏感中度敏感中度敏感轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物 RNA轉(zhuǎn)錄時(shí)除需以上物質(zhì)外，還需要一些轉(zhuǎn)錄時(shí)除需以上物質(zhì)外，還需要一些蛋白因子參與。如原核生物使轉(zhuǎn)錄過程終止蛋白因子參與。如原核生物使轉(zhuǎn)錄過程終止因因子。真核生物聚合酶子。真核生物聚合酶啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄時(shí)的轉(zhuǎn)錄因子。啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄時(shí)的轉(zhuǎn)錄因子。 (四四)蛋白因子蛋白因子(一一)轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始1. 轉(zhuǎn)錄起始需解決兩個(gè)問題轉(zhuǎn)錄起始需解決兩個(gè)問題 (1)RNA聚合酶必須準(zhǔn)確地結(jié)合在轉(zhuǎn)錄模板聚合酶必須準(zhǔn)確地結(jié)合在轉(zhuǎn)錄模板的起始區(qū)域。的起始區(qū)域。 (2)DNA雙鏈解開

7、，使其中的一條鏈作為轉(zhuǎn)雙鏈解開，使其中的一條鏈作為轉(zhuǎn)錄的模板。錄的模板。一、原核生物的轉(zhuǎn)錄過程一、原核生物的轉(zhuǎn)錄過程(The Process of Transcription)(2) DNA雙鏈解開。雙鏈解開。(1) RNA聚合酶全酶聚合酶全酶( 2)與模板與模板保守序列保守序列結(jié)合。結(jié)合。 (3) 在在RNA-pol作用下形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物。作用下形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物。RNApol ( 2) - DNA - pppGpN- OH 3 (4)轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物:2. 轉(zhuǎn)錄起始過程轉(zhuǎn)錄起始過程TGTTGACATATAAT5/5/3/3/-35區(qū)區(qū)-10區(qū)區(qū)轉(zhuǎn)錄方向轉(zhuǎn)錄方向基因轉(zhuǎn)錄區(qū)基因轉(zhuǎn)

8、錄區(qū)啟動(dòng)子啟動(dòng)子+1編碼鏈編碼鏈模板鏈模板鏈原核生物啟動(dòng)子的保守序列原核生物啟動(dòng)子的保守序列 (二二)轉(zhuǎn)錄延長轉(zhuǎn)錄延長1. 亞基脫落，亞基脫落，RNApol核心酶核心酶變構(gòu)，與模板變構(gòu)，與模板結(jié)合松弛，沿著結(jié)合松弛，沿著DNA模板推進(jìn)，模板推進(jìn)，NTP不不斷聚斷聚合合RNA鏈不斷延長。鏈不斷延長。(NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPi轉(zhuǎn)錄空泡轉(zhuǎn)錄空泡(transcription bubble)：RNA-pol (核心酶核心酶) DNA RNA2.原核生物轉(zhuǎn)錄過程中的羽毛狀現(xiàn)象原核生物轉(zhuǎn)錄過程中的羽毛狀現(xiàn)象5 3 DNA核糖體核糖體RNARNA聚合酶聚合酶轉(zhuǎn)錄延長轉(zhuǎn)錄延長1.

9、依賴依賴 (Rho)因子的轉(zhuǎn)錄終止因子的轉(zhuǎn)錄終止 因子以六聚體因子以六聚體形式存在，協(xié)助形式存在，協(xié)助RNA-pol識(shí)別終止信號(hào)，與轉(zhuǎn)識(shí)別終止信號(hào)，與轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物結(jié)合，錄產(chǎn)物結(jié)合，RNA和和RNA-pol一起從模板上脫一起從模板上脫落。落。(三三)轉(zhuǎn)錄終止轉(zhuǎn)錄終止A T Prho5/3/5/3/rho2.非依賴非依賴因子的轉(zhuǎn)錄終止因子的轉(zhuǎn)錄終止 DNA模板上靠近終止處，模板上靠近終止處，有些特殊的堿基序列，可轉(zhuǎn)錄出具有莖環(huán)結(jié)構(gòu)的有些特殊的堿基序列，可轉(zhuǎn)錄出具有莖環(huán)結(jié)構(gòu)的RNA，來終止轉(zhuǎn)錄。來終止轉(zhuǎn)錄。5/3/5/3/3/5/轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA聚合酶聚合酶DNA3/5/3/5/DNA5/U-U-

10、U-U-U-U-U-U- 3/RNA聚合酶聚合酶二、真核生物的轉(zhuǎn)錄起始二、真核生物的轉(zhuǎn)錄起始(一一)轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始1. 轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄因子 (1)能直接、間接辨認(rèn)和結(jié)合轉(zhuǎn)錄上游區(qū)段能直接、間接辨認(rèn)和結(jié)合轉(zhuǎn)錄上游區(qū)段DNA的蛋白質(zhì)，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)數(shù)百種，統(tǒng)稱為的蛋白質(zhì)，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)數(shù)百種，統(tǒng)稱為反式作用因子反式作用因子(trans-acting factors)。 (2)反式作用因子中，直接或間接結(jié)合反式作用因子中，直接或間接結(jié)合RNA聚合聚合酶的，則稱為酶的，則稱為轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄因子(transcriptional factors, TF)。 真核生物的轉(zhuǎn)錄起始上游區(qū)有不同真核生物的轉(zhuǎn)錄起始上游區(qū)有不同D

11、NA序列序列的的順式作用元件順式作用元件，轉(zhuǎn)錄起始時(shí)，轉(zhuǎn)錄起始時(shí)，RNA-pol不直接不直接結(jié)合模板結(jié)合模板，由，由轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄因子識(shí)別起始部位。識(shí)別起始部位。參與參與RNA-pol轉(zhuǎn)錄的轉(zhuǎn)錄的TF 蛋白激酶活性，使蛋白激酶活性，使 CTD酸化酸化TFHATPase57 ( )34TFE解螺旋酶解螺旋酶30，74TFF促進(jìn)促進(jìn)RNA-pol結(jié)合及作結(jié)合及作為其他因子結(jié)合的橋梁為其他因子結(jié)合的橋梁33TFB穩(wěn)定穩(wěn)定TFD-DNA復(fù)合物復(fù)合物12，19，35TFA輔助輔助TBP-DNA結(jié)合結(jié)合TAF*結(jié)合結(jié)合TATA盒盒TBP* 38TFD功功能能亞基組成，分子量亞基組成，分子量(kD)轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)

12、錄因子蛋白激酶活性，使蛋白激酶活性，使 CTD *磷磷TFHATPase5734TFE解螺旋酶解螺旋酶30，74TFF促進(jìn)促進(jìn)RNA-pol結(jié)合及作結(jié)合及作為其他因子結(jié)合的橋梁為其他因子結(jié)合的橋梁33TFB穩(wěn)定穩(wěn)定TFD-DNA復(fù)合物復(fù)合物12，19，35TFA輔助輔助TBP-DNA結(jié)合結(jié)合TAF*結(jié)合結(jié)合TATA盒盒TBP* 38TFD功功能能亞基組成，分子量亞基組成，分子量(kD)( )*CTD(carboxyl terminal domain) : RNA-pol大亞基羧基末端結(jié)構(gòu)域。大亞基羧基末端結(jié)構(gòu)域。* TAF(TBP associated factors) :TBP輔助因子。在不

13、同的基因轉(zhuǎn)錄中輔助因子。在不同的基因轉(zhuǎn)錄中有不同的有不同的TAF輔助。輔助。* TBP(TATA binding protein) : TATA結(jié)合蛋白。結(jié)合蛋白。轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)TATA盒盒CAAT盒盒GC盒盒 增強(qiáng)子增強(qiáng)子順式作用元件順式作用元件(cis-acting element)2. 轉(zhuǎn)錄起始前的上游區(qū)段轉(zhuǎn)錄起始前的上游區(qū)段 AATAAA切離加尾切離加尾 轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn)轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn) 修飾點(diǎn)修飾點(diǎn) 外顯子外顯子 翻譯起始點(diǎn)翻譯起始點(diǎn)內(nèi)內(nèi)含含子子 3. 轉(zhuǎn)錄起始前復(fù)合物轉(zhuǎn)錄起始前復(fù)合物 (pre-initiation complex, PIC) POL-TFFABTFFHETBPTAFTF

14、D-A-B-DNA復(fù)合物復(fù)合物TATAABTBPTAFTATAHECTD-PPOL-(二二)轉(zhuǎn)錄延長轉(zhuǎn)錄延長真核生物轉(zhuǎn)錄延長過程與原核生物大致相真核生物轉(zhuǎn)錄延長過程與原核生物大致相似，但因有核膜相隔，沒有轉(zhuǎn)錄與翻譯同步的似，但因有核膜相隔，沒有轉(zhuǎn)錄與翻譯同步的現(xiàn)象。現(xiàn)象。 (三三)轉(zhuǎn)錄終止轉(zhuǎn)錄終止和轉(zhuǎn)錄后修飾密切相關(guān)。和轉(zhuǎn)錄后修飾密切相關(guān)。三、三、轉(zhuǎn)錄后的加工修飾轉(zhuǎn)錄后的加工修飾主要的修飾方式有主要的修飾方式有剪接剪接、剪切、修飾、添加剪切、修飾、添加。 剪切剪切(cleavage)剪接剪接(splicing)(一一) 真核生物真核生物mRNA的轉(zhuǎn)錄后加工的轉(zhuǎn)錄后加工1. 5 端形成端形成 帽

15、子結(jié)構(gòu)帽子結(jié)構(gòu)(m7GpppNm)。2. 3 端加上端加上多聚腺苷酸尾巴多聚腺苷酸尾巴(poly A tail)。7 7甲基鳥苷三磷酸甲基鳥苷三磷酸帽子結(jié)構(gòu)帽子結(jié)構(gòu)多聚多聚A尾結(jié)構(gòu)尾結(jié)構(gòu)OOCH2OOH+NHNNOH2NNCH3OOHH2CO-OPOOPO-OP鳥嘌呤鳥嘌呤OO-OPOOAAA-OH 3/3.mRNA的剪接的剪接真核生物結(jié)構(gòu)基因，由若干個(gè)編碼區(qū)和非編碼真核生物結(jié)構(gòu)基因，由若干個(gè)編碼區(qū)和非編碼區(qū)互相間隔開但又連續(xù)鑲嵌而成，稱為區(qū)互相間隔開但又連續(xù)鑲嵌而成，稱為斷裂基因斷裂基因。 (1) 斷裂基因斷裂基因(splite gene)編碼區(qū)編碼區(qū) A、B、D、F 非編碼區(qū)非編碼區(qū) C、

16、EA B C D E F(2)外顯子外顯子(exon)在斷裂基因及其初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物上出在斷裂基因及其初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物上出現(xiàn)，并表達(dá)為成熟現(xiàn)，并表達(dá)為成熟RNA的核酸序列。的核酸序列。(3)內(nèi)含子內(nèi)含子(intron)隔斷基因的線性表達(dá)而在剪接過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。程中被除去的核酸序列。 雞卵清蛋白基因雞卵清蛋白基因hnRNA首、尾修飾首、尾修飾hnRNA剪接剪接成熟的成熟的mRNA雞卵清蛋白基因及其轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后修飾雞卵清蛋白基因及其轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后修飾7.7kbL 1 2 3 4 5 6 7ABCDEFG47 185 51 129 118 143 156 1043轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄G

17、pppGAAAAAGpppGAAAAAGpppGAAAAA 內(nèi)切酶內(nèi)切酶tRNA核苷核苷酸轉(zhuǎn)移酶、酸轉(zhuǎn)移酶、連接酶連接酶ATPADPtRNA前體前體(二二) tRNA的轉(zhuǎn)錄后加工的轉(zhuǎn)錄后加工1. 轉(zhuǎn)錄后剪切轉(zhuǎn)錄后剪切tRNA2. 堿基修飾堿基修飾(2)還原反應(yīng)還原反應(yīng) 如：如：U DHU(3)核苷內(nèi)的轉(zhuǎn)位反應(yīng)核苷內(nèi)的轉(zhuǎn)位反應(yīng) 如：如：U (4)脫氨反應(yīng)脫氨反應(yīng) 如：如：A I 如：如：A Am(1)甲基化甲基化(1)(3)(2)(4)OHACCAGAGGGCCCCCCGCAAGCCGCUCUCGUAUCTCCGGGGGGGCAAGDDGGDDDAACAGUUAIAAGUUCCDmAACAmm(1)(三三) rRNA的轉(zhuǎn)錄后加工的轉(zhuǎn)錄后加工轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄45S - rRNA剪接剪接18S - rRNA5.8S和和28S-rRNADNA內(nèi)含子內(nèi)含子內(nèi)含子內(nèi)含子28S5.8S18S 逆轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄酶酶一、逆轉(zhuǎn)錄與逆轉(zhuǎn)錄酶一、逆轉(zhuǎn)錄與逆轉(zhuǎn)錄酶RNA 模板模板逆轉(zhuǎn)錄酶逆轉(zhuǎn)錄酶DNA-RNA 雜雜化雙鏈化雙鏈RNA酶酶c cDNA逆轉(zhuǎn)錄酶逆轉(zhuǎn)錄酶雙鏈雙鏈DNA(一一) 逆轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象逆轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象(Reverse Transcription)1.逆轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)于逆逆轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)于逆轉(zhuǎn)錄病毒。轉(zhuǎn)錄病毒。2.cDNA是指以是