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1、第十一章,RNA的生物合成（转录） RNA Biosynthesis （Transcription）,本节内容,第3节 转录后加工,第1节 转录模板和RNA聚合酶,第2节 转录过程,中心法则,蛋白质,RNA,DNA,DNA,DNA,生物体以DNA为模板合成RNA的过程 。,转录,RNA,DNA,编码链,模板链,转录(transcription)*,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,（二）合成方向都是5-3,（三）都形成3, 5-磷酸二酯键,（一）服从碱基配对规则,核酸基本组成单位核苷酸,C,G,A,H2O,H2O,二、复制与转录的不同点,复制,转录,酶,原料,模
2、板,DNA双链,DNA单链,dNTP,NTP,DNA聚合酶,RNA聚合酶,校读,有,无,复制,转录,引物,产物,配对,A=T,G,C,A=U,T=A,G,C,子代双 链DNA,mRNA,需要,不需要,tRNA,rRNA,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,模板链,编码链,结构基因,RNA,*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
3、RNA的一股单链；相对的另一股单链是编码链 *不对称转录,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 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。,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,由4个亚基组成的 五聚体 （2 ） 有无？,共1种，合成全部原核细胞中
4、的RNA,大肠杆菌RNA聚合酶组分,2 称为核心酶,2 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。,大肠杆菌的多种因子,主要功能,54,32,28,鞭毛基因,热休克基因,氮饥饿状态,正常状态，最常见启动子,70,名称,噬菌体合成 因子？,2. 真核生物的RNA聚合酶,共3种（RNA-Pol、） 分别合成rRNA、mRNA和tRNA,动画 RNA-Pol II,RNA聚合酶、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聚合酶是三种酶中最活跃的。,RNA
5、聚合酶,转录 产物,45SrRNA,hnRNA,tRNA,5SRNA,snRNA,5.8SrRNA,18SrRNA,28SrRNA,mRNA,加工,真核生物的RNA聚合酶,Clinical Correlation11.1,利福平 抑制原核生物的RNA聚合酶（ ），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(-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,模板链,结构基因,
6、启动子,转录起始点,核心酶,3,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,启动子,转录起始点,0,10,20,10,30,40,10区：TATAAT 为RNA-pol结合位点,35区：TTGACA 为RNA-pol辨认位点,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
7、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,（二）延长,（三）终止,（一）起始,一、原核生物RNA合成过程,（一）起始,-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 +5 +10 +15 +20 +25,启动子保守序列,开始转录,转录起始点,2. DNA双链局部解开,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-pppG -OH + NTP 5-ppp
8、GpN - OH 3 + ppi,转录起始过程,（二）延长,核心酶,rRNA、mRNA、tRNA,3,5,3,5,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,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,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
9、赖因子,2. 非依赖因子,核心酶,1. 依赖因子终止,1. 依赖 Rho因子的转录终止,富含C,RNA,+ATP,DNA,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。,原核细胞转录终止因子，同六聚体蛋白。（1） 具有结合RNA的能力：对polyC的结合力最强。（2） 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。,2. 非依赖因子终止,核心酶,RNA,发夹结构,
10、靠近终止处，RNA产物形成特殊的茎环/发夹结构来终止转录。,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。,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）。,转录过程动画 RNA synthesis.mov,（二）延长,（三）终止,（一）起始,二、真核生物RNA合成过程,真核生物DNA
11、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,增强子,OCT-1,GC,CAAT,TATA,顺式作用元件,反式作用因子 或转录因子,真核生物RNA聚合酶,OCT-1：ATTTGCAT八聚体,典型的RNA-pol 转录的基因,OCT-1：ATTTGCAT八聚体,1. 转录起始前的上游区段,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
12、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),A,B,由RNA-Pol 催化转录的PIC,H,E,TFF,首先，TFD的TBP亚基在另一亚基TAF辅助下， 由TFA和B促进及配合，结合在DNA分子的TATA上,最后TFH进入，PIC组装完成，TFH使CTD磷酸化。,TFB作为桥梁并提供表面，促进已与TFF结合的RNApol进入启动子的核心区TATA。 接着TFE进入，靠ATPase活性协同RNApol解开DNA双链局部。,2个亚基组成： 大亚基有解螺旋酶活性 小亚基与原核生
13、物因子同源 。,recruitment,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,3processing,5mGpppGAAUAAAPoly（A）,3
14、AATAAAGTGTGTG,5,PAUSE,3,5,Release,5AAUAAA,GUGUGUG,转录终止修饰点,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,真核生物,原核、真核生物转录过程区别 bio25 processing of
15、 gene information prokaryotes versus eukaryotes.swf,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,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,新生RNA链25nt时,帽子结构,（二）3加尾巴,5,3,AAAA AAA,PolyA尾巴长度为100200个核苷酸，与mRNA的寿命有关,转录终止及加尾修饰同时进行,3processing,5mGpppGAAUAAAPoly（A）,3AATAAAGTG
16、TGTG,5,PAUSE,3,5,Release,5AAUAAA,GUGUGUG,转录终止修饰点,（三）切除内含子，拼接外显子,hnRNA,mRNA,内含子,外显子,*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
17、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）,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,5GU AG3,内含子,mRNA的剪切动画 bio30 How spliceosomes process RNA.swf,Clinical Correlation11.3,5GU AG3,内含子,剪接体通过识别内含子两端GU和AG来确定剪切位置，当5GU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
18、切，无法形成正常的mRNA。,A,mRNA加工缺陷导致的人类疾病,+-地中海贫血症： 由于-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（GA），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-珠蛋白mRNA，病人合成的正常-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,有些基因RNA 能进行可变或选择性剪 接 (Alternative splicing)，即一种基因能产生多种mRNA。,黑腹果蝇dsx基因跳过一个外显子,肌钙蛋白通过拼接不同外显子，表达组织特异性蛋白,肝脏 apo B100 （分子量为500 000）,人类apo B基因,mR
19、NA（14500个核苷酸）,mRNA编辑,肠道细胞 apo B48 （分子量为240 000）,（四）mRNA编辑,一种mRNA通过加工，产生不止一种蛋白质。,apoB,肝,apoB100,UAA,CAA,apoB48,2153, 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-pol转录的基因及其初级产物,TGGCNNAGTGC,GGTTCGANNCC,RNaseP 及RNase D,
20、tRNA核苷酸转移酶 及连接酶 ATP,-CCA,内含子剪切,碱基修饰,三、rRNA转录后加工,RNA-pol I,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内含子的二级结构,四膜虫rRNA的剪接采用自我剪接方式,5-端核苷酸序列,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。,四膜虫35S rRNA 前体的拼接 可通过体外凝胶电泳进行分析,能做自我
21、剪接的RNA结构 标出的碱基都是必需的保守序列,槌头ribozyme 最简单的核酶,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tRNA5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。
22、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、
23、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 syndrom
24、e,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TFH的一部分或与TFH 相结合的蛋白，与转录延长过程有关。,CSA或CSB基因突变,蛋白产物缺陷,TFH功能缺陷,干扰RNA-pol转录延长,转录偶联的DNA修复过程,影响某些发育相关基因转录,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 2007: 1113,