第八章 RNA的转录合成 Chapter RNA Processing

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公胖徘逄
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1 第八章 Chapter 8 RNA 的转录合成 RNA Processing

2 一 RNA 转录概述转录 : 在 DNA 指导下的 RNA 的合成 DNA 碱基配对 RNA 与 DNA 互补 RNA 聚合酶催化加工修饰 DNA RNA 前体成熟 RNA

3 编码链模板链 5 G C A G T A C A T G T C 3 3 CG T C A T G T A C A G 5 } DNA 5 G C A G U A C A U G UC 3 转录 mrna N Ala Val His Val C 翻译肽 DNA 模板转录产物 mrna 和氨基酸序列之间的关系

4 ( 一 )RNA 转录的基本特点 1 转录具有选择性( 时间空间 ) 只有在某一类型的细胞中或某一发育阶段能被转录 2 催化转录的酶是 RNA 聚合酶, 是一类依赖于 DNA 的 RNA 聚合酶 3 在 RNA 转录过程中,DNA 双链要部分解链, 释放出模板链 DNA, 又在转录中部分形成 DNA-RNA 杂合双链

5 4 RNA 合成底物是 4 种 5 - 核糖核苷三磷酸 NTP (ATP GTP CTP UTP), 反应和 DNA 合成基本相同 5 RNA 合成方向 5-3, 单核苷酸加到 3 - OH 上, 和 DNA 模板链反向平行

6 DNA 5 启动子终止子 3 非模板链 ATACG.. TATGC 模板链转录 AUACG 转录单位结构示意图

7 DNA 反义链 (- 链 ): 用于转录的链 ( 模板链 ) 有义链 (+ 链 ): 非模板链 ( 编码链 ) 顺序和新和成的 RNA 一致启动子书写方式一般从左向右上游下游

8 结构基因转录方向 5 编码链模板链 3 3 模板链编码链 5 转录方向

9 ( 二 ) 原核生物和真核生物基因转录的差异 1 原核生物只有一种 RNA 聚合酶参与转录, 但真核生物需要 3 种以上的 RNA 聚合酶 2 转录差异差别很大, 原核生物的初始转录产物大多数都是编码序列, 而真核生物的产物有内含子序列 3 真核生物初始转录产物历经剪接修饰的后加工成熟过程, 而原核生物几乎不需要

10 4 原核生物的转录产物 mrna 为多顺反子, 真核生物为单顺反子 5 原核生物细胞中, 转录合成 mrna 同时, 蛋白质翻译也在进行, 二者相互偶联, 但真核生物 mrna 合成后, 翻译才能进行

11 ( 三 )RNA 转录的 4 个阶段 1 RNA 聚合酶识别启动子 :RNA 聚合酶与启动子特异性结合, 启动基因转录 2 转录起始 :RNA 聚合酶结合到启动子 DNA 解旋解链形成最初的几个核苷酸转录产物 3 转录延伸 :RNA 聚合酶与复合体沿 DNA 向前延伸, 转录复合体前移, 后面的 DNA 又恢复了双螺旋结构 4 转录终止 :RNA 聚合酶识别转录终止信号, 转录复合物解离, 释放转录

12 E. coli RNA polymerase 155 KD 36.5 KD 11 KD 36.5 KD 151 KD 70 KD RNA 聚合酶通过四步反应聚集而成用于起始和延伸只用于起始

13 二细菌的 RNA 聚合酶及其转录 ( 一 ) 大肠杆菌 RNA 聚合酶的结构是由 4 种类型,5 个亚基组成, 称为全酶 σ: 参与到转录起始部分, 称为起始亚基 α 2 ββ σ α 2 ββ : 参与到转录链的合成部分, 核心酶全酶功能, 见下页

14 基因名称基因图上的位置 (min)* 多肽链分子量全酶中的数目功能 β'rpoc 与 DNA 结合 βrpob 聚合作用的催化位点 σrpod 识别启动子, 起始转录 αrpoa 酶的装配与启动子上游元件和活化因子结合 ω ? 转录因子 ρrho 转录终止 nusa nusa 转录延长, 终止

16 大肠杆菌 RNA 聚合酶与 DNA 的相互作用

17 ( 二 )T 7 噬菌体的 RNA 聚合酶 u u 是目前已知的 RNA 聚合酶中最简单的酶, 只有一条肽链, 只识别一个启动子结构用于构建 RNA 表达载体系统 : 噬菌体表达蛋白质抑制 E.coli 细胞内 RNA 聚合酶活性 E.coli 不能转录例如在体外 :T 7 RNApoly+ 启动子导入宿主细胞抑制 E.coli 转录, 引起噬菌体蛋白质表达

18 ( 二 ) 原核生物 RNA 聚合酶对启动子的识别与结合 u 启动子及其结构与功能 DNA -35 区 -10 区 TTGACA 保守序列 TATAAT 起始点开始转录细菌启动子结构模型

19 u u u u 原核生物启动子 : 核心启动子和启动子上游部位 -10 区 :TATAAT Pribnow box 或 -10 序列 ( 转录解链区 ) -35 区 :TTGACA Sextama 框提供 RNA 聚合酶识别信号,σ 因子识别 -35 区,RNA 聚合酶结合在启动子上, 称识别序列起始点附近 : +1 位点, 影响转录的起始效率

21 启动子的下降突变 : 启动子突变造成启动子转录功能明显下降或完全抑制启动子的上升突变 : 启动子突变造成启动子转录水平明显提高的突变如 : -35 区发生下降突变 : 使封闭起始复合物形成速度变慢 -10 区发生下降突变 : 使封闭复合物向开放复合物转变速度变慢

22 RNA 聚合酶与启动子的相互作用 1 RNA 聚合酶在一个识别位点与模板进行结合 2 聚合酶移动到起始位点 3 形成一个开放启动子复合物 (open-promoter complex)

23 ( 三 ) 原核生物 RNA 的转录历程转录起始阶段 4 个阶段 : (1)RNA 聚合酶全酶搜索并结合 DNA 特异位点 : 全酶在 σ 亚基协助下先与 -35 区结合

24 (2)RNA 聚合酶向 -10 区移动, 与启动子形成封闭型起始复合物

25 (3) 封闭起始复合物转变为开放起始复合物

26 CAP 位点 : 在研究 E.coli 乳糖操纵子时发现, 只有当 camp- CAP 复合物结合与启动子上游区域的 CAP 位点时,-10 区序列解开,lac 启动子才能形成开放起始复合物, 否则不能起始转录

28 (4)DNA- 酶 - 底物 NTP 三元起始复合物形成引入核苷酸底物, 开始合成小段 RNA, 当新生的 RNA 链为 9-10 个核苷酸时,σ 因子脱离 RNA 聚合酶, 转录进入延伸阶段

29 原核生物 RNA 的转录历程链的延伸阶段当 RNA 聚合酶聚合一小段新生的 RNA 链为 9-10 个核苷酸时,σ 因子从转录复合物的 RNA 聚合酶上脱离下来, 转录进入延伸阶段涉及三个方面内容 : RNA 聚合酶构像变化转录的底物与新生 RNA 链影响链延伸速度的因素

30 1 RNA 聚合酶构象变化起始阶段 ( 全酶 ) 延伸阶段 ( 核心酶 ) 与 DNA 特异性结合 σ 非特异性松弛结合 β α + σ β σ α α β α β Core Enzyme Holo Enzyme

31 RNA 聚合酶沿模板 DNA 向前移动的过程类似于蠕虫运动,RNA 聚合酶前端保持不动, 后端沿 DNA 链向前移动 6-7 个核苷酸, 然后前端再移动, 周而复始, 聚合酶接触 DNA 的长度从 35 个核苷酸 28 个 35 个, 当 RNA 聚合酶缩短时, 核心酶结构中新生的 RNA 链得以延长

32 2 转录的底物与新生 RNA 链进入延伸阶段, 底物 NTP 不断添加到新生 RNA 链的 3 端, 酶与产物 RNA 不解离,RNA 链不断延伸,17 个核苷酸的 DNA 形成解链区, 产物 RNA 大约有 12 个核苷酸与模板形成 DNA-RNA 杂合双链, 而随着 RNA 聚合酶的不断前移, 产物 RNA 链很容易从 DNA 模板链上不断脱落, 但 DNA-RNA 杂合双链一直保持约 12bp

33 12 核苷酸 17 核苷酸

35 3 延伸过程酶与产物 RNA 不解离底物 NTP 不断加到 RNA 链的 3 -OH 端延伸位点不断地接受新的 NTP,RNA 链不断延伸, 随着核心酶向前滑动, 从 DNA 模板上不断脱落 17 个核苷酸的 DNA 形成解链区, 产物 RNA 约有 12 个核苷酸与模板形成 DNA-RNA 杂合链始终保持三元复合物的结构

38 4 影响新生 RNA 链转录延伸速度的因素 RNA 聚合酶的来源模板链的特殊序列转录速度下降 ( 如富含 GC 序列, 反向重复序列 ) 其他物质 ppgpp

3` region of RNA is cleaved RNA polymerase during elongation New 3` end

39 A stalled RNA polymerase can be released by cleaving the 3` end of the transcript. 3` region of RNA is cleaved RNA polymerase during elongation New 3` end is located in catalytic site RNA polymerase is stalled & backtracks Catalytic site resumes elongation RNA polymerase can recover from pausing

40 原核生物 RNA 的转录历程终止阶段终止阶段主要事件 : 核心酶从 DNA 模板上脱落 RNA-DNA 杂合链解链, 释放新生的 RNA 分子 DNA 分子恢复双螺旋结构

41 终止子 (terminator): 在转录的过程中, 提供转录终止信号的 DNA 序列原核生物基因的终止子结构分为两种主要类型 : 1 内在终止子是一类不依赖 ρ 因子的终止子 ( 简单终止子 ) 2 依赖 ρ 因子的终止子

42 内在终止子不依赖任何辅助因子, 而是依靠转录产物形成特殊的茎环结构就能终止转录, 也叫不依赖 ρ 因子的终止子结构特征 :» 形成茎环结构的反向重复序列, 靠近茎环底部有一段富含 GC 碱基对结构, 阻止 RNA-DNA 杂合双链形成» 在茎环结构的 3 端一般有 4-6 个连续或不连续的 U 序列结构, 说明 DNA 模板富含 AT 区域在转录终止中有重要作用

43 内源性终止子的基本结构 1) 二级结构中的发夹 ( 长度 7-20 bp; 发夹靠近基部通常有一个 G-C 富集区 ) 2) 转录单位最末端的连续约 6 个 U 残基组成的片段这两个特点都是终止所必需的在大肠杆菌基因组中, 符合这些标准的序列约有 1100 个 ( 约一半 )

44 如上述结构特征发生突变而改变, 则阻止转录的终止特征 1 使 RNA 转录暂停, 因 RNA 链形成茎环结构, 阻止 RNA-DNA 杂合双链的形成特征 2 的 ru-da 序列特征使转录终止, 也说明 DNA 模板富含 AT 区域在转录终止及起始中都有重要作用

46 终止需要的 DNA 序列位于终止位点序列之前 ; RNA 发夹结构的形成可能是必需的

47 CGCCCGA GCGGGCU 转录方向不依赖 ρ 因子的转录终止模板链 3 TCGGGCG 5 编码链 AGCCCGC CGCCCGAAAAAAA 5 GCGGGCTTTT TTT 3 DNA 3 5 模板链编码链 AAAAAA UUUUUU3 TTTTTT 5 DNA 3 转录产物 5

48 依赖于 ρ 因子的终止子 (rho-dependent terminator) 也有回文序列, 但无系列 U ρ 因子是大肠杆菌的一种基本蛋白质, 只在终止阶段发挥作用, 由 6 个相同亚基组成作为 RNA 聚合酶的辅助因子行使功能大肠杆菌中的 ρ- 依赖型终止子占所有终止子的一半左右

49 G/C 含量较少无连续 U 串

50 Rho has an N- terminal RNAbinding domain and a C-terminal ATPase domain. A hexamer in the form of a gapped ring binds RNA along the exterior of the N-terminal domains.

51 ρ 因子的作用机理热追踪 (hot-pursuit) 模型 : ρ 因子结合 : 最初结合到 RNA 终止子上游一个伸展的 ( 约 70 个核苷酸 ) 单链区 ρ 因子移动 : 结合到 RNA 上后, 发挥 ATP 酶活性以提供在 RNA 上滑动的能量, 直到它到达 RNA-DNA 杂合链区域 ( 可能 ρ 因子沿 RNA 移动比聚合酶沿 DNA 移动的速度快 ), 终止 :ρ 因子发挥解旋酶活性, 使双链体结构解开

52 ρ 因子终止转录 RNA 聚合酶转录 DNA ρ 因子结合到 RNA 上的识别位点 ρ 因子沿 RNA 移动, 跟着 RNA 的伸展方向 RNA 聚合酶在终止处停止, ρ 因子赶上 ρ 因子使 DNA-RNA 杂合链解旋终止 : 所有的组分分开

53 A rut site has a sequence rich in C and poor in G preceding the actual site(s) of termination. The sequence corresponds to the 3` end of the RNA.

54 RNA 合成的抗终止抗终止的定义 RNA 聚合酶越过一个或多个终止子实现通读抗终止的两种作用方式抗终止蛋白作用于 RNA 聚合酶破坏终止点 RNA 的茎 - 环结构

55 Termination of transcription can be regulated

56 Antitermination extends the transcription unit 抗终止蛋白可作用在 RNA 聚合酶上, 使之越过特定终止子而通读

57 终止子能提供转录停止信号的 DNA 序列称之为, 协助 RNA 聚合酶识别终止信号的蛋白因子则称为终止因子, 有些终止子的作用可被特异的因子阻止, 使酶能越过终止子继续转录, 称通读, 这类引起抗终止作用的蛋白质称为抗终止因子

58 归纳总结细菌 DNA 转录的全过程视频

59 三真核生物的 RNA 聚合酶及其转录 ( 一 ) 真核生物基因转录的特点 1 真核生物转录单元为单顺反子, 每一个蛋白质基因都有自身的启动子, 造成在功能上相关而又独立的基因之间具有更加复杂的调控系统 2 真核生物的 RNA 聚合酶高度分工, 细胞核内的 3 中 RNA 聚合酶分别转录不同类型的核基因

60 3 真核生物 RNA 转录过程中, 除了 RNA 聚合酶以外, 还需要多种转录因子的参与 4 真核基因调控转录的顺式作用元件(cis- acting element) 比原核生物复杂的多 5 真核基因转录水平的调控多以正调控为主

61 ( 二 ) 真核生物基因转录的 RNA 聚合酶 3 种 RNA 聚合酶的相关性质三种 RNApol: 根据对 α - 鹅膏蕈碱的敏感性不同而分类 RNApolⅠ 最不敏感 ( 动植昆 ) RNApol Ⅱ 最敏感 RNApol Ⅲ 不同种类的敏感性不同

62 1 位置和转录产物 RNApolⅠ 核仁活性所占比例最大转录 rrna(5.8s 18S 28S) RNApolⅡ 核质主要负责 hnrna snrna 的转录 hnrna(mrna 前体, 核不均一 RNA heterogeneous nuclear RNA) snrna( 核内小分子 RNA small nulear RNA) RNApol Ⅲ 核质负责 trna 5S rrna Alu 序列和部分 snrna 目前在线粒体和叶绿体内发现少数 RNApol( 活性较低 )

63 2 三类 RNA 聚合酶的一般特点结构复杂结构具有相似性有几种共同的亚基 3 RNA 聚合酶 3 类亚基核心亚基 : 与原核 RNA 聚合酶核心酶相似共同亚基 : 共同存在于 3 种真核生物 RNA 聚合酶中的亚基非必需亚基 : 有 2 个亚基对酶的活性不是必需的

64 四真核生物基因转录的启动子三种 RNApol 三种转录方式三种启动子三类基因,Ⅰ 类 Ⅱ 类 Ⅲ 类

65 ( 一 )Ⅰ 类基因启动子 RNApol Ⅰ 的启动子 45SrRNA 前体 5.8SrRNA 18SrRNA 28SrRNA SL1 RNApol Ⅰ UBF1 上游控制元件起始转录 UBF1 核心启动子提高转录效率由 core promoter 和 UCE 组成, 都富含 GC

66 ( 二 )Ⅱ 类基因启动子 RNApol Ⅱ 的启动子结构转录起始位点 (Inr) 基本启动子 (basal promoter) 核心启动子转录起点上游元件转录起点下游元件启动子近端序列元件 (PSE)

67 类型 Ⅱ 启动子结构模式增强子起始元件 TATA 下游元件 Inr mrna 启动子上游序列元件

68 Inr: 转录起始点 TATA: 基本启动子, 是转录因子与 RNApoly 装配, 并形成转录前起始复合物的位置定位基因转录的起始点 Inr 核心启动子 : 启动位于下游的基因转录 TATA 上游启动子元件 (UPE): 提高转录的效率和特异性

69 ( 三 )Ⅲ 类基因启动子 RNApol Ⅲ 的启动子分为两种类型 : 基因内启动子» 例 5SrRNA,tRNA,Alu 家族基因启动子转录起点上游启动子»snRNA

70 1 内部启动子分为两类均含两个短序列元件, 中间由其他序列隔开第一类 : 含 A 框和 C 框 (5S rrna 基因 ) 第二类 : 含 A 框和 B 框 (trna 基因 ) 间隔序列长短差异很大其中内部启动子起被 RNApolⅢ 识别的作用

72 2 转录起点上游启动子 TATA 框近端序列元件 (PSE) 远端序列元件 (DSE) 八聚体基序元件 (OCT) 转录起点 U6 等基因 OCT PSE TATA 转录起点上游启动子

73 五 Ⅱ 类基因转录的转录因子和转录起始复合物真核生物的 RNApoly 自身不能结合到各自的启动子序列上, 必须通过各种转录因子 (TF) 协助基本转录因子 TFⅡ:(general transcription factors GTF) 基因特异性转录因子 (gene specific transcription factors )

74 第 Ⅱ 类基因转录的基本转录因子有 TFⅡA, TFⅡB, TFⅡD, TFⅡE, TFⅡF, TFⅡG, TFⅡH 等, 各转录因子基本性质见表 8.5

75 转录起始复合物 (PIC) 的组装 5 3 TBP TFⅡB TFⅡF-RNApolyⅡ TFⅡE TFⅡH TFⅡD TFⅡA TFⅡB TBP TFⅡF RNApolyⅡ TFⅡH TFⅡE 闭合复合物 3 5 DNA 解螺旋产生开放复合物

76 5 3 TFⅡD TFⅡA TFⅡB TBP TFⅡF TFⅡH TFⅡE 3 5 DNA 解螺旋 DNApoly Ⅱ 磷酸化, 转录开始起始复合物解离 TFⅡD 5 3 TFⅡA TFⅡB TBP Inr TFⅡF RNApolyⅡ TFⅡH TFⅡE 3 5

77 类型 Ⅰ 基因的转录因子 :SL-1 和 UBF TAF1 TBP 因子

78 RNApol Ⅲ 的转录起始两种内部启动子的转录起始需要三种辅助因子 TFⅢA 一种含锌指结构的蛋白 TFⅢB 由 TBP 和 BRT B TFⅢC 至少 5 个亚基以上

79 trna 基因转录起始复合物装配 TF ⅢC A 框 B 框基因内启动子 TF ⅢB RNA 聚合酶 Ⅲ

80 5SrRNA 基因转录起始复合物装配 A 框 TF ⅢA C 框基因内启动子 TF ⅢC TF ⅢB RNA 聚合酶 Ⅲ

82 本章习题名词解释 : 转录单位模板链编码链反义链动子核心启动子终止子简述 RNA 转录一般特点? 什么是 Pribnow 框? 什么是 -35 框? 它们的保守序列? 第 Ⅱ 类基因的启动子由哪几个区域组成? 包含的单位? 写出下列英文缩写含义 :UCE CTD PIC UBF 启

<4D F736F F F696E74202D203520B7D6D7D3C9FACEEFD1A720B5DAC8FDD5C220444E41B5C4D7AAC2BC20D7AAC2BCBBFAC6F7>

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