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文檔簡(jiǎn)介
RNA的生物合成(轉(zhuǎn)錄)RNABiosynthesis,Transcription本章內(nèi)容第一節(jié)轉(zhuǎn)錄的酶和模板第二節(jié)轉(zhuǎn)錄過(guò)程第三節(jié)真核生物的轉(zhuǎn)錄后修飾轉(zhuǎn)錄(transcription)生物體以DNA為模板合成RNA的過(guò)程。轉(zhuǎn)錄RNADNA
復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的區(qū)別參與轉(zhuǎn)錄的物質(zhì)原料:
NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)模板:單鏈DNA酶:
RNA聚合酶(RNApolymerase,RNA-pol)其他蛋白質(zhì)因子模板和酶TemplatesandEnzymes第一節(jié)一、轉(zhuǎn)錄模板
(一)不對(duì)稱轉(zhuǎn)錄(asymmetrictranscription)
1.結(jié)構(gòu)基因(structuralgene):DNA分子上轉(zhuǎn)錄出RNA的區(qū)段。2.模板鏈(templatestrand):DNA雙鏈中按堿基配對(duì)規(guī)律能指引轉(zhuǎn)錄生成RNA的一股單鏈,也稱作有意義鏈或Watson鏈。
編碼鏈(codingstrand):
DNA雙鏈中與模板鏈相對(duì)的單鏈,不進(jìn)行轉(zhuǎn)錄,也稱為反義鏈或Crick鏈。
5′···GCAGTACATGTC···3′3′···cgtgatgtacag···5′5′···GCAGUACAUGUC···3′N(xiāo)······Ala·Val·His·Val······C編碼鏈模板鏈mRNA蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄翻譯5335模板鏈編碼鏈編碼鏈模板鏈結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄方向轉(zhuǎn)錄方向不對(duì)稱轉(zhuǎn)錄含義
在DNA分子雙鏈上某一區(qū)段,一股鏈用作模板指引轉(zhuǎn)錄,另一股鏈不轉(zhuǎn)錄模板鏈并非永遠(yuǎn)在同一條單鏈上。二、RNA聚合酶(一)原核生物的RNA聚合酶RNA聚合酶:大腸桿菌的RNA聚合酶全酶由5種亞基α2ββ’σ組成,σ因子與其它部分的結(jié)合不是十分緊密,它易于與β’βα2分離,沒(méi)有σ、亞基的酶稱為核心酶——只催化鏈的延長(zhǎng),對(duì)起始無(wú)作用。五種亞基的功能分別為:
α亞基:與啟動(dòng)子結(jié)合功能。
β亞基:含催化部位,起催化作用,催化形成磷酸二酯鍵。
亞基:在全酶中存在,功能不清楚。
β’亞基:與DNA模板結(jié)合功能。
σ亞基:識(shí)別起始位點(diǎn)。
RNA聚合酶原核生物的RNA聚合酶RNA聚合酶的特點(diǎn):1、反應(yīng)底物:NTP,DNA為模板、Mg2+促進(jìn)聚合反應(yīng)。RNA聚合酶不需要引物,合成方向53。2、真核生物與原核生物的RNA聚合酶結(jié)構(gòu)不同。3、利福平抑制原核生物RNA聚合酶活性;α-鵝膏蕈堿
抑制真核生物RNA聚合酶活性。核心酶(coreenzyme)全酶(holoenzyme)RNA聚合酶全酶在轉(zhuǎn)錄起始區(qū)的結(jié)合(二)真核生物的RNA聚合酶
真核細(xì)胞的RNA聚合酶酶類(lèi)分布產(chǎn)物α-鵝膏蕈堿對(duì)酶的作用分子量反應(yīng)條件ⅡIⅢ核仁核質(zhì)核質(zhì)rRNA5.8SrRNA18SrRNA28SrRNAmRNAtRNA5SrRNA不抑制低濃度抑制高濃度抑制500000~700000~700000_低離子強(qiáng)度,要求Mg2+或Mn2+高離子強(qiáng)度高M(jìn)n2+濃度三、模板與酶的辨認(rèn)、結(jié)合原核生物一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位可視為一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位,稱為操縱子(operon),包括若干個(gè)結(jié)構(gòu)基因及其上游(upstream)的調(diào)控序列。
5335結(jié)構(gòu)基因調(diào)控序列RNA-pol與RNA聚合酶結(jié)合啟動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄的DNA序列,稱為啟動(dòng)子(promoter)。目錄開(kāi)始轉(zhuǎn)錄TTGACAAACTGT-35區(qū)(Pribnowbox)TATAATPuATATTAPy-10區(qū)1-30-5010-10-40-205335原核生物啟動(dòng)子保守序列RNA-pol辨認(rèn)位點(diǎn)(recognitionsite)55RNA聚合酶保護(hù)區(qū)結(jié)構(gòu)基因33TATA盒CAAT盒GC盒
增強(qiáng)子
順式作用元件結(jié)構(gòu)基因-GCGC---CAAT---TATA轉(zhuǎn)錄起始真核生物啟動(dòng)子保守序列轉(zhuǎn)錄過(guò)程TheProcessofTranscription第二節(jié)RNA的轉(zhuǎn)錄過(guò)程:(以大腸桿菌為例)
起始位點(diǎn)的識(shí)別
轉(zhuǎn)錄起始鏈的延伸轉(zhuǎn)錄終止RNA的轉(zhuǎn)錄過(guò)程(一)轉(zhuǎn)錄起始1.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。2.DNA雙鏈解開(kāi),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(guò)程轉(zhuǎn)錄起始需解決的問(wèn)題:2.DNA雙鏈解開(kāi)1.RNA聚合酶全酶(2)與模板結(jié)合3.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+
NTP5-pppGpN
-OH3+ppi轉(zhuǎn)錄起始過(guò)程(1)起始位點(diǎn)的識(shí)別
RNA的合成不需要引物。體外實(shí)驗(yàn)證明,不含σ亞基的核心酶會(huì)隨機(jī)地在一個(gè)基因的兩條鏈上啟動(dòng),當(dāng)有σ亞基時(shí)就會(huì)選擇正確的起點(diǎn)。σ亞基起著識(shí)別DNA分子上的起始信號(hào)(啟動(dòng)子——指RNA聚合酶識(shí)別、結(jié)合和開(kāi)始轉(zhuǎn)錄的一段DNA序列)的作用。啟動(dòng)子的結(jié)構(gòu)至少由三部分組成:-35序列提供了RNA聚合酶全酶識(shí)別的信號(hào);-10序列是酶的緊密結(jié)合位點(diǎn)(富含AT堿基,利于雙鏈打開(kāi));第三部分是RNA合成的起始點(diǎn)。AACTGTATATTATTGACATATAAT+1轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)5’3’3’5’35序列
Sextama框10序列Pribnow框(2)轉(zhuǎn)錄起始
RNA聚合酶全酶掃描解鏈區(qū),找到起始點(diǎn),然后結(jié)合第一個(gè)核苷三磷酸。加入的第一個(gè)核苷三磷酸常是GTP或ATP,很少是CTP,不用UTP。所形成的啟動(dòng)子、全酶和核苷三磷酸復(fù)合物稱為三元起始復(fù)合物,第一個(gè)核苷三磷酸一旦摻入到轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn),σ亞基就會(huì)被釋放脫離核心酶。因子僅與起始有關(guān),RNA的合成一旦開(kāi)始,便被釋放E-35-10pppG或pppA5‘5‘3‘3‘模板鏈(二)轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)1.亞基脫落,RNA–pol聚合酶核心酶變構(gòu),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(zhǎng)。(NMP)n+NTP(NMP)n+1
+PPi目錄53DNA原核生物轉(zhuǎn)錄過(guò)程中的羽毛狀現(xiàn)象核糖體RNARNA聚合酶依賴Rho(ρ)因子的轉(zhuǎn)錄終止非依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止(三)轉(zhuǎn)錄終止指RNA聚合酶在DNA模板上停頓下來(lái)不再前進(jìn),轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA鏈從轉(zhuǎn)錄復(fù)合物上脫落下來(lái)。分類(lèi)轉(zhuǎn)錄終止
在DNA分子上(基因末端)提供轉(zhuǎn)錄停止信號(hào)的DNA序列稱為終止子(terminators),它能使RNA聚合酶停止合成RNA并釋放出RNA。
需要ρ因子(終止因子,協(xié)助RNA聚合酶識(shí)別終止信號(hào))幫助,ρ因子能與RNA聚合酶結(jié)合但不是酶的組分,它的作用是阻止RNA聚合酶向前移動(dòng),于是轉(zhuǎn)錄終止,并釋放出已轉(zhuǎn)錄完成的RNA鏈。不依賴于ρ因子。強(qiáng)終止子序列有兩個(gè)明顯的特征:(1)在終止點(diǎn)之前具有一段富含G-C的回文區(qū)域。(2)富含G-C的區(qū)域之后是一連串的dA堿基序列,它們轉(zhuǎn)錄的RNA鏈的末端為一連串U(連續(xù)6個(gè))。弱終止子:缺少回文結(jié)構(gòu)強(qiáng)終止子:有回文結(jié)構(gòu)ATP1.依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止2.非依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止DNA模板上靠近終止區(qū),有些特殊的堿基序列,轉(zhuǎn)錄出RNA后,RNA產(chǎn)物形成特殊的結(jié)構(gòu)來(lái)終止轉(zhuǎn)錄。5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`
RNA5TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT...3DNAUUUU...…UUUU...…5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`莖環(huán)(stem-loop)/發(fā)夾(hairpin)結(jié)構(gòu)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。5′pppG5335RNA-pol新合成的RNA分子中典型的回文結(jié)構(gòu)(發(fā)夾結(jié)構(gòu))有些終止子的作用可被特異的因子所阻止,使酶得以越過(guò)終止子繼續(xù)轉(zhuǎn)錄,稱為通讀(readthrough)能夠引起抗終止作用的蛋白質(zhì)稱為抗終止因子(antiterminationfactors)二、真核生物的轉(zhuǎn)錄(一)轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始時(shí),RNA-pol不直接結(jié)合模板。轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)TATA盒CAAT盒GC盒增強(qiáng)子順式作用元件(cis-actingelement)1.轉(zhuǎn)錄起始前的上游區(qū)段AATAAA切離加尾轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn)修飾點(diǎn)外顯子翻譯起始點(diǎn)內(nèi)含子OCT-1OCT-1:ATTTGCAT八聚體順式作用元件(cis-actingelement)
:可影響自身基因表達(dá)活性的DNA序列。反式作用因子(trans-actingfactors):能直接或間接辨認(rèn)、結(jié)合順式作用元件并反式激活另一基因轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì),統(tǒng)稱為反式作用因子。
2.轉(zhuǎn)錄因子反式作用因子中,直接或間接結(jié)合RNA聚合酶的,則稱為轉(zhuǎn)錄因子(transcriptionalfactors,TF)。
鋅指(zincfinger)C——CysH——His常結(jié)合GC盒ZnCysHis參與RNA-polⅡ轉(zhuǎn)錄的TFⅡ
3.轉(zhuǎn)錄起始前復(fù)合物(pre-initiationcomplex,PIC)
真核生物RNA-pol不與DNA分子直接結(jié)合,而需依靠眾多的轉(zhuǎn)錄因子。POL-ⅡTFⅡFⅡAⅡB由RNA-PolⅡ催化轉(zhuǎn)錄的PICPol-ⅡTFⅡFⅡHⅡETBPTAFTFⅡD-ⅡA-ⅡB-DNA復(fù)合物TATAⅡAⅡBTBPTAFTATAⅡHⅡECTD-PPIC組裝完成,TFⅡH使CTD磷酸化4.拼板理論(piecingtheory)一個(gè)真核生物基因的轉(zhuǎn)錄需要3至5個(gè)轉(zhuǎn)錄因子。轉(zhuǎn)錄因子之間互相結(jié)合,生成有活性,有專(zhuān)一性的復(fù)合物,再與RNA聚合酶搭配而有針對(duì)性地結(jié)合、轉(zhuǎn)錄相應(yīng)的基因。(二)轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)真核生物轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)過(guò)程與原核生物大致相似,但因有核膜相隔,沒(méi)有轉(zhuǎn)錄與翻譯同步的現(xiàn)象。RNA-pol前移處處都遇上核小體。轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)過(guò)程中可以觀察到核小體移位和解聚現(xiàn)象。RNA-PolRNA-PolRNA-Pol核小體轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)中的核小體移位轉(zhuǎn)錄方向5------AAUAAA-5------AAUAAA--核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAAGTGTGTG轉(zhuǎn)錄終止的修飾點(diǎn)55333加尾AAAAAAA······3mRNA(三)轉(zhuǎn)錄終止——和轉(zhuǎn)錄后修飾密切相關(guān)真核生物的轉(zhuǎn)錄后修飾Post-transcriptionalModification第三節(jié)一、真核生物mRNA的轉(zhuǎn)錄后加工(一)首、尾的修飾
5端形成帽子結(jié)構(gòu)(m7GpppGp—)3端加上多聚腺苷酸尾巴(polyAtail)5pppG…5GpppG…pppGpi鳥(niǎo)苷酸轉(zhuǎn)移酶5
m7GpppG…甲基轉(zhuǎn)移酶SAM帽子結(jié)構(gòu)的生成5pG…磷酸酶PPi帽子結(jié)構(gòu)(二)mRNA的剪接1.
hnRNA和snRNA核內(nèi)的初級(jí)mRNA稱為雜化核RNA(hetero-nuclearRNA,hnRNA)snRNA(smallnuclearRNA)核內(nèi)的蛋白質(zhì)小分子核糖核蛋白體(snRNP)snRNA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(kāi)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。斷裂基因(splitegene)CABD編碼區(qū)A、B、C、D非編碼區(qū)2.外顯子(exon)和內(nèi)含子(intron)外顯子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RNA的核酸序列。內(nèi)含子隔斷基因的線性表達(dá)而在剪接過(guò)程中被除去的核酸序列。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)錄后修飾雞卵清蛋白成熟mRNA與DNA雜交電鏡圖DNAmRNA目錄3.內(nèi)含子的分類(lèi)根據(jù)基因類(lèi)型和剪接方式,內(nèi)含子分4類(lèi):I:線粒體、葉綠體及低等真核生物rRNA基因;II:線粒體、葉綠體mRNA基因;III:是常見(jiàn)的形成套索結(jié)構(gòu)后剪接,大多數(shù)mRNA基因有此類(lèi)內(nèi)含子;IV:tRNA基因,剪接過(guò)程需酶及ATP。4.mRNA的剪接——除去hnRNA中的內(nèi)含子,將外顯子連接。
snRNP與hnRNA結(jié)合成為剪接體①②③UACUACA-AGUGU4U5U6E1E2U1U2UACUACA-AGUGU6E1E2U1、U4、U5pG-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)UpAGpU外顯子1內(nèi)含子外顯子2G-OHUpUpGpA剪接過(guò)程的二次轉(zhuǎn)酯反應(yīng)
(twicetransesterification)
?RNA編輯作用說(shuō)明,基因的編碼序列經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)錄后加工,是可有多用途分化的,因此也稱為分化加工(differentialRNAprocessing)。5.mRNA的編輯(mRNAediting)人類(lèi)apoB基因mRNA(14500個(gè)核苷酸)肝臟apoB100(分子量為500000)腸道細(xì)胞apoB48(分子量為240000)mRNA編輯二、tRNA的轉(zhuǎn)錄后加工tRNA前體RNApolⅢTGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNARNAaseP、內(nèi)切酶tRNA核苷酸轉(zhuǎn)移酶、連接酶ATPADP堿基修飾(2)還原反應(yīng)如:UDHU(3)核苷內(nèi)的轉(zhuǎn)位反應(yīng)如:Uψ(4)脫氨反應(yīng)如:AI如:AAm(1)甲基化(1)(1)(3)(2)(4)三、rRNA的轉(zhuǎn)錄后加工轉(zhuǎn)錄45S-rRNA剪接18S-
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