第十二章
RNA 的生物合成(转录)
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转录RNA
翻译蛋白质DNA
RNA
(病毒)
复制
复制
翻译 蛋白质
(病毒)
逆转录
中心法则( The central dogma ) :
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DNA 复制与转录的比较性 质 复 制 转 录
相同点
模 板 两股链均复制 模板链转录合成方式 半保留复制 不对称转录原 料 dNTP NTP
聚合酶 DNA 聚合酶 RNA 聚合酶碱基配对 A-T , G-C A-U , T-A , G-
C
产 物 半保留的双链 DNA 单链 RNA
不同点
以 DNA 为模板遵循碱基配对原则都需依赖 DNA 的聚合酶聚合过程都是生成磷酸二酯键新链合成方向为 5’→3’
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第一节 模板和酶一、 转录模板
1 结构基因 (structural gene):
能转录出 RNA 的 DNA 区段。2 不对称转录 (asymmetric transcription):
DNA 的一些区段可以转录出 RNA ,另一些不能转录出 RNA 。
在 DNA 双链上,一股链可转录,另一股链不转录;转录区不总是在同一单链上。
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5’
3’ 5’
3’
2. 方框内的 DNA 区段为结构基因3. 为模板链,也称有意义链或 Watson链
1. 箭头示转录产物及转录方向
4. 为编码链,也称反义链或 Crick 链
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5’…G C A G T A C A T G T C…3’3’…c g t c a t g t a c a g…5’ DNA
5’…G C A G U A C A U G U C…3’ mRNA
N… Ala Val His Val …C 多肽链
转录
翻译
编码链
模板链
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RNA 聚合酶 (RNA pol) 也称转录酶( transcriptase) ,全称依赖 DNA 的 RNA 聚合酶 (DDRP) 。
原核生物( E . Coli ) RNA pol 由 α2ββ′ σ 共 5 个亚基组成。
α 2ββ′ α2ββ′ σ
核心酶 core enzyme
二、 RNA 聚合酶
全酶holoenzyme
σ 亚基+ σ
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(一)原核生物的 RNA 聚合酶
β 聚合功能
σ 识别转录起始点β′ 解链
表 12-2 大肠杆菌 RNA 聚合酶亚基的功能
类型 主 要 功 能α 决定哪些基因被转录
被利福平抑制
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α αβ
β’
TTGACA
TATAAT
-35
图 12-3 原核生物的 RNA 聚合酶及其在 转录起始区的结合
σ
-10
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σ 70 σ 32Heat shock protein (HSP)
热休克蛋白应激
(二)真核生物的 RNA 聚合酶
表 12-3 真核生物 RNA pol 的种类与功能
种类 转录产物 对鹅膏蕈碱的敏感性
RNA polⅠ RNA polⅡ RNA pol Ⅲ
45S 是 5.8S 、 18S 和 28S rRNA 的前体hnRNA 是 mRNA 的前体
45S rRNA 不敏感hnRNA 和 snRNA 极敏感
tRNA 和 5S-rRNA 中度敏感
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P S1 S2 S3
启动子
O
Promoter
调控序列 结构基因
操纵子( operon )
结合 RNA 聚合酶
表达功能蛋白
?I
三、模板与酶的辨认结合
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操纵子( operon ) : 原核生物的转录单位
RNA 聚合酶保护区 结构基因
终止点
10-10
TTGACA TATAAT
转录开始+1
翻译开始
Purine
-35
( Pribnow box )辨认结合区 转录起始区
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第二节 转录过程
起始延长终止
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GpN
结构基因
RNA pol 识别结合
生成起始复合物
转录延长
转录终止
转录空泡
也称转录复合物,是 RNA聚合酶的核心酶, DNA 模板和转录产物RNA 结合在一起的复合物。
启动子 终止区
pppG
pppG14/50
图 12-8 原核生物的转录空泡 (transcription bubbl
e)
α αβ
β ′
RNA
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(一)原核生物的转录起始
σ 亚基辨认 -35 区
RNA pol 全酶移向 -10 区
合成第一个磷酸二酯键 5’-pppGpN-OH-3’
转录起始复合物
RNA pol(αββ′σ ) —DNA—pppGpN-OH
σ 亚基脱落
(结合松弛)
(结合紧密)
转录起始不需引物!16/50
( 二)真核生物的转录起始
转录起始点上游多数有共同的 5’-TATA 序列,称为 Hogness 盒或 TATA 盒。
不同物种、不同细胞、不同的基因,可以有不同的上游 DNA 序列,但都可统称为顺式作用元件 (cis-acting element) 。
与基因表达调控有关的 DNA 非编码序列,统称为顺式作用元件。
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真正转录终止点
GCGC-CAAT-TATA-ATG AATAAA
修饰点
外显子内含子
翻译起始
转录起始TATA 盒 (Hogness box)
CAAT盒 GC
盒增强子
切离加尾
图 12-9 真核生物 RNA pol Ⅱ转录的基因
翻译终止
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能直接或间接辨认、结合顺式作用元件,从而调节基因表达的一类蛋白质因子。
反式作用因子中,直接或间接结合 RNA聚合酶的蛋白质因子。
反式作用因子 (trans-acting factor)
转录因子 (transcriptional factor, TF)
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拼板理论Piecing theory
表 12-4 参与 RNA-pol Ⅱ转录的 TFⅡ
转录因子 功 能
TF AⅡ 稳定 TF DⅡ 结合TF BⅡ 促进 pol Ⅱ结合
TF DⅡ 辨认 TATA盒
TF EⅡ ATPase
TF FⅡ 解旋酶
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TFⅡD
TF ⅡA TFⅡB RNA polyⅡ/TFⅡFTFⅡEPIC
DTATA
BF
EDNA
起始前复合物( Pre-Initiation Complex, PIC)
A
RNA polyⅡ
TATA
起始前复合物( PIC )的生成真核生物的转录起始 :
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RNA pol
二、转录延长
转录复合物:酶 -DNA-RNA :转录空泡
RNA
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G-C > A-T > A-U
原核生物转录延长与蛋白质合成同时进行
多个转录同时进行
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三、转录终止(一)原核生物的转录终止
1. 依赖 ρ 因子的转录终止
2. 不依赖 ρ 因子的转录终止
ρ 因子
1. 识别结合富含 C 的 RNA 链功能
2. ATPase 活性3. 解螺旋酶活性
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ρ 因子
+ATP
5′
3′
Polymerase
富含 C
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DNA pol
5′
3′
RNA pol失活
ρ 因子解螺旋,使 RNA 脱落
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RNA 转录后,形成特殊的结构,以终止转录。
2. 不依赖 ρ 因子的转录终止
特点: 1. RNA 单链内部接近终止区域有富含 G-C 配对区,形成稳定的二级结构。
2. 在发夹结构的下游有 poly U 结构。
茎环( stemloop )或发夹( hairpin )结构
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UUGCAGCCUGAGAAAUCAGGCUGAUGG…
5’ 3’
…
5’ 3’
自发形成发夹结构( E.coli rpl-L 3’末端)
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AUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUU5’ 3’
UUUU……5’ 3’
自发形成茎环结构
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UUUU………..5’ 3’
1.茎环结构改变 RNA pol 的结构,使其失活
2.茎环结构的形成使转录复合物趋于解体,poly U 加速这一过程。
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(二)真核生物的转录终止AAUAAA GUGUGUG
AATAAA GTGTGT
3′processing (核酸内切酶)
—AAUAAA—Poly(A)
NucleaseHelicase
hnRNA
5’
Release
转录终止修饰点
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第三节 真核生物的转录后修饰一、真核生物 mRNA 前体( hnRNA )转录后修饰
(一)首、尾的修饰
在 hnRNA 5’端加上 m7G
在 hnRNA 3’端加上 poly A
(二)剪接( splicing )
剪去内含子,并接外显子
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5´GpppG…鸟苷酸转移酶
5´ m7GpppG……甲基转移酶
磷酸酶
PPi
5´pG…5´pppG…
GTP
SAM SAH
hnRNA + nATPpoly A 聚合酶
Mg2+ mRNA-(A)n +nPPi
加帽
加尾
Pi
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加帽加尾的意义:
1. mRNA 稳定性所需2. 蛋白质翻译所需
3. polyA 尾与 mRNA 转位有关
N
NH
N
N+
NH2
CH3
O
OH OH
O P
O
OH
O P
O
OH
O P
O
OH
OO
Base
OHO
P+
OH
OH
O-----AAAAAAAAA-OH
O
G
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(二)真核生物 mRNA 的剪接
1. hnRNA (heterogeneous nuclear RNA)
核内小型 RNA ,与核内的某些蛋白质组成并接体( splicesome ),参与 hnRNA 的剪接。
不均一核 RNA ,核内未被剪接的有内含子的 mRNA 前体。
2. snRNA (small nuclear RNA)
种类: U1 , U2 , U3 , U4 , U5 , U6等。
几个重要概念
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4. 断裂基因 (splite gene)
真核生物的结构基因中,外显子被内含子间隔开,但连续镶嵌,为一个连续完整的蛋白质编码。这种基因称为断裂基因。
3. 外显子 (exon) 和内含子 (intron)
真核生物结构基因中的编码序列,称为外显子,非编码序列称为内含子。
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成熟的 mRNA
hnRNA
胰岛素基因
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E1 E2 E35’— —3′S Pre B C C A
5’— —3′S Pre B C C A
真核生物 mRNA 的剪接的过程
1. 并接体识别结合 hnRNA 内含子 5’ 及 3’ 区域
2. 形成套索 RNA(lariat RNA) ,外显子靠近
3. 两步转酯反应,切去内含子,连接外显子
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外显子内含子
DNA
mRNA
转录
形成套索 RNA ,外显子靠近并接体
去除套索 RNA ,外显子连接
成熟mRNA39/50
CAUUCAU AUGAUGU
外显子 1 外显子 2
GUAAGUA UACUACA AG5’ 3’
内含子
分支点
U1U2并接体
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O—P-O-GU A AG-O—P-OE1 E2
OHE1 A AG-O —P-O
E2
UGO
PO
O-P-OE1 E2 +
A AG-OH
UGO
PO
intron
2’-OH
第一步转酯
第二步转酯
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内含子的功能,两种观点:
1. 内含子是在进化中出现和消失的,是进化过程中的遗迹,无实质性意义。
2. 在基因表达中有调控功能。
其他种类的内含子rRNA 及 tRNA 基因内含子
外显子是断裂基因中可表达的序列,内含子是隔断基因线性表达的序列。
内含子有时可被翻译有的内含子在翻译后剪切
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二、 tRNA 的转录后加工
tRNA 的初级转录产物
RNA pol III Intron Exon
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加工
tRNA 的初级产物 成熟 tRNA
内切酶外切酶连接酶
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tRNA 转录后各种稀有碱基的生成
(2)还原反应: U DHU
(3) 核苷内的转位反应: U
(4) 脱氨反应: A I
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(1)甲基化: m7GG
NH
NH
O
O NH
NH
O
O N
NH
O
O
R
H2
H2 NH
NH
O
O
R
1
5
N
NN
NNH2
OH CH3
RN
NHN
N
O
R
N
NN
N
R
NH2
m7G I
U DHU ( psi )
A
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三、 rRNA 的转录后加工 真核生物 rRNA 的基因属于丰富基因 (redunda
nt gene)族的 DNA 序列,也即高度重复的串联基因 (tandem gene) ,或称为高度重复序列 DN
A 。
45s rDNA 45s rRNA18s , 5.8s ,28s rRNA
RNA pol I
45s rDNA间隔区 (spacer) 内含子外显子
5s rDNA 5s rRNARNA pol III
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rRNA 的剪接不需要任何蛋白质参与即可发生,说明 rRNA本身就有酶的催化作用。
具有酶促活性的 RNA 。核酶 (ribozyme) :
核酶发现的意义:1. 对传统酶学提出挑战2. 生物进化中的意义3. 潜在的基因治疗的有力工具
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切割点
槌头型 (hammerhead structure) 核酶的结构
G U G N N NNN
N N NNN
3' 5'
N C A A NNN A NNN A C N A
N
C U G
1. 至少有 3 个茎2. 1— 3 个环3. 至少有 13 个 保守碱基
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切割点
切割点
XX
XN
XX
X 5’3’
XX
X XX
X5’ 3’
XX
XN X X
X
XX
X
5’
3’
XX
XX
5’
3’
紫色为人工合成的核酶
黑色为被切割的天然 RNA
X 为保守序列
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