简化RNA的生物合成公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件.pptx

第十三章第十三章RNA生物合成生物合成RNABiosynthesis第1页第1页n转转录录：以以一一段段DNA为为模模板板，在在RNA聚聚合合酶酶(RNA polymerase,RNA-pol)作作用用下下，合合成成出出相相应应RNA过程。过程。nRNA复制复制：RNA指导指导RNA合成。合成。RNARNA生物合成两长路径生物合成两长路径转转录录RNADNA 第2页第2页一、一、DNA指导指导RNA合成（转录）合成（转录）（一）（一）转录特点转录特点 1 1、转录不对称性、转录不对称性n结构基因并不位于结构基因并不位于DNADNA两条链上两条链上.能转录能转录RNA那条那条DNA链称为故意义链链称为故意义链(模板链、负链），而与之互补另一条模板链、负链），而与之互补另一条链称为反意义链（编码链、正链、无义链）。链称为反意义链（编码链、正链、无义链）。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第3页第3页2 2、转录连续性、转录连续性nRNARNA转转录录合合成成时时，以以DNADNA作作为为模模板板，在在RNARNA聚聚合酶催化下，连续合成一段合酶催化下，连续合成一段RNARNA链。链。3 3、转录单向性、转录单向性 RNARNA转转录录合合成成时时，所所依依赖赖模模板板DNADNA链链方方向向为为3535，而，而RNARNA链合成方向为链合成方向为5353。4 4、有特定起始和终止位点、有特定起始和终止位点qRNARNA转录合成时，模板链上有特定起始位点和终止转录合成时，模板链上有特定起始位点和终止位点，两者之间位点，两者之间DNADNA链构成一个链构成一个转录单位转录单位。第4页第4页复制和转录区别复制和转录区别 第5页第5页 （二）（二）RNARNA转录合成条件转录合成条件 n底底物物：四四种种核核糖糖核核苷苷三三磷磷酸酸，即即ATPATP，GTPGTP，CTPCTP，UTPUTP。n模板模板(template)：DNADNA双链一条链一段。双链一条链一段。nRNARNA聚聚合合酶酶（DDRPDDRP）：该该酶酶在在单单链链DNADNA模模板板以以及及四四种种NTPNTP存存在在条条件件下下，不不需需要要引引物，即可从物，即可从5 533聚合聚合RNARNA。n终止因子终止因子第6页第6页（三）（三）RNARNA聚合酶聚合酶n全酶全酶由五个亚基构成，即由五个亚基构成，即2。n亚基与转录起始点辨认相关，而在转录合成开始后被释亚基与转录起始点辨认相关，而在转录合成开始后被释放，余下部分（放，余下部分（2）被称为）被称为关键酶关键酶。1.1.原核生物原核生物RNARNA聚合酶聚合酶第7页第7页大肠杆菌大肠杆菌RNA聚合酶全酶聚合酶全酶关键酶关键酶(core enzyme)全酶全酶(holoenzyme)第8页第8页RNA聚合酶全酶在转录起始区结合聚合酶全酶在转录起始区结合 第9页第9页2.2.真核真核RNARNA聚合酶聚合酶种种类类亚细亚细胞定位胞定位对对-鹅鹅膏蕈碱敏感性膏蕈碱敏感性功效RNApol核仁核仁不敏感不敏感合成合成rRNA前体前体RNApol核核质质极敏感极敏感合成合成hnRNARNApol核核质质敏感敏感合成合成tRNA前体前体snRNA及及5SrRNA第10页第10页酵母酵母RNA聚合聚合酶酶和和第11页第11页（四）（四）RNA转录合成基本过程转录合成基本过程 1.1.原核生物转录原核生物转录 (1)RNA-pol(1)RNA-pol 辨认并结合于启动子辨认并结合于启动子(promoter)n原核生物原核生物RNARNA聚合酶聚合酶因子辨认转录起点，并因子辨认转录起点，并促使关键酶结合和组装成全酶复合物。促使关键酶结合和组装成全酶复合物。n启启动动子子（promoter):promoter):位位于于基基因因上上游游与与RNARNA聚聚合合酶酶辨辨认认、结结合合并并起起始始转转录录一一段段DNADNA顺顺序序。是是RNARNA聚合酶结合聚合酶结合DNADNA位点位点.第12页第12页5 5 3 3 3 3 5 5 结构基因结构基因调控序列调控序列RNA-polRNA-polRNARNA聚合酶结合模板聚合酶结合模板DNADNA部位，称为启动子。部位，称为启动子。原核生物中转录起始区共同序列原核生物中转录起始区共同序列:第13页第13页RNA-polRNA-pol辨认并结合到辨认并结合到-35-35区区,后滑至后滑至-10-10区并启动转录区并启动转录开始转录开始转录T T G A C AA A C T G T-35 区区Pribnow boxT 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 RNARNA聚合酶保护区聚合酶保护区结构基因结构基因3 3 12-14bp5-6bpCAATboxTATAbox-60GCbox第14页第14页 RNA聚合酶全酶聚合酶全酶(2)与模板结与模板结合后，合后，DNA双链解开，在双链解开，在RNA聚合酶作用下聚合酶作用下发生第一次聚合反应，形成转录起始复合物发生第一次聚合反应，形成转录起始复合物5-pppG-OH +NTP 5-pppGpN-OH 3 +ppi第15页第15页 因因子子从从全全酶酶上上脱脱离离，余余下下关关键键酶酶变变构构，与与模模板板结结合合松松驰驰，继继续续沿沿DNADNA链链移移动动，按按照照碱碱基基互互补补原原则，不断聚合，则，不断聚合，RNARNA链不断延长。链不断延长。(2)转录起始和延伸转录起始和延伸第16页第16页 转转录录泡泡(transcriptionbubble)：是是由由DNADNA双双链链、RNARNA聚聚合合酶酶与与新新合合成成转转录录本本RNARNA局局部部形形成成结构结构,它贯穿于延长过程始终。它贯穿于延长过程始终。第17页第17页5 3 DNA原核生物转录过程中羽毛状现象原核生物转录过程中羽毛状现象核糖体核糖体RNARNA聚合酶聚合酶第18页第18页(3)(3)转录终止转录终止 终止子终止子（terminator）是指所转录是指所转录RNARNA行行将结束时，模板将结束时，模板DNADNA分子上出现终止信号序列。分子上出现终止信号序列。当当RNARNA合合成成到到一一定定长长度度时时，RNARNA聚聚合合酶酶碰碰到到终终止止信信号号（终终止止子子terminaterterminater）,RNA,RNA聚聚合合酶酶和和转转录录产产物物RNARNA链从转录复合物上脱落下来，转录完毕。链从转录复合物上脱落下来，转录完毕。转录终止有两种方式：转录终止有两种方式：非非依赖依赖Rho(Rho()因子转录终止因子转录终止 依赖依赖RhoRho因子转录终止因子转录终止 第19页第19页 a.a.终止点上游存在一终止点上游存在一个富含个富含GCGC碱基二重对碱基二重对称区，转录产生称区，转录产生RNARNA易形成发夹结构易形成发夹结构(hairpin)(hairpin)或茎环结或茎环结构（构（stem-loopstem-loop）制）制止止RNARNA聚合酶继续迈聚合酶继续迈进。进。非依赖非依赖 Rho因子转录终止因子转录终止DNADNA模板上靠近终止处，有些特殊碱基序列，转录模板上靠近终止处，有些特殊碱基序列，转录出出RNARNA后，后，RNARNA产物形成特殊结构来终止转录。产物形成特殊结构来终止转录。第20页第20页 b.终止点前有一段由终止点前有一段由4-84-8个个A A构成序列，因此构成序列，因此转录产物转录产物3 3端为寡聚端为寡聚U U，使新生链易于脱落，使新生链易于脱落DNADNA链链 。第21页第21页茎环结构使转录终止机理茎环结构使转录终止机理 使使RNA聚合酶变构，转录停止；聚合酶变构，转录停止；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第22页第22页 依赖蛋白质因子而实现终止作用，这种依赖蛋白质因子而实现终止作用，这种蛋白质辅因子称为释放因子（蛋白质辅因子称为释放因子（因子）。因子）。RNARNA合成起始后，合成起始后，因子即附着在新生因子即附着在新生RNARNA链上，链上，沿沿RNARNA链移动跟踪聚合酶，链移动跟踪聚合酶，因子赶上在终止因子赶上在终止位点暂停聚合酶后促使新生位点暂停聚合酶后促使新生RNARNA链从三元转录链从三元转录复合物中解离出来，从而终止转录。复合物中解离出来，从而终止转录。因子因子第23页第23页2.真核生物转录真核生物转录(1(1）真核生物结构基因结构）真核生物结构基因结构第24页第24页类型类型 细胞内定位细胞内定位 催化转录产物催化转录产物 对鹅膏蕈碱反应对鹅膏蕈碱反应 核仁核仁 rRNArRNA前体前体 耐受耐受 核质核质 mRNAmRNA前体前体 极敏感极敏感 核质核质 5SrRNA tRNA 5SrRNA tRNA 中度敏感中度敏感（2）真核细胞RNA聚合酶第25页第25页(3(3）真核生物启动子）真核生物启动子n真核生物真核生物3 3类类RNARNA聚合酶分别负责聚合酶分别负责类、类、类和类和类基类基因转录因转录,启动子也分为启动子也分为类、类、类和类和类类类启动子类启动子n由由RNA聚合酶聚合酶I负责转录负责转录rRNA基因，其启动子由两部分基因，其启动子由两部分序列构成：一为关键启动子序列构成：一为关键启动子（core promoter）由由-45+20位核苷酸构成；二为上游调控元件由位核苷酸构成；二为上游调控元件由-170-107位位序列构成，能有效地增强转录效率。序列构成，能有效地增强转录效率。第26页第26页类启动子类启动子由由RNA聚合酶聚合酶负责转录是负责转录是5SrRNA、tRNA和一些和一些snRNA，其其类启动子可被分为三个亚类。两亚类类启动子可被分为三个亚类。两亚类5S rRNA和和tRNA基基因启动子是内部启动子（因启动子是内部启动子（internal promoter），位于转录起始），位于转录起始位点下游，都由两部分构成。第三亚类启动子由三个部分构成，位点下游，都由两部分构成。第三亚类启动子由三个部分构成，位于转录起始位点上游。位于转录起始位点上游。第27页第27页类启动子类启动子由由RNA聚合酶聚合酶II负责转录负责转录II类基因包括所有蛋白质类基因包括所有蛋白质编码基因和部分编码基因和部分snRNA基因。后者启动子结构与基因。后者启动子结构与III类基因启动子中第三种类型相同，编码蛋白质类基因启动子中第三种类型相同，编码蛋白质II类基因启动子在结构上有共同保守序列。类基因启动子在结构上有共同保守序列。II启动子：启动子：*关键启动子关键启动子(core promoter)TATA盒，盒，-25-35bp*上游启动子元件上游启动子元件(upstream promotor elements,UPE)：CAAT 盒；盒；GC盒等，通过盒等，通过TF II复合物来提升转录效率。复合物来提升转录效率。第28页第28页 TATA盒盒 CAAT盒盒 GC盒盒 增强子增强子 顺式作用元件顺式作用元件 结构基因结构基因-GCGC-CAAT-TATA转录起始转录起始真核生物真核生物II类类启动子保守序列启动子保守序列第29页第29页 TATA TATA盒是基因启动子（盒是基因启动子（promoterpromoter）主要元件，）主要元件，它与它与RNARNA聚合酶结合并调整转录开始，聚合酶结合并调整转录开始，该盒是许多该盒是许多通用转录因子装配位点（通用转录因子装配位点（assembly siteassembly site），这是），这是RNARNA聚合酶聚合酶IIII转录真核基因至关主要前提。转录真核基因至关主要前提。另外另外CAATCAAT盒和盒和GCGC盒，它们对盒，它们对RNARNA聚合酶起始基因聚合酶起始基因基础水平转录往往是必需。基础水平转录往往是必需。CAATCAAT盒、盒、GCGC盒决定盒决定RNARNA聚聚合酶转录基因效率。它们与转录因子结合，参与基合酶转录基因效率。它们与转录因子结合，参与基因表示调控。因表示调控。第30页第30页（4 4）真核生物基因调控序列）真核生物基因调控序列2 2：增强子：增强子n增强子是指能使和它连锁基因转录频率明显增长增强子是指能使和它连锁基因转录频率明显增长DNA序列。远离转录起始点（序列。远离转录起始点（130kb）。位于基因）。位于基因编码区上游、下游或内部，与转录激活子结合。编码区上游、下游或内部，与转录激活子结合。增强子性质与作用：增强子性质与作用：n1、增强效应与其位置和取向无关。、增强效应与其位置和取向无关。n2、大多为重复序列，普通长约、大多为重复序列，普通长约50bp。n3、增强效应有严密组织和细胞特异性。、增强效应有严密组织和细胞特异性。n4、没有基因专一性。、没有基因专一性。n5、许多增强子还受外部信号调控。、许多增强子还受外部信号调控。n6、增强子通过结合转录因子（转录激活子）发、增强子通过结合转录因子（转录激活子）发挥作用。挥作用。第31页第31页（5 5）转录因子）转录因子(transcriptional factor)为为DNA结合蛋白，可使邻近基因开放（正调控）结合蛋白，可使邻近基因开放（正调控）或关闭（负调控）或关闭（负调控）.分为三类：分为三类：（a）通用）通用/基本转录因子：基本转录因子：RNA聚合酶结合启动子所必聚合酶结合启动子所必需一组蛋白因子。需一组蛋白因子。qTFA、TFB、TFD、TFE、TFH等等 （b）特异转录因子：个别基因转录所必需转录因子）特异转录因子：个别基因转录所必需转录因子.qOCT-2：在淋巴细胞中特异性表示，辨认：在淋巴细胞中特异性表示，辨认Ig基因启基因启动子和增强子。动子和增强子。（c）反应元件相结合转录因子）反应元件相结合转录因子第32页第32页（6）真核与原核转录系统异同）真核与原核转录系统异同：n真核染色体和核小体结构对转录有影响；真核染色体和核小体结构对转录有影响；n真核细胞真核细胞RNARNA聚合酶高度分工；聚合酶高度分工；n真核启动子以外序列参与调整基因转录；真核启动子以外序列参与调整基因转录；n真核转录与翻译不存在偶联；真核转录与翻译不存在偶联；n真核转录产物多为单顺反子，而原核多为多顺反真核转录产物多为单顺反子，而原核多为多顺反子。子。n真核生物转录需各种转录因子参与。真核生物转录需各种转录因子参与。第33页第33页转录起始复合物形成与转录起始转录起始复合物形成与转录起始（7 7）真核生物转录过程）真核生物转录过程 转录开始首先是转录起始复合物形成转录开始首先是转录起始复合物形成 ，启动，启动子与转录因子结合后，才干被子与转录因子结合后，才干被RNA polRNA pol辨认并结合辨认并结合到到-25-25-30-30区区TATATATA盒。盒。第34页第34页RNARNA聚合酶聚合酶转录起始过程转录起始过程a.首先是首先是IF-D（TAF+TBP）结合于）结合于TATA box,TBP:TATA-binding proteinTAFs:TBP associated factorsb.断而是断而是IF-A、B与与TATA box结合；结合；c.在在F协同下，协同下，RNA-pol结合到结合到TATA box结结合；合；d.接着接着A、H、J等等与之结合共同构成起始复与之结合共同构成起始复合物，合物，DNA解链并开始转解链并开始转录。录。第35页第35页RNARNA链延伸链延伸 转录起始复合物形成后，一些转录因子脱离，RNA聚合酶沿解开模板单链滑动和合成，新生RNA链不停延长。在真核细胞中，经常观测到多个RNA聚合酶同时转录同一模板情况，各自合成不同长度RNA链，如非洲爪蟾灯刷染色体。第36页第36页 对真核细胞转录终止理解较少。有研究表明，真核转录对真核细胞转录终止理解较少。有研究表明，真核转录转转录终止序列是在录终止序列是在33端之后有共同序列端之后有共同序列AATAAAAATAAA及多个及多个GTGT序列，序列，mRNAmRNA在转录终止序列处被切断在转录终止序列处被切断AAUAAAAAUAAAGUGUGUGGUGUGUG酶切酶切AATAAAAATAAAGTGTGTGGTGTGTG-AAUAAAAAUAAAGUGUGUGGUGUGUG加尾信号加尾信号GCGC丰富序列丰富序列酶切酶切AATAAAAATAAAGTGTGTGGTGTGTG-加尾加尾AAUAAAAAUAAAGUGUGUGGUGUGUG转录终止转录终止第37页第37页二、二、RNA转录后加工修饰转录后加工修饰（一）（一）mRNA转录后加工转录后加工1原核原核mRNA前体加工前体加工 原核原核mRNAmRNA是多顺反子是多顺反子,每分子每分子RNARNA中含几种蛋白中含几种蛋白质信息，质信息，RNARNA寿命短，转录没完毕时，翻译已经寿命短，转录没完毕时，翻译已经开始开始 。例例:乳糖操纵子，含乳糖操纵子，含Z,Y,AZ,Y,A三个基因三个基因,分别编码分别编码半乳糖苷酶、透过酶及乙酰基转移酶半乳糖苷酶、透过酶及乙酰基转移酶第38页第38页2真核真核mRNA前体加工前体加工 hnRNA:hnRNA:为为mRNAmRNA前体前体,转录物中外显子与内转录物中外显子与内含子间隔排列，需经剪接加工后生成含子间隔排列，需经剪接加工后生成mRNAmRNA。（1）加帽）加帽(adding cap)：n即即在在mRNA5-端端加加上上m7GpppGp结结构构。有有三三类类：CAPO、CAP1、CAOP2型。型。n此过程发生在细胞核内，即此过程发生在细胞核内，即hnRNA即可进行加帽。即可进行加帽。n加加工工过过程程：首首先先是是在在磷磷酸酸酶酶作作用用下下，将将5-端端磷磷酸酸基基水水解解，然然后后再再加加上上鸟鸟苷苷三三磷磷酸酸，形形成成GpppN结结构构，再对再对G进行甲基化。进行甲基化。第39页第39页5加帽5 5GpppGGpppGpipi5 5pppGpppG磷酸酶磷酸酶ppippi5 5pGpGpppGpppG甲基化酶甲基化酶CHCH3 3mGpppGmGpppGOHOH帽帽1 1帽帽0 0帽帽2 2NNNNOH2NCH3+OHHCH2HOP OPO P OPPPN1N2N3OOHOOHOOHOCH3OCH32OH79H甲基鸟苷甲基鸟苷5 5，5 5-三磷酸三磷酸第40页第40页（2 2）3 3加尾加尾AAUAAAAAAAAAAAA.加尾加尾AATAAAGTGTGTGAAUAAAGUGUGUGAAUAAAGUGUGUG酶切酶切转录终止转录终止加尾信号加尾信号GCGC丰富序列丰富序列polyApolyA尾（约尾（约2020200200个个A A）A AA AA AA AA AA A第41页第41页 （3）剪接（）剪接（splicing)：n真真核核生生物物中中结结构构基基因因基基本本上上都都是是断断裂裂基基因因。结结构构基基因因中中能能够够指指导导多多肽肽链链合合成成编编码码顺顺序序被被称称为为外外显显子子，而而不不能能指指导导多多肽肽链链合合成成非非编编码码顺序就被称为顺序就被称为内含子内含子。n真核生物真核生物hnRNA剪接通过形成套索状结构剪接通过形成套索状结构而将内含子切除掉。而将内含子切除掉。第42页第42页外显子外显子内含子内含子DNADNAmRNAmRNA转录转录形成套索形成套索RNARNA，外显子靠近，外显子靠近剪接体剪接体清除套索清除套索RNARNA，外显子连接，外显子连接成熟成熟mRNAmRNAmRNAmRNA剪接剪接第43页第43页小核糖核蛋白体参与剪辑小核糖核蛋白体参与剪辑过程过程哺乳类哺乳类mRNA二级结构二级结构U1snRNA构成构成第44页第44页剪辑需要大量反平行RNA碱基对重新组织第45页第45页小核糖核蛋白体形成剪接体小核糖核蛋白体形成剪接体剪接体装配过程剪接体装配过程第46页第46页 （4 4）内部甲基化：）内部甲基化：n由甲基化酶催化，对一些碱基进行甲基化处理。由甲基化酶催化，对一些碱基进行甲基化处理。第47页第47页（二）（二）rRNA转录后加工转录后加工 1原核原核rRNA前体加工前体加工 第48页第48页2真核真核rRNA前体加工前体加工 第49页第49页四膜虫前四膜虫前rRNA本身剪接本身剪接第50页第50页（三）（三）tRNA转录后加工修饰转录后加工修饰 第51页第51页a a、切除、切除tRNAtRNA前体两端多出序列：前体两端多出序列：5 5端切除几到端切除几到1010个核苷酸。个核苷酸。b、末端添加：、末端添加：3-端添加端添加CCA序列。序列。c、修饰：形成稀、修饰：形成稀有有碱基如碱基如DH2 。RNAasePRNAaseFRNAasePRNAaseFRNAaseDRNAaseDACC表示核酸内切酶作用表示核酸内切酶作用 表示核苷酸转移酶作用表示核苷酸转移酶作用 表示核酸外切酶作用表示核酸外切酶作用 表示异构化酶作用表示异构化酶作用 第52页第52页三、三、RNA复制复制（一）（一）RNARNA复制复制 RNA RNA 病毒遗传信息贮存在病毒遗传信息贮存在RNARNA分子中，分子中，当它们进入宿主细胞后，靠复制而传代，当它们进入宿主细胞后，靠复制而传代，它们在它们在RNARNA指导指导RNARNA聚合酶聚合酶催化下，以催化下，以RNARNA为模板，按为模板，按5 533方向合成互补方向合成互补RNARNA分分子。子。第53页第53页（二）（二）RNA生物合成克制剂生物合成克制剂 1嘌呤和嘧啶类似物嘌呤和嘧啶类似物2DNA模板功效克制剂模板功效克制剂 能插入能插入DNA分子中制止分子中制止RNA聚合酶沿模板移动。聚合酶沿模板移动。（1）烷化剂）烷化剂（2）放线菌素）放线菌素D（3）嵌入染料如吖啶）嵌入染料如吖啶 3RNA聚合酶克制物聚合酶克制物（1）利福霉素）利福霉素/平：能与原核平：能与原核RNA-pol 亚基结合亚基结合（2）-鹅膏蕈碱：鹅膏蕈碱：特异阻断真核特异阻断真核RNA聚合酶聚合酶第54页第54页（三）（三）RNA降解降解 所有细胞中都存在各种核糖核酸酶，能所有细胞中都存在各种核糖核酸酶，能够降解够降解RNARNA。真核生物。真核生物mRNAmRNA降解主要路径首先降解主要路径首先是是poly(A)poly(A)尾巴缩短，去腺苷酸化能诱发脱去尾巴缩短，去腺苷酸化能诱发脱去55端帽子结构，然后由端帽子结构，然后由5353方向和方向和3535方向降解方向降解mRNAmRNA。第55页第55页