第1页：第11章 RNA的生物合成
11 RNA的生物合成Chapter 11 RNA Biosynthesis,Transcription
第2页：本章重点与难点
- 本章重点与难点重点：掌握RNA生物合成方式、酶类及合成后加工，RNA合成后加工的意义，RNA合成的起始与终止、RNA的复制、核酶。
- 难点：RNA合成的起始与终止；
- 真核生物RNA转录后加工；
- 核酶。
第3页：转录生物体以
- 一、转录(transcription)生物体以DNA为模板合成RNA的过程。
- 转录RNADNA
第4页：复制和转录的区别
复制和转录的区别
第5页：参与转录的物质原料
参与转录的物质原料:NTP (ATP, UTP, GTP, CTP)模板:DNA酶:RNA聚合酶(RNA polymerase, RNA-pol)其他蛋白质因子
第6页：转录模板•DNA上为一种或几种蛋白质的全
- （一）转录模板
- •DNA上为一种或几种蛋白质的全部氨基酸编码的核苷酸顺序称为基因
- •DNA分子上编码蛋白质的基因片段，称为结构基因(structuralgene)
- •DNA上有重复基因、重叠基因和不连续基因
- •DNA上插入而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
第7页：转录模板•DNA上为一种或几种蛋白（续）
- 转录模板•DNA上为一种或几种蛋白（续）
- 5′···GCAGTACATGTC···3′3′··· c g t g a t g t a c a g···5′5′···GCAGUACAUGUC···3′N······Ala·Val·His·Val······C编码链模板链mRNA蛋白质转录翻译DNA双链中按碱基配对规律能指导转录生成RNA的一股单链，称为模板链(template strand)，也称作有意义链或Watson链。相对的另一股单链是编码链(coding strand)，也称为反义链或Crick链。
第8页：模板链编码链编码链模板链结构基因转录
5335模板链编码链编码链模板链结构基因转录方向转录方向
第9页：不对称转录•在
- 不对称转录(asymmetric transcription)
- •在DNA分子双链上某一区段，一股链用作模板指引转录，另一股链不转录
- •模板链并非永远在同一条单链上
第10页：原核生物的
第11页：核心酶全酶
核心酶(core enzyme)全酶(holoenzyme)
第12页：RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合
RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合
第13页：真核生物的RNA聚合酶
2、真核生物的RNA聚合酶
第14页：模板上酶的辨认
- （三）模板上酶的辨认、结合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(upstream)的调控序列。
- 5335结构基因调控序列RNA-polRNA聚合酶结合模板DNA的部位，称为启动子(promoter)。
第15页：开始转录
开始转录T T G A C AA A C T G T-35区(Pribnow box)T A T A A T PuA T A T T A Py-10区1-30-5010-10-40-205335原核生物启动子保守序列RNA-pol辨认位点(recognition site)55RNA聚合酶保护区结构基因33
第16页：TATA盒CAAT盒GC盒增强子顺式作用
TATA盒CAAT盒GC盒增强子顺式作用元件结构基因-GCGC---CAAT---TATA转录起始真核生物启动子保守序列
第17页：转录起始转录起始需解决两个问题
- 1）转录起始转录起始需解决两个问题：1.RNA聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域。
- 2.DNA双链解开，使其中的一条链作为转录的模板。
- （四）原核生物的转录过程
第18页：RNA聚合酶全酶与模板结合3.在
- 2. DNA双链解开
- 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 +NTP5-pppGpN-OH 3+ ppi转录起始过程
第19页：亚基脱落
- 2）转录延长
- 1.亚基脱落，RNA–pol聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，沿着DNA模板前移
- 2.在核心酶作用下，NTP不断聚合，RNA链不断延长。(NMP)n+NTP(NMP)n+1+PPi
第20页：转录空泡：RNA-
转录空泡(transcription bubble)：RNA-pol（核心酶）····DNA····RNA
第21页：
第22页：53DNA原核生物转录过程中的羽毛状现象
53DNA原核生物转录过程中的羽毛状现象核糖体RNARNA聚合酶
第23页：依赖Rho 因子的转录终止非依赖
- 依赖Rho (ρ)因子的转录终止非依赖Rho因子的转录终止3）转录终止指RNA聚合酶在DNA模板上停顿下来不再前进，转录产物RNA链从转录复合物上脱落下来。
- 分类
第24页：A T P1.依赖
第25页：非依赖Rho因子的转录终止
2.非依赖Rho因子的转录终止DNA模板上靠近终止处，有些特殊的碱基序列，转录出RNA后，RNA产物形成特殊的结构来终止转录。
第26页：非依赖Rho因子的转录终止（续）
5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU... 3`5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU... 3`RNA5TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT... 3DNAUUUU...…UUUU...…5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU... 3`茎环(stem-loop)/发夹(hairpin)结构
第27页：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。5´pppG5335RNA-pol
第28页：真核生物的转录起始1）转录起始真核生物的
（五）真核生物的转录起始1）转录起始真核生物的转录起始上游区段比原核生物多样化，转录起始时，RNA-pol不直接结合模板，其起始过程比原核生物复杂。
第29页：转录起始前的上游区段
- 转录起始点TATA盒CAAT盒GC盒增强子顺式作用元件(cis-acting element)
- 1.转录起始前的上游区段AATAAA切离加尾转录终止点修饰点外显子翻译起始点内含子OCT-1OCT-1：ATTTGCAT八聚体
第30页：转录因子能直接
- 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聚合酶的，则称为转录因子(transcriptionalfactors, TF)。
第31页：参与RNA-
参与RNA-polⅡ转录的TFⅡ
第32页：转录起始前复合物真核生物
3.转录起始前复合物(pre-initiation complex, PIC)真核生物RNA-pol不与DNA分子直接结合，而需依靠众多的转录因子。
第33页：复合物
POL-ⅡTFⅡFⅡAⅡB由RNA-PolⅡ催化转录的PICPOL-ⅡTFⅡFⅡHⅡETBPTAFTFⅡD-ⅡA-ⅡB-DNA复合物TATAⅡAⅡBTBPTAFTATAⅡHⅡECTD-PPIC组装完成，TFⅡH使CTD磷酸化
第34页：转录延长真核生物转录延长过程与原核生物大
- 2）转录延长真核生物转录延长过程与原核生物大致相似，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。
- 转录延长过程中可以观察到核小体移位和解聚现象。
第35页：核小体转录延长中的核小体移位转录方向
RNA-PolRNA-PolRNA-Pol核小体转录延长中的核小体移位转录方向
第36页：转录终止的修饰点加尾
5------AAUAAA-5------AAUAAA--核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAA GTGTGTG转录终止的修饰点55333加尾AAAAAAA······ 3mRNA3）转录终止——和转录后修饰密切相关。
第37页：剪接2.剪切3.修饰4.添加二
- 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)
- 二、RNA转录后的修饰Post-transcriptional Modification
第38页：真核生物mRNA的转录后加工
- （一）真核生物mRNA的转录后加工
- 1、首、尾的修饰
- •5端形成帽子结构(m7GpppGp—)
- •3端加上多聚腺苷酸尾巴(poly A tail)
第39页：帽子结构
帽子结构
第40页：磷酸酶Pi
5pppGp…5GpppGp…pppGppi鸟苷酸转移酶5m7GpppGp…甲基转移酶SAM帽子结构的生成5ppGp…磷酸酶Pi
第41页：核内的初级
- 2）mRNA的剪接1.hnRNA和snRNA
- •核内的初级mRNA称为杂化核RNA (hetero-nuclear RNA, hnRNA)
- •snRNA (small nuclear RNA)核内的蛋白质小分子核糖核酸蛋白体（并接体,splicesome）snRNA
第42页：真核生物结构基因
- 真核生物结构基因
- 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。断裂基因(splite gene)CABD编码区A、B、C、D非编码区
第43页：外显子在断裂基因及其初级转录产物上出现
- 2.外显子(exon)和内含子(intron)
- •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
第44页：鸡卵清蛋白基因
鸡卵清蛋白基因hnRNA首、尾修饰hnRNA剪接成熟的mRNA鸡卵清蛋白基因及其转录、转录后修饰
第45页：鸡卵清蛋白成熟
鸡卵清蛋白成熟mRNA与DNA杂交电镜图DNAmRNA
第46页：内含子的分类根据基因的类型和剪接的方式
- 3.内含子的分类根据基因的类型和剪接的方式，通常把内含子分为4类。
- I：主要存在于线粒体、叶绿体及某些低等真核生物的rRNA基因；
- II：也发现于线粒体、叶绿体，转录产物是mRNA；
- III：是常见的形成套索结构后剪接，大多数mRNA基因有此类内含子；
- IV：是tRNA基因及其初级转录产物中的内含子，剪接过程需酶及ATP。
第47页：mRNA的剪接——除去
- 4. mRNA的剪接——除去hnRNA中的内含子，将外显子连接
- •snRNP与hnRNA结合成为并接体
第48页：mRNA的剪接——除去（续）
②③UACUACA-AGUGU4U5U6E1E2U1U2UACUACA-AGUGU6E1E2U1、U4、U5
第49页：pG-OHU-OHGpUpGpA第一次转
pG-OH(ppG-OH, pppG-OH)U-OHGpUpGpA第一次转酯反应第二次转酯反应UpAGpU外显子1内含子外显子2G-OHUpUpGpA
第50页：RNA编辑作用说明
- • 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)
- 5. mRNA的编辑(mRNA editing)人类apo B基因mRNA（14500个核苷酸）肝脏apo B100（分子量为500 000）肠道细胞apo B48（分子量为240 000）mRNA编辑
第51页：tRNA的转录后加工
（二）tRNA的转录后加工tRNA前体RNA polⅢTGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNA
第52页：RNAaseP、内切酶
RNAaseP、内切酶
第53页：tRNA核苷酸转移酶
tRNA核苷酸转移酶、连接酶ATPADP
第54页：碱基修饰还原反应如
- 碱基修饰
- （2）还原反应如：UDHU
- （3）核苷内的转位反应如：Uψ
- （4）脱氨反应如：AI如：AAm
- （1）甲基化
- （1）
- （1）
- （3）
- （2）
- （4）
第55页：rRNA的转录后加工转录45S-
（三）rRNA的转录后加工转录45S-rRNA剪接18S-rRNA5.8S和28S-rRNArDNA内含子内含子28S5.8S18S
第56页：真核生物与原核生物转录的异同点P212－
三、真核生物与原核生物转录的异同点P212－213相同点：不同点：四点
第57页：核酶具有酶促活性的
- 四、核酶具有酶促活性的RNA称为核酶。
- 核酶(ribozyme)
第58页：四膜虫rRNA内含子的二级结构四膜虫
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
第59页：最简单的核酶二级结构——槌头状结构底物部
- •最简单的核酶二级结构——槌头状结构(hammerhead structure)底物部分
- •通常为60个核苷酸左右
- •同一分子上包括有催化部份和底物部份
- •催化部份和底物部份组成锤头结构
- •除rRNA外，tRNA、mRNA的加工也可采用自我剪接方式
第60页：具有催化活性的片段
GOH3´G5´OH5´3´GOH414G3995´3´3955´3´E1E2I四膜虫RNA的自我剪接5´3´L19RNA具有催化活性的片段
第61页：核酶研究的意义核酶的发现
- •核酶研究的意义核酶的发现，对中心法则作了重要补充；
- 核酶的发现是对传统酶学的挑战；
- 利用核酶的结构设计合成人工核酶。
第62页：粗线表示合成的核酸分子
- 人工设计的核酶
- •粗线表示合成的核酸分子
- •细线表示天然的核酸分子
- •X表示一致性序列
- •箭头表示切断点
