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第十一章 RNA 的生物合成 (Biosynthesis of RNA)

第十一章 RNA 的生物合成 (Biosynthesis of RNA). 第一节 RNA 转录合成的特点 第二节 RNA 转录合成的条件 第三节 RNA 转录合成的基本过程 第四节 RNA 转录后的加工修饰. 第一节 RNA 转录合成的特点. ◆ 定义： 在 RNA 聚合酶的催化下 , 以一段 DNA 链为模板合成 RNA, 从而将 DNA 所携带的遗传信息传递给 RNA 的过程称为 转录。. 模 板 原 料 酶 产 物 配 对 方 向 引 物. DNA( 不对称转录）

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第十一章 RNA 的生物合成 (Biosynthesis of RNA)

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  1. 第十一章 RNA的生物合成 (Biosynthesis of RNA) 第一节 RNA转录合成的特点 第二节 RNA转录合成的条件 第三节 RNA转录合成的基本过程 第四节 RNA转录后的加工修饰

  2. 第一节RNA转录合成的特点 ◆定义：在RNA聚合酶的催化下,以一段DNA链为模板合成RNA,从而将DNA所携带的遗传信息传递给RNA的过程称为转录。 模 板 原 料 酶 产 物 配 对 方 向 引 物 DNA(不对称转录） NTP RNA聚合酶 tRNA,rRNA, mRNA,snRNA,hnRNA A-U,T-A,G-C 5’ 3’ 不需要

  3. 一. 转录的不对称性 ◆以双链DNA中的一条链作为模板进行转录,从而将遗 传信息由DNA传递给RNA； ◆对于一个基因组来说，转录只发生在一部分基因，而每个基因的转录都受到相对独立的控制。 转录方向5’ 3’ 模板链

  4. ◆对于不同的基因来说，其转录信息可以存在于两条不同的DNA链上。与mRNA 序列完全相同的那条DNA链称为有意义链(编码链），而与mRNA互补的另一条DNA链称为反意义链（模板链）。 ◆有意义链与反意义链并非固定不变。 无意链 gene1 5’ 5’ 3’ 3’ 5’ 5’ 有意链 gene2

  5. 二.转录的连续性且不需要引物 ◆RNA转录合成时，以DNA作为模板，在RNA聚合酶的催化下，连续合成一段RNA链，各条RNA链之间无需再进行连接。 ◆合成的RNA中，如只含一个基因的遗传信息，称为单顺反子；如含有几个基因的遗传信息，则称为多顺反子。 三.转录的单向性 ◆RNA转录合成时，只能向一个方向进行聚合，所依赖的模板DNA链的方向为3'→5'，而RNA链的合成方向为5'→3'。

  6. 四.有特定的起始和终止位点 ◆RNA转录合成时,只能以DNA分子中的某一段作为模板,故存在特定的起始位点和特定的终止位点,特定起始点和特定终止点之间的DNA链构成一个转录单位,通常由转录区和有关的调节顺序构成。 ◆转录起点：指与新生新生RNA链第一个核苷酸相对应的DNA链上的碱基。 ◆上游（Upstream）:转录起点前面即5’末端的序列 ◆下游（Downstream）:转录起点后面即3’末端的序列

  7. 转录起点(startpoint)：指RNA开始转录的第一个碱基，此点通常用+1表示转录起点(startpoint)：指RNA开始转录的第一个碱基，此点通常用+1表示 上游(upstream)：转录起点的左侧，用负的数码表示 下游(downstream)：转录起点右侧（转录区），用正的数码表示 正链： 与mRNA序列相同的链为正链。（编码链） 负链： 与mRNA序列互补的链为负链。（模板链）

  8. 转录起点 5/ 负（模）3/ 上游（—） 下游（+） 3/ -1 +1 正（编） 5/ mRNA 互补于负链

  9. RNA合成不同于DNA合成之处 • RNA聚合酶不需要引物 • RNA聚合酶没有核酸酶的活性，在RNA合成过程中不起较对作用 • 转录是不对称的 即仅用DNA双链中某一条链作为模板进行转录，有时是这条链的某区段，有时是另一条链的某区域具有模板作用，对于一个基因组来讲，转录只发生在一部分基因，而且每一个基因的转录都受到相对独立的控制。 • 转录后DNA模板成分无改变

  10. 第二节 RNA转录合成的条件 一.底物 四种核糖核苷酸，即ATP，GTP，CTP，UTP。 二.模板 以一段单链DNA作为模板。

  11. 三. 依赖DNA的RNA聚合酶（DDRP） (一) RNA聚合酶的特点： ◆以DNA为模板； ◆都以四种三磷酸核苷为底物（原料）； ◆都遵循DNA与RNA之间的碱基配对； ◆RNA链的延长方向是5’→3’的连续合成； ◆需要Mg2+或Mn2+离子； ◆并不需要引物；

  12. 3´ 5´ RNA聚合酶催化的反应 U 5´ A C G G C U A 3´ 模板DNA 新合成RNA

  13. （二）大肠杆菌的RNA聚合酶 （7000个分子/细胞） ◆全 酶：α2ββ’σω，465kD，与RNA链的起始有关 ◆核心酶:α2ββ’ω，与RNA链的延长有关 ◆σ亚基与转录起始点的识别有关 功能 亚基 与模板DNA结合（开链） 起始和催化合成（催化） 识别起始点，稳定全酶 决定哪些基因被转录, (转录的特异性) β’ β σ α

  14. 枯草杆菌中：σ43 ，σ37 ，σ32 ，σ29 ， σ28 ，σ54

  15. (三) 真核生物RNA聚合酶 ◆按其对α-鹅膏蕈碱敏感性而分为三种； ◆均由10～12个大小不同的亚基所组成，结构非常复杂，其功能也不同。 类型 ◆Ⅰ ◆ Ⅱ ◆ Ⅲ 定 位 核 仁 核基质 核基质 对鹅膏蕈碱 的反应 不敏感 高度敏感 中度敏感 转录产物 rRNA:18s,5.8s,28s hnRNA, snRNA tRNA ,5srRNA

  16. ◆12 or more subunit • ◆ All contain subunits homologous to the subunits of • the E. coli RNA Pol core (2’). • ◆at least five other subunits are common • ◆Each RNA Pol contain additional four or seven • specific subunit

  17. 酵母RNA聚合酶Ⅰ和Ⅱ

  18. 某些常用的转录抑制剂

  19. 四. 启动子和转录因子 启动子(promoter)： 指RNA聚合酶识别，结合和开始转录的一段DNA序列。 Promoter确定方法： 足迹法（footprint）+DNA测序法

  20. 足迹法确定启动子序列

  21. sextama box(-35区)：RNA聚合酶识别位点，该序列提供了RNA聚合酶识别的信号。 • Pribnow box(-10区)：RNA聚合酶牢固结合位点，此处AT含量多，有助于DNA局部双链解开。

  22. 真核生物的启动子 • 1）  -25bp~-30bp TATA box DNA解链开始转录位置 • 2）  CAAT box -75左右，与RNA聚合酶结合有关 • 3）  更上游 GC box转录因子结合其上 转录因子：RNA聚合酶在进行转录时常需一些辅助因子（蛋白质）参与作用，称之为转录因子。

  23. 五. 终止子和终止因子 1、终止子(terminator) 　　提供转录停止信号的DNA序列称终止子。 终止子的特点(原核生物)： 1）在终止点之前均有一个廻文结构 →RNA可形成发夹结构 2）E.coli的两类终止子： a.不依赖于ρ的终止子；b.依赖于ρ的终止子

  24. 2、终止因子（terminator factors） 　　协助RNA聚合酶识别终止信号的辅助因子（蛋白质），如ρ因子。 1)．ρ蛋白：这是一种六聚体的蛋白质，亚基的分子量为50kD。该蛋白因子能识别终止信号，并能与RNA紧密结合，导致RNA的释放。 2)．nusA蛋白：为一分子量69kD的酸性蛋白，它能与RNA及RNA聚合酶相结合，在终止部位使两者被释放。

  25. 终止子和终止因子

  26. 六.激活因子 目前已知激活因子为降解产物基因激活蛋 白(CAP),又称为cAMP受体蛋白(CRP)。是 一种二聚体蛋白质，亚基分子量为23kD。 该蛋白与cAMP结合后，刺激RNA聚合酶与 起始部位结合，从而起始转录过程。

  27. 第三节 RNA转录合成的基本过程 一. 原核生物RNA转录合成的基本过程 • 启动子序列的识别 • RNA转录的起始 • RNA链的延伸 • 转录的终止

  28. 1.启动子序列的识别 ◆启动子（promoter) 位于基因上游,与RNA聚合酶识别,结合并起始转录有关的一些DNA序列(双链)。 ◆原核生物启动子的特点: (1)DNA序列在转录起始点的5’端区(上游区) (2)-10区：TATAAT(pribnow box)，牢固结合位点，解链区 (3)-35区：TTGACA(sextama box)，σ因子识别位点 (4)相距16-19bp：为聚合酶提供合适的空间结构

  29. （Sextama box） 上升突变：TATGTT→TATATT lac转录水平↑ 下降突变：TATAAT→AATATT rrnD1、rrnE1 转录水平↓ 一致序列 17bp最佳

  30. ◆CAP位点（Catabolite Activator Protein binding site） CRP位点（cAMP receptor protein binding site ） 在启动子上游，可与CAP蛋白结合，促进RNA聚合酶与启动子区结合或诱导解链 具有反向重复序列

  31. ◆识别过程 全酶与DNA分子随机结合，形成松弛复合物 σ因子在DNA双链寻找启动子 σ因子识别转录起始点（-35区），促使形成 封闭复合物，并滑动到-10区

  32. 2 起始 ◆RNA聚合酶全酶促使局部双链解开 ◆“关闭”复合体转变为“开放”复合体 ◆并催化ATP或GTP与另外一个三磷酸核苷聚合，形 成第一个3',5'-磷酸二酯键。 GpN Transcription bubble（转录空泡） Also called transcription complex (转录复合物), including core enzyme, template, and transcripts.

  33. 3 延长 • σ因子从全酶上脱离. • DNA的解链和重复螺旋化 • 余下的核心酶继续沿DNA链移动，连续聚合RNA. The  cycle

  34. DNA RNA 5’

  35. 4 终止 ◆终止子：DNA转录的终止信号(terminator) ◆不依赖ρ因子的终止子:内在终止子（intrinsic terminator ） DNA顺序有双重对称(dyad),富含GC,可形成茎环结构DNA 模板链中有一串约6个A，转录为RNA3'端的U 3’ 5’

  36. 自动终止

  37. ◆依赖ρ因子的终止子（ρ-dependent terminator） 有发夹结构，但GC含量少 无U串 系列U 依赖于Rho（）的终止子 不依赖于Rho（）的终止子 大肠杆菌两类终止子的回文结构

  38. 依赖ρ因子的终止 functions ◆Binding the C-rich region of transcripts ◆ATPase ◆helicase ρfactor AUCGCUACCUCAUAUCCGCACCUCCCUCAAACGCUACCUCGACCAGAAAGGCGUCUCUU

  39. 5 抗终止 （1）破坏终止位点RNA的茎环结构 如一些控制氨基酸合成的操纵元。 （2）依赖于蛋白质因子的转录抗终止 λ噬菌体N基因编码的N蛋白具有抗转录作用，但必需有寄主所产生的几种蛋白质的同时存在才能发挥其功能．它们是NusA，NusB，S10和2.5*104蛋白等，上述几种蛋白质结合到终止子附近的Nut位点是实现抗转录终止的必要条件．Nut位点中含有CGCTCTTA的box A和一个二重对称序列，N蛋白能识别后者转录所形成的茎-环结构并与之结合．NusA以二聚体的形式存在，一个亚基与此同时RNA聚合酶结合，另一个亚基与Ｎ蛋白结合．

  40. 抗终止 终止

  41. 酶 酶   NTP  的释放与循环 酶 酶 NTP RNA链延长 P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P RNA 起始位点 终止位点 DNA 3 5 3 5 及酶 RNA、 与酶结合 的释放  酶 识加起始位点 RNA聚合酶 3 酶 5  5 3  与RNA结合  转录开始 原核RNA的转录过程 圆圈表示RNA聚合酶的核心酶部分（α2ββ’）。σ因子参与识别特异的启动子，它与核心酶一起结合到DNA模板的起始位置上。以NTP为原料，全酶催化RNA合成。当RNA链延长到大约10核苷酸时，σ因子从全酶上脱离，参与另外一次循环。核心酶沿着DNA模板移动，继续延长RNA链。当RNA聚合酶遇到了终止信号不能再继续前进，便在ρ因子作用下与模板链脱离，RNA合成终止。核心酶参与另外一次循环。

  42. 二.真核生物的转录过程 GCGC-CAAT-TATA-ATG AATAAA Cleavage, polyadenylation Signal for processing intron End for transc. exon End for transl. Start for translation Start for transcription TATA box (Hogness box) CAAT box GC box Enhancer （增强子） structure of gene transcribed by RNA pol Ⅱ

  43. ◆顺式作用元件（cis-acting element） 与基因表达调控有关的DNA序列 如:启动子,增强子TATA区上游的保守序列称为上游启动子元件（upstream promoter element，UPE）或上游激活序列（upstream activating sequence，UAS） ◆反式作用因子（transacting factor） 转录因子：TF 识别并作用于顺式作用元件的蛋白质因子

  44. 1 真核生物启动子 ◆RNA聚合酶I的启动子：转录5.8S,18S,28S rRNA在转录起始点的5’端区(上游区) 上游控制元件和核心启动子 18S 5.8S 28S 18S 5.8S 28S NTS NTS ETS ITS1 ITS2 ETS ITS1 ITS2 上游控制元件 增强转录效率 核心启动子 起始转录 -180 -107 -45 +1

  45. ◆RNA聚合酶II的启动子(mRNA和SnRNA) DNA序列在转录起始点的5’端区(上游区)-25bp:TATA盒（Hogness box）,识别起始位点-75bp:CAAT盒(CAATCT) -110bp:GC盒(GGGCGG) -110bp -75bp

  46. Mutations in promoter sequence have serious consequences

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