生物化學(xué)課件第十一章轉(zhuǎn)錄

1、 RNA Biosynthesis (Transcription)RNA 生物合成生物合成 (轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄)第十一章第十一章轉(zhuǎn)錄（轉(zhuǎn)錄（transcription） 生物體以生物體以DNA為模板合成為模板合成RNA的過(guò)程的過(guò)程 。 轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄RNADNA 轉(zhuǎn)錄與復(fù)制的相似點(diǎn)：轉(zhuǎn)錄與復(fù)制的相似點(diǎn)：1. 模板均為模板均為DNA；2. 延長(zhǎng)機(jī)理都是形成磷酸二酯鍵；延長(zhǎng)機(jī)理都是形成磷酸二酯鍵；3. 方向均為方向均為53。 轉(zhuǎn)錄和復(fù)制的區(qū)別轉(zhuǎn)錄和復(fù)制的區(qū)別復(fù)制復(fù)制轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄模板模板DNA雙雙鏈鏈DNA的的一條一條鏈鏈原料原料dNTP (N=A、G、C、T)NTP(N=A、G、C、U)引物引物需要需要不不需要需要

2、酶酶DNA聚合酶聚合酶RNA聚合酶聚合酶產(chǎn)物產(chǎn)物DNARNA配對(duì)配對(duì)A-T、G-CA-U、T-A、G-C參與轉(zhuǎn)錄的物質(zhì)參與轉(zhuǎn)錄的物質(zhì)原料原料: NTP（ATP, UTP, GTP, CTP）模板模板: DNA酶酶: RNA聚合酶（聚合酶（RNA polymerase, RNA-pol）其他蛋白質(zhì)因子其他蛋白質(zhì)因子 第一節(jié)第一節(jié)轉(zhuǎn)錄的模板和酶轉(zhuǎn)錄的模板和酶Templates of Transcription and Enzymes 一、轉(zhuǎn)錄模板一、轉(zhuǎn)錄模板5335結(jié)構(gòu)基因（structural gene） 雙鏈雙鏈DNA分子中能作為模板轉(zhuǎn)錄出分子中能作為模板轉(zhuǎn)錄出RNA的那條鏈，稱為的那條鏈，稱

3、為模板鏈模板鏈。又叫無(wú)意。又叫無(wú)意義鏈（義鏈（ antisense strand ）。）。 另一條互補(bǔ)鏈稱為另一條互補(bǔ)鏈稱為編碼鏈編碼鏈，又叫有，又叫有意義鏈（意義鏈（ sense strand ）。）。 轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA的堿基序列，除了的堿基序列，除了 T 變變U 外，其余與編碼鏈相同。外，其余與編碼鏈相同。G C A G T A C A T G T C533C G T C A T G T A C A G5DNA模板鏈編碼鏈轉(zhuǎn)錄RNAG C A G U A C A U G U C53 不對(duì)稱轉(zhuǎn)錄不對(duì)稱轉(zhuǎn)錄(asymmetric transcription) 在在DNA分子雙鏈上某一區(qū)段

4、，一股鏈分子雙鏈上某一區(qū)段，一股鏈可轉(zhuǎn)錄，另一股鏈不轉(zhuǎn)錄；可轉(zhuǎn)錄，另一股鏈不轉(zhuǎn)錄； 模板鏈并非永遠(yuǎn)在同一單鏈上。模板鏈并非永遠(yuǎn)在同一單鏈上。 二、二、RNA聚合酶（聚合酶（DDRP）1. 原核生物的原核生物的RNA聚合酶聚合酶E.coli的的RNA聚合酶是由四種亞基聚合酶是由四種亞基組成的核心酶（組成的核心酶（ 2 ）以及）以及 因因子組成。子組成。核心酶（core enzyme）全酶（holoenzyme） RNA聚合酶全酶及核心酶電泳圖譜聚合酶全酶及核心酶電泳圖譜 E. coli RNA聚合酶組分聚合酶組分亞基亞基分子量分子量功功 能能 3651236512決定哪些基因被轉(zhuǎn)錄決定哪些基因被

5、轉(zhuǎn)錄 150618150618催化功能催化功能 155613155613結(jié)合結(jié)合DNADNA模板模板 7026370263辨認(rèn)起始點(diǎn)辨認(rèn)起始點(diǎn) 其他原核生物的其他原核生物的RNA聚合酶，在結(jié)構(gòu)、聚合酶，在結(jié)構(gòu)、組成、功能上均與組成、功能上均與E.coli相似。相似。原核生物的原核生物的 RNA聚合酶都受一類抗聚合酶都受一類抗結(jié)核藥結(jié)核藥利福平利福平或或利福霉素利福霉素的特異性抑制。的特異性抑制。這類藥物能與這類藥物能與RNA聚合酶的聚合酶的 亞基特異結(jié)亞基特異結(jié)合，從而影響酶的活性。合，從而影響酶的活性。RNA聚合酶全酶在轉(zhuǎn)錄起始區(qū)的結(jié)合聚合酶全酶在轉(zhuǎn)錄起始區(qū)的結(jié)合 2.2. 真核生物的真核生

6、物的RNARNA聚合酶聚合酶種類種類IIIIII轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物45S-rRNA存在于存在于核仁中核仁中hnRNA存在于存在于細(xì)胞質(zhì)細(xì)胞質(zhì)中中5S-rRNAtRNA, snRNA存在于細(xì)胞存在于細(xì)胞質(zhì)中質(zhì)中對(duì)鵝膏蕈對(duì)鵝膏蕈堿的反應(yīng)堿的反應(yīng)不敏感不敏感極敏感極敏感中度敏感中度敏感 RNA聚合酶聚合酶、都由多個(gè)都由多個(gè)亞基組成。有些亞基是三種酶所共有。亞基組成。有些亞基是三種酶所共有。mRNA是各種是各種RNA中壽命最短、中壽命最短、最不穩(wěn)定的，需經(jīng)常重新合成。因此最不穩(wěn)定的，需經(jīng)常重新合成。因此RNA聚合酶聚合酶是三種酶中最活躍的。是三種酶中最活躍的。 三、酶與模板的辨認(rèn)結(jié)合三、酶與模板的辨認(rèn)結(jié)

7、合原核生物一個(gè)轉(zhuǎn)錄區(qū)段可視為一個(gè)轉(zhuǎn)原核生物一個(gè)轉(zhuǎn)錄區(qū)段可視為一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位，稱為錄單位，稱為操縱子操縱子(operon)，包括若干個(gè)，包括若干個(gè)結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因及其上游及其上游(upstream)的的調(diào)控序列調(diào)控序列。 RNA聚合酶結(jié)合模板聚合酶結(jié)合模板DNA的部位稱為的部位稱為啟動(dòng)子啟動(dòng)子(promoter)。是調(diào)控轉(zhuǎn)錄的關(guān)鍵部位。是調(diào)控轉(zhuǎn)錄的關(guān)鍵部位。5335調(diào)控序列結(jié)構(gòu)基因啟動(dòng)子RNA-pol RNA聚合酶聚合酶保護(hù)法保護(hù)法開(kāi)始轉(zhuǎn)錄開(kāi)始轉(zhuǎn)錄T T G A C AA A C T G T-35 區(qū)區(qū)T A T A A T Pu A T A T T A Py-10 區(qū)區(qū)1-30-5010-10-

8、40-205 3 3 5 原核生物啟動(dòng)子保守序列原核生物啟動(dòng)子保守序列5 5 RNA聚合酶保護(hù)區(qū)聚合酶保護(hù)區(qū)結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因3 3 N17TTAACTN7AN16TATGATN7AN17TATGTTN6AN16TATAATN7AN18TACTGTN6ATTTACATTTACATTGACATTGATACTGACGtrptRNATrplacrec Aara區(qū)區(qū)3510+1最大一致性TTGACATATAATx/4538 36 2937 37 2840 25 3041 29 44 原核生物啟動(dòng)子原核生物啟動(dòng)子35區(qū)：區(qū)：一致性序列為一致性序列為TTGACA是是RNA-pol的的辨認(rèn)位點(diǎn)辨認(rèn)位點(diǎn)10區(qū)：

9、區(qū)：一致性序列為一致性序列為TATAAT又叫又叫Pribnow盒盒是是RNA-pol的的結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合位點(diǎn) 真核生物啟動(dòng)子真核生物啟動(dòng)子結(jié)構(gòu)基因GCGCCAATTATA內(nèi)含子外顯子外顯子轉(zhuǎn)錄起始CAAT盒GC盒增強(qiáng)子順式作用元件TATA盒 (Hogness box) 第二節(jié)第二節(jié)轉(zhuǎn)錄過(guò)程轉(zhuǎn)錄過(guò)程The Process of Transcription 分為三個(gè)階段：分為三個(gè)階段：起始起始(initiation)延長(zhǎng)延長(zhǎng)(elongation)終止終止(termination)一、原核生物的轉(zhuǎn)錄過(guò)程一、原核生物的轉(zhuǎn)錄過(guò)程（一）轉(zhuǎn)錄起始（一）轉(zhuǎn)錄起始 1. RNA聚合酶結(jié)合在轉(zhuǎn)錄模板的起始區(qū)聚合酶結(jié)

10、合在轉(zhuǎn)錄模板的起始區(qū)域。域。2. DNA雙鏈解開(kāi)，以一條鏈為模板，合雙鏈解開(kāi)，以一條鏈為模板，合成第一個(gè)磷酸二酯鍵。成第一個(gè)磷酸二酯鍵。2. DNA雙鏈解開(kāi)。雙鏈解開(kāi)。1. RNA聚合酶全酶聚合酶全酶( 2)與模板結(jié)合。與模板結(jié)合。 3. 在在RNA聚合酶作用下發(fā)生第一次聚合反聚合酶作用下發(fā)生第一次聚合反應(yīng)，形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物。應(yīng)，形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物。5 -pppG -OH + NTP 5 -pppGpN - OH 3 + PPi轉(zhuǎn)錄起始過(guò)程轉(zhuǎn)錄起始過(guò)程 RNApol ( 2) - DNA - pppGpN- OH 3 轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物（二）轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)（二）轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)1. 亞基脫落，亞

11、基脫落，RNApol聚合酶核心酶變聚合酶核心酶變構(gòu)，與模板結(jié)合松弛，沿著構(gòu)，與模板結(jié)合松弛，沿著DNA模板前模板前移；移； 2. 在在核心酶核心酶作用下，作用下，NTP不斷聚合，不斷聚合，RNA鏈不斷延長(zhǎng)。鏈不斷延長(zhǎng)。(NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPi 轉(zhuǎn)錄泡轉(zhuǎn)錄泡（transcription bubble）： 在轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)過(guò)程中，由局部打開(kāi)的在轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)過(guò)程中，由局部打開(kāi)的DNA雙鏈雙鏈、RNA聚合酶核心酶聚合酶核心酶及新生成及新生成的的RNA三者結(jié)合在一起的復(fù)合體，為空三者結(jié)合在一起的復(fù)合體，為空泡狀結(jié)構(gòu)，又稱轉(zhuǎn)錄復(fù)合物。泡狀結(jié)構(gòu)，又稱轉(zhuǎn)錄復(fù)合物。 電鏡下原核生物轉(zhuǎn)錄過(guò)

12、程中的羽毛狀現(xiàn)象電鏡下原核生物轉(zhuǎn)錄過(guò)程中的羽毛狀現(xiàn)象 轉(zhuǎn)錄未完成，翻譯已開(kāi)始進(jìn)行。轉(zhuǎn)錄未完成，翻譯已開(kāi)始進(jìn)行。 轉(zhuǎn)錄的起始及延長(zhǎng)過(guò)程轉(zhuǎn)錄的起始及延長(zhǎng)過(guò)程 (三三) 轉(zhuǎn)錄終止轉(zhuǎn)錄終止RNA聚合酶在聚合酶在DNA模板上停頓下模板上停頓下來(lái)，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物來(lái)，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA鏈從轉(zhuǎn)錄復(fù)合物上脫鏈從轉(zhuǎn)錄復(fù)合物上脫落下來(lái)。落下來(lái)。 分類：分類： 依賴依賴Rho ()因子的轉(zhuǎn)錄終止因子的轉(zhuǎn)錄終止 非依賴非依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止因子的轉(zhuǎn)錄終止 1. 依賴依賴因子的轉(zhuǎn)錄終止因子的轉(zhuǎn)錄終止 因子是同六聚體蛋白；因子是同六聚體蛋白； 因子能結(jié)合因子能結(jié)合RNA，與，與poly C的結(jié)合力最的結(jié)合力最強(qiáng)；強(qiáng)； 因子還有因

13、子還有ATP酶和解螺旋酶的活性。酶和解螺旋酶的活性。 2. 不依賴不依賴因子的轉(zhuǎn)錄終止因子的轉(zhuǎn)錄終止DNA模板上靠近終止處，有特殊的堿模板上靠近終止處，有特殊的堿基序列，轉(zhuǎn)錄出基序列，轉(zhuǎn)錄出RNA后，后，RNA產(chǎn)物形成特產(chǎn)物形成特殊的結(jié)構(gòu)來(lái)終止轉(zhuǎn)錄。殊的結(jié)構(gòu)來(lái)終止轉(zhuǎn)錄。 莖環(huán)結(jié)構(gòu)終止轉(zhuǎn)錄的機(jī)理莖環(huán)結(jié)構(gòu)終止轉(zhuǎn)錄的機(jī)理 使使RNA聚合酶變構(gòu)，轉(zhuǎn)錄停頓；聚合酶變構(gòu)，轉(zhuǎn)錄停頓； 使轉(zhuǎn)錄復(fù)合物趨于解離，使轉(zhuǎn)錄復(fù)合物趨于解離，RNA產(chǎn)物釋產(chǎn)物釋放。放。 二、真核生物的轉(zhuǎn)錄過(guò)程二、真核生物的轉(zhuǎn)錄過(guò)程（一）轉(zhuǎn)錄起始（一）轉(zhuǎn)錄起始真核生物的轉(zhuǎn)錄起始上游區(qū)段比原核真核生物的轉(zhuǎn)錄起始上游區(qū)段比原核生物多樣化，轉(zhuǎn)錄起

14、始時(shí)，生物多樣化，轉(zhuǎn)錄起始時(shí)，RNA-pol不不直接結(jié)合模板，其起始過(guò)程比原核生物直接結(jié)合模板，其起始過(guò)程比原核生物復(fù)雜。復(fù)雜。轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)TATA盒盒CAAT盒盒GC盒盒 增強(qiáng)子增強(qiáng)子順式作用元件順式作用元件(cis-acting element)1. 轉(zhuǎn)錄起始前的上游區(qū)段轉(zhuǎn)錄起始前的上游區(qū)段 AATAAA切離加尾切離加尾 轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn)轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn) 修飾點(diǎn)修飾點(diǎn) 外顯子外顯子 翻譯起始點(diǎn)翻譯起始點(diǎn)內(nèi)內(nèi)含含子子 OCT-1 OCT-1：ATTTGCAT八聚體八聚體2. 轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄因子 能直接或間接辨認(rèn)和結(jié)合轉(zhuǎn)錄上游區(qū)能直接或間接辨認(rèn)和結(jié)合轉(zhuǎn)錄上游區(qū)段段DNA的蛋白質(zhì)，統(tǒng)稱為的蛋白質(zhì)，統(tǒng)稱

15、為反式作用因子反式作用因子(trans-acting factors)。 反式作用因子中，直接或間接結(jié)合反式作用因子中，直接或間接結(jié)合RNA聚合酶的，則稱為聚合酶的，則稱為轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄因子(trans-criptional factors, TF)。 參與參與RNA-pol 轉(zhuǎn)錄的轉(zhuǎn)錄的TF 轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄因子亞基和亞基和(或或)分子分子量（量（kDa）功能功能TFDTBP，38結(jié)合結(jié)合TATA盒盒TAF輔助輔助TBP-DNA結(jié)合結(jié)合TFA12，19，35穩(wěn)定穩(wěn)定D-DNA復(fù)合物復(fù)合物TFB33促進(jìn)促進(jìn)RNA-pol結(jié)合結(jié)合TFF30，74解螺旋酶解螺旋酶TFE57( )，34()ATPaseT

16、FH蛋白激酶，使蛋白激酶，使CTD磷酸化磷酸化3. 轉(zhuǎn)錄起始前復(fù)合物轉(zhuǎn)錄起始前復(fù)合物(pre-initiation complex, PIC) 真核生物真核生物RNA-pol不與不與DNA分子直接分子直接結(jié)合，而需依靠眾多的轉(zhuǎn)錄因子。結(jié)合，而需依靠眾多的轉(zhuǎn)錄因子。 RNA pol IITF II FTBP TAF TATADNATF II ATF II BTF II E轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物TF II H4. 拼板理論拼板理論(piecing theory) 一個(gè)真核生物基因的轉(zhuǎn)錄需要一個(gè)真核生物基因的轉(zhuǎn)錄需要3至至5個(gè)個(gè)轉(zhuǎn)錄因子。轉(zhuǎn)錄因子之間互相結(jié)合，生成轉(zhuǎn)錄因子。轉(zhuǎn)錄因子之間互相結(jié)合，生成有活性

17、和專一性的復(fù)合物，再與有活性和專一性的復(fù)合物，再與RNA聚合聚合酶搭配而有針對(duì)性地結(jié)合、轉(zhuǎn)錄相應(yīng)的基酶搭配而有針對(duì)性地結(jié)合、轉(zhuǎn)錄相應(yīng)的基因。因。 （二）轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)（二）轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)真核生物轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)過(guò)程與原核生物大真核生物轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)過(guò)程與原核生物大致相似，但因有核膜相隔，沒(méi)有轉(zhuǎn)錄與翻致相似，但因有核膜相隔，沒(méi)有轉(zhuǎn)錄與翻譯同步的現(xiàn)象。譯同步的現(xiàn)象。 RNA-pol前移處處都遇上核小體。前移處處都遇上核小體。 轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)過(guò)程中可以觀察到核小體移轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)過(guò)程中可以觀察到核小體移位和解聚現(xiàn)象。位和解聚現(xiàn)象。 RNA-PolRNA-PolRNA-Pol核小體核小體轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)錄錄延延長(zhǎng)長(zhǎng)中中的的核核小小體體移移位位轉(zhuǎn)錄方向

18、轉(zhuǎn)錄方向 （三）轉(zhuǎn)錄終止（三）轉(zhuǎn)錄終止 第三節(jié)第三節(jié)真核生物的轉(zhuǎn)錄后修飾真核生物的轉(zhuǎn)錄后修飾Post-transcriptional Modification 一、一、mRNA的轉(zhuǎn)錄后加工的轉(zhuǎn)錄后加工(一一)首尾的修飾首尾的修飾1. 5 -端加帽端加帽：m7GpppG2. 3 -端加尾端加尾：多聚腺苷酸多聚腺苷酸 (poly A)帽子結(jié)構(gòu)帽子結(jié)構(gòu)5 pppGp5 GpppGppppG PPi鳥(niǎo)苷酸鳥(niǎo)苷酸轉(zhuǎn)移酶轉(zhuǎn)移酶5 m7GpppGp甲基轉(zhuǎn)移酶甲基轉(zhuǎn)移酶SAM帽子結(jié)構(gòu)的生成帽子結(jié)構(gòu)的生成5 ppGp磷酸酶磷酸酶 Pi加帽過(guò)程加帽過(guò)程（二）（二）mRNA的剪接的剪接1. hnRNA 和和 snR

19、NA 核內(nèi)的初級(jí)核內(nèi)的初級(jí)mRNA稱為雜化核稱為雜化核RNA (hetero-nuclear RNA, hnRNA) snRNA (small nuclear RNA)核內(nèi)的蛋白質(zhì)核內(nèi)的蛋白質(zhì)小分子核糖核酸蛋白體小分子核糖核酸蛋白體（并接體（并接體, splicesome）snRNA真核生物結(jié)構(gòu)基因，由若干個(gè)編碼區(qū)和非真核生物結(jié)構(gòu)基因，由若干個(gè)編碼區(qū)和非編碼區(qū)互相間隔開(kāi)但又連續(xù)鑲嵌而成，去除非編碼區(qū)互相間隔開(kāi)但又連續(xù)鑲嵌而成，去除非編碼區(qū)再連接后，可翻譯出由連續(xù)氨基酸組成編碼區(qū)再連接后，可翻譯出由連續(xù)氨基酸組成的完整蛋白質(zhì)，這些基因稱為斷裂基因。的完整蛋白質(zhì)，這些基因稱為斷裂基因。 斷裂基因斷

20、裂基因(splite gene)非編碼區(qū)非編碼區(qū) AG編碼區(qū)編碼區(qū)17ABCDEFGL12345677 700 bp2. 外顯子外顯子(exon)和內(nèi)含子和內(nèi)含子(intron) 外顯子外顯子在斷裂基因及其初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物上出在斷裂基因及其初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物上出現(xiàn)，并表達(dá)為成熟現(xiàn)，并表達(dá)為成熟RNA的核酸序列。的核酸序列。 內(nèi)含子內(nèi)含子隔斷基因的線性表達(dá)而在剪接過(guò)程隔斷基因的線性表達(dá)而在剪接過(guò)程中被除去的核酸序列。中被除去的核酸序列。 雞卵清蛋白成熟雞卵清蛋白成熟mRNA與與DNA雜交電鏡圖雜交電鏡圖雞卵清蛋白雞卵清蛋白基因基因hnRNA首、尾修飾首、尾修飾hnRNA剪接剪接成熟的成熟的mRNA雞雞卵卵清清蛋蛋白白基基因因及及其其轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)錄、錄、轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)錄錄后后修修飾飾3. 3. 內(nèi)含子的分類內(nèi)含子的分類 I：主要存在于線粒體、葉綠體及某些低主要存在于線粒體、葉綠體及某些低等真核生物的等真核生物的 rRNA基因；基因；II：也發(fā)現(xiàn)于線粒體、葉綠體，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物也發(fā)現(xiàn)于線粒體、葉綠體，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物是是mRNA； III：是常見(jiàn)的形成套索結(jié)構(gòu)后剪接，大是常見(jiàn)的形成套索結(jié)構(gòu)后剪接，大多數(shù)多數(shù)mRNA基因有此類內(nèi)含子；基因有此類內(nèi)含子； IV：是是tRNA基因及其初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物中的基因及其初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物中的內(nèi)含子，剪接過(guò)程需酶及內(nèi)含子，剪接過(guò)程需酶及ATP。 Unit of transcription in