RNA的生物合成12制药.pptx

目录目录转录转录 (transcription)是是生物体以生物体以DNA为为模板合成模板合成RNA的过程的过程 。转转录录RNADNA 复制和转录的区别复制和转录的区别目录目录n参与转录的物质：参与转录的物质：原料原料:NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)模板模板:DNA酶酶 :RNA聚合酶聚合酶(RNA polymerase,RNA-pol)其他蛋白质因子其他蛋白质因子目录目录原核生物转录的模板和酶原核生物转录的模板和酶Templates&Enzymes in Prokaryotic Transcription第一节第一节目录目录一、原核生物转录的模板一、原核生物转录的模板DNA分分子子上上转转录录出出RNA的的区区段段，称称为为结结构构基基因因(structural gene)。转转录录的的这这种种选选择择性性称称为为不不对对称称转转录录(asymmetric transcription)，它它有有两两方方面面含含义义：在在DNA分分子子双双链链上上，一一股股链链用用作作模模板板指指引引转转录录，另另一一股股链链不不转录；其二是模板链并非总是在同一单链上。转录；其二是模板链并非总是在同一单链上。目录目录5GCAGTACATGTC 33 c g t g a t g t a c a g 55GCAGUACAUGUC 3NAla Val His Val C编码链编码链模板链模板链mRNA蛋白质蛋白质转录转录翻译翻译DNA双双链链中中按按碱碱基基配配对对规规律律能能指指引引转转录录生生成成RNA的的一一股股单单链链，称称为为模模板板链链(template strand)，也也称称作作有有意意义义链链或或Watson链链。相相对对的的另另一一股股单单链链是是编编码链码链(coding strand)，也称为，也称为反义链反义链或或Crick链链。目录目录5 5 3 3 3 3 5 5 模板链模板链编码链编码链编码链编码链模板链模板链结构基因结构基因转录方向转录方向转录方向转录方向n不对称转录不对称转录目录目录二、二、RNA合成由合成由RNA聚合酶催化聚合酶催化（一）（一）RNA聚合酶能直接启动聚合酶能直接启动RNA链的合成链的合成DNA依赖的依赖的RNA聚合酶催化合成聚合酶催化合成RNA；RNA合成的化学机制与合成的化学机制与DNA依赖的依赖的DNA聚合酶聚合酶催化催化DNA合成相似。合成相似。(NMP)n+NTP (NMP)n+1+PPiRNA延长的延长的RNA目录目录DNA聚聚合合酶酶在在启启动动DNA链链延延长长时时需需要要引引物物存存在在，而而RNA聚聚合合酶酶不不需需要要引引物物就就能能直直接接启启动动RNA链的延长。链的延长。RNA聚聚合合酶酶和和DNA的的特特殊殊序序列列启启动动子子(promoter)结合后，就能启动结合后，就能启动RNA合成。合成。目录目录（二）（二）RNA聚合酶由多个亚基组成聚合酶由多个亚基组成目录目录核心酶核心酶(core enzyme)全酶全酶(holoenzyme)转录起始阶段转录起始阶段转录延长阶段转录延长阶段 目录目录三、三、RNA聚合酶结合到聚合酶结合到DNA的启动子的启动子上起动转录上起动转录转录是不连续、分区段进行的。转录是不连续、分区段进行的。每每一一转转录录区区段段可可视视为为一一个个转转录录单单位位，称称为为操操纵纵子子(operon)。操操纵纵子子包包括括若若干干个个结结构构基基因因及及其其上上游游(upstream)的调控序列。的调控序列。5 3 3 5 结构基因结构基因调控序列调控序列RNA-pol目录目录调调控控序序列列中中的的启启动动子子是是RNA聚聚合合酶酶结结合合模模板板DNA的的部部位位，也也是是控控制制转转录录的的关关键键部部位位。原原核核生生物物以以RNA聚聚合合酶酶全全酶酶结结合合到到DNA的的启启动动子子上上而而起起动动转转录，其中由录，其中由亚基辨认启动子，其他亚基相互配合。亚基辨认启动子，其他亚基相互配合。对对启启动动子子的的研研究究，常常采采用用一一种种巧巧妙妙的的方方法法即即RNA聚合酶保护法聚合酶保护法。目录目录开始转录开始转录T T G A C AA A C T G T-35 区区(Pribnow box)T A T A A T Pu A T A T T A Py-10 区区1-30-5010-10-40-205 3 3 5 RNA-pol辨认位点辨认位点(recognition site)5 5 RNA聚合酶保护区聚合酶保护区结构基因结构基因3 3 n用用RNA聚合酶保护法研究转录起始区聚合酶保护法研究转录起始区目录目录nRNA聚合酶全酶在转录起始区的结合聚合酶全酶在转录起始区的结合:目录目录目录目录原核生物的转录过程原核生物的转录过程The Process of Transcription in Prokaryote第二节第二节目录目录RNA聚合酶必须准确地结合在转录模板的聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域。起始区域。DNA双链解开，使其中的一条链作为转录双链解开，使其中的一条链作为转录的模板。的模板。一、转录起始需要一、转录起始需要RNA聚合酶全酶聚合酶全酶n转录起始需解决两个问题：转录起始需解决两个问题：目录目录nE.coli的转录起始和延长的转录起始和延长 2.DNA双双链链局局部部解解开开，形形成成开开放放转转录录复复合合体体(open transcription complex)；1.RNA聚聚合合酶酶全全酶酶(2)与与模模板板结结合合，形形成成 闭闭 合合 转转 录录 复复 合合 体体(closed transcription complex)；3.在在RNA聚聚合合酶酶作作用用下下发发生生第第一一次次聚聚合合反反应应，形形成转录起始复合物：成转录起始复合物：RNApol(2)-DNA-pppGpN-OH 3 转录起始复合物转录起始复合物:5-pppG-OH +NTP 5-pppGpN-OH 3 +ppin转录起始过程：转录起始过程：目录目录第第一一个个磷磷酸酸二二酯酯键键生生成成后后，亚亚基基即即从从转转录录起起始始复复合合物物上上脱脱落落，核核心心酶酶连连同同四四磷磷酸酸二二核核苷苷酸酸，继继续续结结合合于于DNA模模板板上上，酶酶沿沿DNA链链前前移移，进入延长阶段。进入延长阶段。目录目录二、二、原核生物的转录延长时蛋白质原核生物的转录延长时蛋白质的翻译也同时进行的翻译也同时进行1.亚基脱落，亚基脱落，RNApol聚合酶核心酶变构，聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，沿着与模板结合松弛，沿着DNA模板前移；模板前移；2.在在核心酶核心酶作用下，作用下，NTP不断聚合，不断聚合，RNA链链不断延长。不断延长。(NMP)n +NTP (NMP)n+1+PPi转录空泡转录空泡(transcription bubble)：RNA-pol（核心酶）（核心酶）DNA RNA5 3 DNAn原核生物转录过程中的羽毛状现象原核生物转录过程中的羽毛状现象核糖体核糖体RNARNA聚合酶聚合酶在同一在同一DNA模板上，有多个转录同时在进行；模板上，有多个转录同时在进行；转录尚未完成，翻译已在进行。转录尚未完成，翻译已在进行。这种形状说明：这种形状说明：目录目录依赖依赖Rho 因子的转录终止因子的转录终止非依赖非依赖Rho因子的转录终止因子的转录终止三、原核生物转录终止分为依赖三、原核生物转录终止分为依赖(Rho)因因子与非依赖子与非依赖因子两大类因子两大类转转转转录录录录终终终终止止止止指指指指RNARNA聚聚聚聚合合合合酶酶酶酶在在在在DNADNA模模模模板板板板上上上上停停停停顿顿顿顿下下下下来来来来不不不不再再再再前前前前进进进进，转转转转录录录录产产产产物物物物RNARNA链链链链从从从从转转转转录录录录复复复复合物上脱落下来。合物上脱落下来。合物上脱落下来。合物上脱落下来。n依依据据是是否否需需要要蛋蛋白白质质因因子子的的参参与与，原原核核生生物物转录终止分为：转录终止分为：目录目录因因子子是是由由相相同同亚亚基基组组成成的的六六聚聚体体蛋蛋白白质质，亚基分子量亚基分子量46kD。因因子子能能结结合合RNA，又又以以对对poly C的的结结合合力力最强。最强。因因子子还还有有ATP酶酶活活性性和和解解螺螺旋旋酶酶(helicase)的活性。的活性。（一）依赖（一）依赖因子的转录终止因子的转录终止n因子：因子：目录目录n因子的作用原理：因子的作用原理：目录目录目录目录（二）（二）非依赖非依赖 Rho因子的转录终止因子的转录终止DNA模板上靠近终止处，有些特殊的碱模板上靠近终止处，有些特殊的碱基序列，转录出基序列，转录出RNA后，后，RNA产物形成特殊产物形成特殊的结构来终止转录。的结构来终止转录。5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU.3 5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU.3 RNA 5 TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT.3 DNA UUUU.UUUU.5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU.3近终止区的转录产物形成发夹近终止区的转录产物形成发夹(hairpin)结构结构是非依赖是非依赖因子终止的普遍现象。因子终止的普遍现象。n茎环结构使转录终止的机理：茎环结构使转录终止的机理：使使RNA聚合酶变构，转录停顿；聚合酶变构，转录停顿；使转录复合物趋于解离，使转录复合物趋于解离，RNA产物释放。产物释放。5pppG5 3 3 5 RNA-pol目录目录目录目录真核生物的转录过程真核生物的转录过程The Process of Transcription in Eukaryote第三节第三节目录目录真真核核生生物物的的转转录录过过程程比比原原核核复复杂杂。二二者者的的转转录录起始过程有较大区别，转录终止也不相同。起始过程有较大区别，转录终止也不相同。目录目录一、一、真核生物有三种真核生物有三种DNA依赖性依赖性RNA聚合酶聚合酶n真核生物具有真核生物具有3种不同的种不同的RNA聚合酶聚合酶:RNA聚合酶聚合酶（RNA Pol）RNA聚合酶聚合酶（RNA Pol）RNA聚合酶聚合酶（RNA Pol）目录目录真核生物的真核生物的RNARNA聚合酶聚合酶目录目录真真核核生生物物RNA聚聚合合酶酶的的结结构构比比原原核核生生物物复复杂杂，所所有有真真核核生生物物的的RNA聚聚合合酶酶都都有有两两个个不不同同的的大大亚亚基基和十几个小亚基和十几个小亚基.RNA聚聚合合酶酶由由12个个亚亚基基组组成成，其其最最大大的的亚亚基基称称为为RBP1。RNA聚聚合合酶酶最最大大亚亚基基的的羧羧基基末末端端有有一一段段共共有有序序列列(consensus sequence)为为 Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Ser的的重重复复序序列列片片段段，称称为为羧羧基基末末端端结结构构域域(carboxyl-terminal domain,CTD)。CTD对对于于维维持细胞的活性是必需的。持细胞的活性是必需的。目录目录二、转录起始需要启动子二、转录起始需要启动子、RNA聚合酶聚合酶和转录因子的参与和转录因子的参与（一）转录起始前的上游区段具有启动子核心（一）转录起始前的上游区段具有启动子核心序列序列 不不同同物物种种、不不同同细细胞胞或或不不同同的的基基因因，转转录录起起始始点点上上游游可可以以有有不不同同的的DNA序序列列，但但这这些些序序列列都都可统称为可统称为顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element)。目录目录n一个典型的真核生物基因上游序列一个典型的真核生物基因上游序列:53调控序列调控序列TATA盒盒InrYYAN YYTA-30+1TATAAA目录目录顺顺式式作作用用元元件件包包括括启启动动子子、启启动动子子上上游游元元件件(upstream promoter elements)或或 promoter-proximal elements)等等近近端端调调控控元元件件和和增增强强子子(enhancer)等远隔序列。等远隔序列。起起始始点点上上游游多多数数有有共共同同的的TATA序序列列，称称为为Hognest盒盒或或TATA盒盒(TATA box)。通通常常认认为为这这就是就是启动子的核心序列启动子的核心序列。目录目录许许多多RNA聚聚合合酶酶II识识别别的的启启动动子子具具有有保保守守的的共共有有序序列列：位位于于转转录录起起始始点点附附近近的的起起始始子子(intiator，Inr)。启启动动子子上上游游元元件件是是位位于于TATA盒盒上上游游的的DNA序序列列，多多在在转转录录起起始始点点约约-40-100nt的的位位置置，比比较较常常见见的是的是GC盒和盒和CAAT盒。盒。增增强强子子是是能能够够结结合合特特异异基基因因调调节节蛋蛋白白，促促进进邻邻近近或远隔特定基因表达的或远隔特定基因表达的DNA序列。序列。目录目录转录起始点转录起始点TATA盒盒CAAT盒盒GC盒盒增强子增强子n顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element)AATAAA切离加尾切离加尾转录终止点转录终止点修饰点修饰点外显子外显子翻译起始点翻译起始点内内含含子子 OCT-1 OCT-1：ATTTGCAT八聚体八聚体目录目录（二）（二）转录因子转录因子能能直直接接、间间接接辨辨认认和和结结合合转转录录上上游游区区段段DNA的的蛋蛋白白质质，现现已已发发现现数数百百种种，统统称称为为反反式式作作用用因因子子(trans-acting factors)。反反式式作作用用因因子子中中，直直接接或或间间接接结结合合RNA聚聚合合酶酶的的，则则称称为为转转录录因因子子(transcriptional factors,TF)。参与参与RNA-pol转录的转录的TF目录目录（三）（三）转录起始前复合物转录起始前复合物真核生物真核生物RNA-pol不与不与DNA分子直接结合，分子直接结合，而需依靠众多的转录因子，形成而需依靠众多的转录因子，形成转录起始复合物转录起始复合物(pre-initiation complex,PIC)。目录目录nPIC的形成的形成目录目录目录目录三三、真核生物转录延长过程中没有、真核生物转录延长过程中没有转录与翻译同步的现象转录与翻译同步的现象真真核核生生物物转转录录延延长长过过程程与与原原核核生生物物大大致致相相似似，但因有核膜相隔，没有转录与翻译同步的现象。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。前移处处都遇上核小体。转转录录延延长长过过程程中中可可以以观观察察到到核核小小体体移移位位和和解解聚聚现象。现象。RNA-PolRNA-PolRNA-Pol核小体核小体转转录录延延长长中中的的核核小小体体移移位位转录方向转录方向目录目录四、真核生物的转录终止和加尾修饰四、真核生物的转录终止和加尾修饰同时进行同时进行真真核核生生物物的的转转录录终终止止，是是和和转转录录后后修修饰饰密密切切相相关的。关的。真真核核生生物物mRNA有有聚聚腺腺苷苷酸酸(poly A)尾尾巴巴结结构构，是转录后才加进去的。是转录后才加进去的。转转录录不不是是在在poly A的的位位置置上上终终止止，而而是是超超出出数数百百个个乃乃至至上上千千个个核核苷苷酸酸后后才才停停顿顿。已已发发现现，在在读读码码框框架架的的下下游游，常常有有一一组组共共同同序序列列AATAAA，再再下下游游还还有有相相当当多多的的GT序序列列。这这些些序序列列称称为为转录终止的修饰点转录终止的修饰点。目录目录n真核生物的转录终止及加尾修饰真核生物的转录终止及加尾修饰目录目录真核生物真核生物RNA的加工的加工Post-transcriptional Modification of Eukaryotic RNA第四节第四节目录目录真真核核生生物物转转录录生生成成的的RNA分分子子是是初初级级RNA转转录录物物(primary RNA transcript)，几几乎乎所所有有的的初初级级RNA转转录录物物都都要要经经过过加加工工，才才能能成成为为具具有有功功能的成熟的能的成熟的RNA。加工主要在细胞核中进行。加工主要在细胞核中进行。目录目录一、真核生物一、真核生物mRNA的加工包括的加工包括首、尾修饰和剪接首、尾修饰和剪接（一）前体（一）前体mRNA在在5-末端加入末端加入“帽帽”结构结构大大多多数数真真核核mRNA的的5-末末端端有有7-甲甲基基鸟鸟嘌嘌呤呤的的帽结构。帽结构。这这个个真真核核mRNA加加工工过过程程的的起起始始步步骤骤由由两两种种酶酶，加加 帽帽 酶酶(capping enzyme)和和 甲甲 基基 转转 移移 酶酶(methyltransferase)催化完成。催化完成。目录目录（二）前体（二）前体mRNA在在3端特异位点断裂并加上端特异位点断裂并加上多聚腺苷酸尾多聚腺苷酸尾 1.hnRNA 和和 snRNA 核内的初级核内的初级mRNA称为称为杂化核杂化核RNA(hetero-nuclear RNA,hnRNA)snRNA(small nuclear RNA)核内的蛋白质核内的蛋白质小分子核糖核酸蛋白体小分子核糖核酸蛋白体（并接体（并接体,splicesome）snRNA目录目录尾部修饰是和转录终止同时进行的过程。尾部修饰是和转录终止同时进行的过程。poly A的的有有无无与与长长短短，是是维维持持mRNA作作为为翻翻译译模模板的活性，以及增加板的活性，以及增加mRNA本身稳定性的因素。本身稳定性的因素。一一般般真真核核生生物物在在胞胞浆浆内内出出现现的的mRNA，其其poly A长度为长度为100至至200个核苷酸之间，也有少数例外。个核苷酸之间，也有少数例外。前前体体mRNA分分子子的的断断裂裂和和加加多多聚聚腺腺苷苷酸酸尾尾是是多多步步骤过程。骤过程。目录目录2.外显子外显子(exon)和内含子和内含子(intron)外显子：外显子：在断裂基因及其初级转录产物上出在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟现，并表达为成熟RNA的核酸序列。的核酸序列。内含子：内含子：隔断基因的线性表达而在剪接过程隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列。中被除去的核酸序列。目录目录二、二、tRNA的转录后加工的转录后加工tRNA前体前体RNA pol TGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNARNAaseP、内切酶内切酶tRNA核苷酸转移酶、核苷酸转移酶、连接酶连接酶ATPADP碱基修饰碱基修饰（2）还原反应）还原反应 如：如：U DHU （3）核苷内的转位反应）核苷内的转位反应 如：如：U （4）脱氨反应）脱氨反应 如：如：A I 如：如：A Am（1）甲基化）甲基化（1 1）（1 1）（3 3）（2 2）（4 4）目录目录三、三、rRNA的转录后加工的转录后加工转录转录45S-rRNA剪接剪接18S-rRNA5.8S和和28S-rRNArDNA内含子内含子内含子内含子28S5.8S18S目录目录四、核四、核 酶酶具有酶促活性的具有酶促活性的RNA称为核酶。称为核酶。核酶核酶(ribozyme)目录目录四膜虫四膜虫rRNA内含子的二级结构内含子的二级结构四膜虫四膜虫rRNA的剪接采用的剪接采用自我剪接自我剪接方式方式5-端核苷酸序列端核苷酸序列目录目录核酶研究的意义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，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；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。利用核酶的结构设计合成人工核酶。