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1、第 十 一 章,RNA的生物合成 (转录) RNA Biosynthesis, Transcription,转录 (transcription) 生物体以DNA为模板合成RNA的过程 。,转录,参与转录的物质,原料: NTP (ATP, UTP, GTP, CTP) 模板: DNA 酶: RNA聚合酶(RNA polymerase, RNA-pol) 无机离子:Mg2+ ,Mn2+ 子链合成方向:53 碱基配对方式:A-U T-A G-C,模板和酶 Templates and Enzymes,第一节,一、转录模板,DNA分子上转录出RNA的区段,称为结构基因(structural gene)。
2、 DNA双链中按碱基配对规律能指引转录生成RNA的一股单链,称为模板链(template strand),也称作有意义链或Watson链。相对的另一股单链是编码链(coding strand),也称为反义链或Crick链。,5GCAGTACATGTC 3,3 c g t g a t g t a c a g 5,5GCAGUACAUGUC 3,NAla Val His Val C,编码链,模板链,mRNA,蛋白质,转录,翻译,5 3,3 5,模板链,编码链,编码链,模板链,结构基因,不对称转录(asymmetric transcription),在DNA分子双链上某一区段,一股链用作模板指引转录
3、,另一股链不转录 ; 模板链并非永远在同一条单链上。,二、RNA聚合酶,(一)原核生物的RNA聚合酶,核心酶 (core enzyme),全酶 (holoenzyme),三、模板上酶的辨认、结合,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(upstream)的调控序列。,RNA聚合酶结合模板DNA的部位,称为启动子(promoter)。,RNA聚合酶保护法,目 录,开始转录,T T G A C A A A C T G T,-35 区,(Pribnow box),T A T A A T Pu A T A T T A Py,-10 区,原核生物启
4、动子保守序列,RNA-pol辨认位点 (recognition site),RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合,原核生物的转录过程 The Process of Transcription of prokaryote,第二节,(一)转录起始,转录起始需解决两个问题: RNA聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域。 DNA双链解开,使其中的一条链作为转录的模板。,一、原核生物的转录过程,2. DNA双链解开,1. RNA聚合酶全酶(2)与模板结合,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,RNApol (2) - DNA - pppGpN- OH 3,转录起始复合物:,
5、5-pppG -OH + NTP 5-pppGpN - OH 3 + ppi,转录起始过程,开始转录,T T G A C A A A C T G T,-35 区,(Pribnow box),T A T A A T Pu A T A T T A Py,-10 区,原核生物启动子保守序列,RNA-pol辨认位点 (recognition site),(二)转录延长,1. 亚基脱落,RNApol聚合酶核心酶变构,与模板结合松弛,沿着DNA模板前移;,2. 在核心酶作用下,NTP不断聚合,RNA链不断延长。,(NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPi,转录空泡(transcriptio
6、n bubble):,RNA-pol (核心酶) DNA RNA,目 录,DNA分子和酶分子发生构象的变化,核心酶与DNA结合比较松弛,可沿DNA模板移动,并按模板顺序选择下一个核苷酸,将核苷三磷酸加到生长的RNA链的3-OH端,催化形成磷酸二酯键。转录延伸方向从5 3,5,3,DNA,原核生物转录过程中的羽毛状现象,核糖体,RNA,RNA聚合酶,依赖Rho ()因子的转录终止 非依赖Rho因子的转录终止,(三)转录终止,指RNA聚合酶在DNA模板上停顿下来不再前进,转录产物RNA链从转录复合物上脱落下来。,分类,A T P,1. 依赖 Rho因子的转录终止,2. 非依赖 Rho因子的转录终止
7、,DNA模板上靠近终止处,有些特殊的碱基序列,转录出RNA后,RNA产物形成特殊的结构来终止转录。,5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3,5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3,RNA,5TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT. 3,DNA,5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU.
8、3,茎环(stem-loop)/发夹(hairpin)结构,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。,非依赖因子(终止因子,terminators)的转录终止 ( 1 )在终止点之前具有一段富含G-C的回文区域。(2)富含G-C的区域之后是一连串的dA碱基序列,它们转录的RNA链的末端为一连串U(连续6个)。,真核生物的转录过程 The Process of Transcription of eukaryote,第三节,一、真核生物的RNA聚合酶,二、真核生物的转录起始,(一)转录起始,真核生物的转录起始上游区段比原核生物多样化,转录起始
9、时,RNA-pol不直接结合模板,其起始过程比原核生物复杂。,结构基因,-GCGC-CAAT-TATA,真核生物启动子保守序列,转录起始点,TATA盒,CAAT盒,GC盒,增强子,顺式作用元件(cis-acting element),1. 转录起始前的上游区段,AATAAA,切离加尾,转录终止点,修饰点,外显子,翻译起始点,内含子,OCT-1,OCT-1:ATTTGCAT八聚体,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(trans-acting 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(tran
10、scriptional factors, TF)。,参与RNA-pol转录的TF,3. 转录起始前复合物 (pre-initiation complex, PIC),真核生物RNA-pol不与DNA分子直接结合,而需依靠众多的转录因子。,TFF,A,B,由RNA-Pol 催化转录的PIC,H,E,TBP,TAF,TFD-A-B-DNA复合物,TATA,A,B,TBP,TAF,TATA,H,E,PIC组装完成,TFH使CTD磷酸化,4. 模板理论(piecing theory),一个真核生物基因的转录需要3至5个转录因子。转录因子之间互相结合,生成有活性,有专一性的复合物,再与RNA聚合酶搭配而
11、有针对性地结合、转录相应的基因。,(二)转录延长,真核生物转录延长过程与原核生物大致相似,但因有核膜相隔,没有转录与翻译同步的现象。,RNA-pol前移处处都遇上核小体。,转录延长过程中可以观察到核小体移位和解聚现象。,RNA-Pol,RNA-Pol,RNA-Pol,核小体,转录延长中的核小体移位,转录方向,5-AAUAAA-,5 -AAUAAA-,核酸酶,-GUGUGUG,RNA-pol,AATAAA GTGTGTG,转录终止的修饰点,5,5,3,3,3加尾,AAAAAAA 3 mRNA,(三)转录终止, 和转录后修饰密切相关。,真核生物的转录后修饰 Post-transcriptional
12、 Modification,第四节,转录产物的“加工”(成熟过程),在细胞内,由RNA聚合酶合成的原初转录物(primary transcript)往往需要一系列的变化,包括链的裂解、5和3末端的切除和特殊结构的形成、核苷的修饰、以及拼接和编辑等过程,才转变为成熟的RNA分子。此过程总称为RNA的成熟或称为RNA的转录后加工。 原核生物的mRNA转录后一般不需要加工,转录的同时即进行翻译。,真核mRNA前体的加工 tRNA前体的加工 rRNA前体的转录后加工,几种主要的修饰方式,1. 剪接(splicing),2. 剪切(cleavage),3. 修饰(modification),4. 添加(
13、addition),一、真核生物mRNA的转录后加工,(一)前体mRNA在5端加入 帽结构,5端形成 帽子结构(m7GpppGp ) 3端加上多聚腺苷酸尾巴(poly A tail),帽子结构,5 pppGp,帽子结构的生成,(二)前体mRNA在3端特异位点断裂并加上多聚腺苷酸尾,前体mRNA的断裂点也是聚腺苷酸化的起始点,断裂点的上游10-30nt有AAUAAA信号序列,断裂点的下游20-40nt有富含G和U的序列。,(三)mRNA的剪接,1. hnRNA 和 断裂基因,核内的初级mRNA称为杂化核RNA (hetero-nuclear RNA, hnRNA)为剪接的对象,真核生物结构基因,
14、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。,断裂基因(splite gene),编码区 A、B、C、D,2. 外显子(exon)和内含子(intron),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。,鸡卵清蛋白基因,hnRNA,首、尾修饰,hnRNA剪接,成熟的mRNA,鸡卵清蛋白基因及其转录、转录后修饰,目 录,鸡卵清蛋白成熟mRNA与DNA杂交电镜图,DNA,mRNA,目 录,剪接的场所: snRNP (smal
15、l nuclear ribonucleoprotein),snRNA (small nuclear RNA) snRNA有5种:U1、U2、U4、U5、U6,长度范围在100-300个核苷酸,分子中的碱基以尿嘧啶含量最丰富,因而以U作分类命名。,3. mRNA的剪接, 除去hnRNA中的内含子,将外显子连接。,snRNP与hnRNA结合,目 录,pG-OH (ppG-OH, pppG-OH),剪接过程的二次转酯反应 (twice transesterification),4、真核生物前体mRNA分子经剪切和剪接两种模式可加工成不同的mRNA,剪切:就是剪去某些内含子,然后在上游的外显子3端直接
16、进行多聚腺苷酸化,不进行相邻外显子之间的连接反应。 剪接:是指剪切后又将相邻的外显子片段连接起来,然后进行多聚腺苷酸化。,(四)mRNA编辑,概念:是在RNA分子上出现的一种修饰现象,mRNA在转录后因插入、缺失或核苷酸的替换改变了DNA模板来源的遗传信息,从而转录出氨基酸序列不同的多种蛋白质。编辑的结果不仅扩大了遗传信息,也可能是生物适应中的一种保护措施。, 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)。,mRNA的编辑(mRNA editing),二、rRNA的转录后加工,三、tRNA前体
17、的加工 1、剪切( 5末端和3末端多余的核苷酸) 2、切除内含子,连接外显子 3、3末端加上CCAOH 碱基的修饰:甲基化、脱氨和还原、核苷内转位作用,tRNA的转录后加工,tRNA前体,目 录,目 录,tRNA核苷酸转移酶、连接酶,ATP,ADP,目 录,碱基修饰,目 录,四、核 酶,具有酶促活性的RNA称为核酶。,核酶(ribozyme),最简单的核酶二级结构槌头状结构 (hammerhead structure),底物部分,通常为60个核苷酸左右 同一分子上包括有催化部份和底物部份 催化部份和底物部份组成锤头结构,除rRNA外,tRNA、mRNA的加工也可采用自我剪接方式。,核酶研究的意义,核酶的发现,对中心法则作了重要补充; 核酶的发现是对传统酶学的挑战; 利用核酶的结构设计合成人工核酶 。,人工设计的核酶,粗线表示合成的核酸分子 细线表示天然的核酸分子 X 表示一致性序列 箭头表示切断点,目 录,复制和转录的共同点,1.都是酶促的核苷酸酸聚合过程 2.都以DNA为模板 3.都需依赖DNA的聚合酶 4.聚合过程都是核苷酸之间生成磷酸二酯键 5.都从53方向延伸聚核苷酸链 6.都遵从碱基配对规律,复制和转录的区别,复习题,名词解释:不对称转录 模板链、编码链、核酶、外显子、内含子 问答题: 1、比较复制和转录的异同点 2、真核生物3种RNA前体转录后的加工方式有哪些?,
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