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1、第十四章 RNA的生物合成转录,第一节 概述第二节 DNA指导下RNA的合成第三节 原核生物RNA转录后的加工第三节 真核生物RNA的转录过程第四节 催化活性RNA核酶及其功能,第一节 概述,1、概念及DNA的模板链和编码链,5、转录的特点,2、RNA聚合酶及催化特点,3、DNA模板上的启动子,4、终止子和终止因子,转录的概念和DNA的模板链和编码链,转录：是在DNA指导下的RNA聚合酶的催化下，按照碱基配对的原则，以四种核苷酸为原料合成一条与模板DNA互补的RNA的过程。RNA的转录从DNA模板的特定位点开始，该部位称为转录起始位点（start point），而终止于模板上的特殊顺序，称之为
2、终止子（terminator）或终止位点（termination site）。,启动子:能够被RNA聚合酶识别并与之结合，从而调控基因的转录与否及转录强度的一段大小为20200bp的DNA序列，称之为启动子（promoter）。,转录单位：DNA中指导转录一条RNA链的全部序列。从启动子到终止子之间的全部DNA序列称为转录单位。,启动子,终止子,结构基因,基因的本义是指负责编码一条多肽链的DNA片段。后来发现，有的基因只转录成RNA（如tRNA或rRNA）而不编码多肽链，所以，基因的确切定义应是：被转录成RNA的DNA片段。将负责编码蛋白质多肽链的DNA片段称为结构基因（structural
3、gene）。一个转录单位可以是单个基因单顺反子（monocistron），也可以是多个基因多顺反子（polycistron）。,真核细胞mRNA的编码序列只指导一条肽链的合成，称为单顺反子mRNA。,原核细胞mRNA的编码序列可指导几条肽链的合成，称为多顺反子mRNA。,209页（启动子）,210页（终止子）,结构基因,模板链:DNA链中被转录的一条链称模板链或负（-）链；非编码链。编码链:与模板链互补的DNA链称为非模板链或正（+）链。他与从基因上转录的RNA在碱基序列上是一致的，只是DNA中用T代替了U，故又称编码链。,模板链,编码链,为了叙述的方便，习惯上以编码链为准，将转录起始位点的5
4、-端称为上游（upstream），3-端称为下游（downstream）。将转录起始位点标记为+1，那么，上游以负数表示，如-10、-35等，下游则以正数表示，如+50、+100等。,RNA聚合酶（RNApolymerase）是在1960年分别由L.Hurwitz和S.weiss发现。（1）全酶 由多亚基组成，2称为全酶。识别转录起始点并参与解链。（2）2 称为核心酶，负责RNA链的延长。因子功能 识别并结合启动子。,RNA聚合酶,1.概念,大肠杆菌RNA聚合酶的结构示意图,核心酶(2),起始因子,和模板DNA结合与底物结合酶的连接、装配,全酶(),（1）模板：DNA（2）活化的底物有四种三磷
5、酸核苷酸ATP、GTP、UTP、CTP（3）二价的金属离子，主要是Mg+2、Mn+2,RNA聚合酶合成的方向53，即RNA聚合酶沿模板链 35方向移动。合成一条与被转录的DNA互补和反平行的RNA链。,2.RNA聚合酶的催化特点,RNA聚合酶与DNA聚合酶不同，它不要求引物，也没有核酸外切酶的活性，缺乏校对功能，故RNA合成错误率约为105，远低于DNA聚合酶的精确性（109-1010）。所以可以产生非遗传上的错误。,RNA聚合酶催化的反应,A,C,G,A,C,G,U,U,模板DNA,5,3,新合成RNA,1.概念,能够被RNA聚合酶识别并与之结合，从而调控基因的转录与否及转录强度的一段大小为
6、20200bp的DNA序列，称之为启动子（promoter）。,DNA模板上的启动子,目前已知的全部原核生物基因及绝大部分真核生物基因的启动子位于转录起始位点的上游序列中，只有真核生物RNA聚合酶III的启动子位于转录起始位点的下游序列中。,原核生物不同基因的启动子虽然在结构上存在一定的差异，但具有明显的共同特征：在基因的5端，直接与RNA聚合酶结合，控制转录的起始和方向；都含有RNA聚合酶的识别位点、结合位点和起始位点；都含有保守序列，而且这些序列的位置是固定的，如-35序列，-10序列等。,2.启动子特点,对于大多数启动子来说，在上游-35bp附近存在一段共有序列（consensus se
7、quence）：TTGACA，RNA聚合酶的亚基识别该序列并使核心酶与启动子结合，故又称-35序列，为RNA聚合酶的识别位点；-10序列又叫Pribnow盒（Pribnow box），其共有序列为TATAAT，是RNA聚合酶与之牢固结合并将DNA双链打开的部位，即结合位点，形成所谓的开放性启动子复合物。,大肠杆菌启动子共有序列的功能,起点,-10区：双螺旋打开形成开放启动复合物的区域。-35区：启动子不仅控制着转录起始的序列，并决定着某一基因的表达强度（-35区），启动子分为强启动子和弱启动子。DNA聚合酶和启动子亲和力高，转录效率高，具有强启动子的基因被频繁转录，而弱启动子的基因很少转录。,
8、1.依赖于因子的终止子2.不依赖于因子的终止子,E.coli 的转录终止有两种机制：,1.概念,终 止 子和终止因子,提供转录停止信号的DNA序列称为终止子。协助RNA聚合酶识别终止信号的辅助因子（蛋白质）则称为终止因子(termination factor)。,不依赖于因子的终止子的回文结构,A.不依赖于Rho（）的终止子,富含G-C,系列U,合成的RNA尾部的序列特征：二重对称的序列形成发卡结构；在发卡结构的茎基部富含G-C对；发卡结构可减缓或暂停合成；尾部有约6个连续的（模板链上是一串A）U；当RNA转录物生产后，发卡结构立即形成，迫使聚合酶停止作用。,1.以DNA为模板酶促合成RNA；
9、RNA聚合酶必须以双链DNA中的一条链（或单链DNA）为模板，按照A与U、G与C配对的原则，将4种核糖核苷酸（NTP）以3,5-磷酸二酯键的方式聚合起来。,转录的特点,2.DNA双链中只有一条链被转录成RNA；不对称转录：以DNA一股链为模板转录RNA的方式。在DNA链上编码链和模板链是相对的，在同一DNA分子上的某些部分基因以这条链作模板，而在另一区域别的基因中则以该DNA分子另一条链为模板 不对称性转录。3.转录的方向为 53。,第二节 DNA指导下RNA的合成,模板的识别转录起始转录延伸转录终止,在亚基的帮助下，RNA聚合酶识别并结合到启动子上，RNA聚合酶以全酶的形式辨认DNA启动子。
10、注意:核心酶不能识别启动子。亚基的主要作用:促进RNA聚合酶识别启动子顺序,还参与促使DNA双螺旋打开并以其中的一条链作为模板进行转录。,模板的识别,亚基识别-35序列并与核心酶一起结合在启动子上。RNA聚合酶与-10序列牢固结合并将DNA双链打开，形成开放性启动子复合物，RNA的转录开始。当形成新RNA的第一个磷酸二酯键后，亚基即由全酶中解离出来，由核心酶继续进行转录。,转录的起始,全酶的作用：选择起始部位并启动转录,核心酶的作用：延长RNA链,绝大多数新合成的RNA链的5-末端是pppA或pppG，说明转录的起始核苷酸是三磷酸腺苷或三磷酸鸟苷。,1.当第一个磷酸二酯键生成后，释出亚基。2.
11、核心酶即沿DNA模板移动，并按碱基互补配对原则，以与第一个磷酸二酯键生成的相同反应方式，依次连接上核苷酸，使RNA链延伸。3.RNA链的延长方向是53。核心酶沿DNA模板移动的方向则为35，因为模板链与新生成的RNA链是反平行的。,RNA链的延伸,4.RNA链的延伸是在转录鼓泡上进行的。在转录泡里，新合成的RNA与模板DNA形成杂交双链，长约12bp，核心酶始终与DNA的编码链结合，使双链DNA约有17bp被解开。在整个延伸过程中，转录泡的大小始终保持不变，即在核心酶向前移动时，前面的双股螺旋逐渐打开，转录过后的区域则又重新形成双螺旋，二者的速度相同，直至转录完成。,RNA链的延伸图解,起始,
12、终止,延长,（过程）,1.停止RNA链延长；2.新生RNA链释放；3.RNA聚合酶从DNA上释放。当RNA聚合酶沿DNA模板移动到基因3-端的终止子序列（即发夹结构）时，转录就停止了。,转录的终止,RNA合成过程,起始,双链DNA局部解开,磷酸二酯键形成,终止阶段,解链区到达基因终点,延长阶段,RNA,启动子（promoter),终止子(terminator),mRNA的加工rRNA的加工tRNA的加工,第三节 原核生物RNA转录后的加工,许多转录生成的RNA需经加工后才能成为有功能的RNA分子。,（一）mRNA的加工 原核生物转录生成的mRNA基本上不经加工即可进行蛋白质的生物合成。许多原核
13、生物的mRNA是在转录尚未完成之前就已开始翻译了。也就是说，转录与翻译是偶联在一起的。,rRNA前体合成后与蛋白质结合，形成新生核糖体颗粒，再经过一系列的加工过程，生成有功能的核糖体。在原核生物中，成熟rRNA包括三种，即16S，23S和5SrRNA。在大肠杆菌中，这三种rRNA的基因形成一个转录单位，其中还包含一个或多个tRNA基因，它们之间由间隔区分开。,（二）rRNA的加工,原核生物中rRNA前体的加工,甲基化作用专一核酸外切酶,30S前体,17S,tRNA,25S,专一核酸外切酶,16S rRNA,tRNA,23S rRNA,5S rRNA,专一核酸外切酶,tRNA的种类比rRNA多，
14、在原核生物中有30-40种，在真核生物中有50-60种。原核生物中的tRNA基因是与rRNA基因串联在一起排列的。有的在rRNA基因的间隔区中，有的在该转录单位的末端。,（三）tRNA的加工,tRNA前体分子的加工,a、切除tRNA前体两端多余的序列：5端切除几到10个核苷酸。,b、末端添加：3-端添加CCA序列。,c、修饰：形成稀有碱基如DH2。,RNAaseP,RNAaseF,RNAaseP,RNAaseF,RNAaseD,RNAaseD,ACC,表示核酸内切酶的作用,表示核苷酸转移酶的作用,表示核酸外切酶的作用,表示异构化酶的作用,早转录本,成熟tRNA,加工,酵母酪氨酸tRNA前体的加
15、工,1.初始转录物自身就有-CCA，它们位于成熟tRNA序列与3端附加序列之间，经转录后加工切除掉附加序列，-CCA便暴露出来；2.其自身并无-CCA序列，是在切除3端附加序列后，由tRNA核苷酰转移酶（nucleotidyltransferase）催化，并由CTP与ATP供给胞苷酰基与腺苷酰基聚合而成的。3.tRNA中含有大量修饰成分，还要通过各种不同的修饰酶进行修饰，才能成为成熟的tRNA分子。,关于tRNA3-末端-CCA的来源,真核生物RNA聚合酶的结构比较复杂，都是多亚基的，通常有6-10个亚基组成，亚基有4-6种。真核细胞中有3种RNA聚合酶 RNA聚合酶I：转录rRNA；RNA聚
16、合酶II：转录mRNA；RNA聚合酶III：转录tRNA。,第四节 真核生物RNA的转录过程,一、真核生物RNA聚合酶,二、真核启动子 了解,三、真核生物RNA的转录过程 了解,四、mRNA的结构特点,1977年发现大多数真核生物编码蛋白质的基因是不连续基因（断裂基因），即一个完整的基因被一个或多个插入的片段所间隔，这些插入不编码的序列称为内含子，被间隔的编码蛋白质的基因部分称为外显子。外显子被内含子隔列成若干片段，称为断裂基因或隔裂基因。即核不均RNA（hnRNA）。,hnRNA经转录后加工才能转变为成熟的mRNA，即加尾带帽。大多数真核成熟的mRNA分子特点：A.具有典型的5-端的7-甲基
17、鸟苷三磷酸（m7GTP）帽子结构。B.3-端的多聚腺苷酸(polyA)尾巴结构。,五.真核细胞mRNA的加工,5“帽子”,PolyA 3,顺反子(cistron),AAAAAAA-OH,5端接上一个“帽子”(CAP)结构 3端添加PolyA“尾巴”,由RNA末端核苷酸转移酶催化 剪接：剪去内含子(intron)，拼接外显子(extron),即在mRNA 5端上加一个甲基化的鸟嘌呤（m7G）核苷酸，同时在原始转录产物的第一、二个核苷酸残基的2羟基上也进行甲基化帽子的结构简式：m7GPPPx 为帽子0；m7GPPPx m为帽子1；m7GPPPx mYm为帽子2,帽式结构,X、Y代表任意碱基，所有的
18、帽子都含有m7G（7 甲基鸟苷），在帽子结构中，m7与mRNA链形成5，5 磷酸二酯键的反式连接，使mRNA的5 末端没有游离的磷酸基。戴帽意义：也许可防止5-端不被核酸酶降解，具有保护作用；还可协助核糖体与mRNA结合。,3末端有一段长度为30-200个多聚腺苷酸（多聚A或Poly A)阶段，常称“尾巴”，这是转录后添加上去的。意义：保护3末端不会被核酸酶降解，并有助于mRNA从细胞核向胞浆转移。,加 尾,真核生物mRNA 3-端的polyA结构,卵清蛋白基因转录与转录后加工修饰,切除内含子,在原生动物四膜虫（tetrahymena）中，26S rRNA分子是有一个6.4kb的前体经切除1个
19、414nt的内含子后形成的，1982年，Thomas Cech及其同事对此进行了研究。他们惊异的发现，一个仅含有纯化的6.4kb前体、ATP及GTP，而显然没有酶蛋白的对照样品中居然也发生了剪接作用。实验证实，此RNA发生了自我剪接（self-splicing），即在核苷酸存在的条件下，将414nt的内含子剪接掉了。这一卓越的实验不仅表明一个RNA分子能够具有高度特异的催化活性，并能自我剪接，而且直接导致了核酶（ribozyme）的发现。,第五节 催化活性RNA核酶及其功能,一、核酶的发现,核酶（ribozyme）：通指具有催化活性的RNA。1982年，第一次发现某些RNA转录产物具有自身剪接
20、能力，它不借助任何蛋白性酶可以切除自身的内含子。由于这些RNA具有催化活性，我们将它称之核酶。核酶的出现革新了催化剂的概念。核酶的存在也表明RNA出现可能是原始生命出现的基础，最后才进化到DNA和蛋白质。Cech等，1981发现核酶(Ribozyme)，获1989年诺贝尔奖。,核酶的发现使人们对于生命的起源有了新的认识。以前一般认为，由于DNA和蛋白质是生命的基础物质，因而生命的最初形式必定是DNA或者蛋白质。然而DNA的复制需要蛋白质（酶）的催化，而特定蛋白质分子的合成又必须以DNA为模板，因而二者究竟是哪一种首先出现，实在难以推断。核酶的发现使人们普遍认为：生命的最初形式大概是RNA，最初的生命界可能是个RNA王国。,二、核酶发现的生物学意义,1.在物质代谢中，丙酮酸是一个重要的中间产物（物质代谢交汇点），请写出以丙酮酸为底物的四个不同的酶反应与有关代谢途径的联系（亦可用文字形式表示）。2按下列已知DNA片断为模板，写出：（1）DNA复制时新的一条DNA链的序列（2）转录成的mRNA的序列（3）合成多肽氨基酸的序列 己知DNA模板链：5CATGTCCAAGCTTGCATAGCA 3 已知密码子：UUG（Leu）UCG(Ser)UAU(Tyr)UGC(Cys)CGA(Arg)AGC(Ser)AUG(Met)GCA(Ala)GAC(Asp),
