教学目的使学生了解原核生物和真核生物的RNA聚合酶.docx
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教学目的使学生了解原核生物和真核生物的RNA聚合酶
课次:
10
教学目的:
使学生了解原核生物和真核生物的RNA聚合酶、启动子和终止子,掌握原核生物和真核生物的RNA聚合酶、启动子的结构特点及原核生物终止子。
重点:
原核和真核生物RNA聚合酶的组成和转录特点,启动子的结构特点及原核生物终止子。
难点:
复习旧课:
提问3人,了解教学效果。
导入新课:
第五章转录
基因表达时以DNA的一条链为模板合成RNA,这一过程就是转录(transcription)。
所需的酶叫做依赖DNA的RNA聚合酶(DNA-dependentRNApolynerase,DDRP)。
转录产生初级转录物为RNA前体(RNAprecursor),它们必须经过加工过程变为成熟的RNA,才能表现其生物活性。
细胞中的RNA分成三种:
mRNA(信使RNA),tRNA(转运RNA)和rRNA(核糖体RNA)。
在DNA的两条多苷酸链中只有其中一条链作为模板,这条链叫做模板链(templatestrand),又叫做无意义链。
DNA双链中另一条不做为模板的链叫做编码链,又叫做有意义链,编码链的序列与转录的RNA序列相同。
第一节转录酶和转录因子
RNA合成的基本特征:
5’→3’方向;
底物三磷酸核苷酸(NTP)
不对称转录,以单链DNA为模板。
不需要引物,合成是连续的。
一原核生物的RNA聚合酶
大肠杆菌RNA聚合酶(RNApolynerase)
需要DNA模板,Mg离子,和4种3-磷酸核苷(ATP,UTP,CTP和GTP)。
RNApol和DNApol也有2点不同:
(1)RNApol没有任何校对功能;
(2)能起始新的RNA链。
细菌RNApol由5种多肽亚基组成为α2β'βσω;分子量达50多万,可以合成3类不同的RNA(tRNA,mRNA和rRNA)。
其大小和功能如表所示:
表E.coliRNAPol的结构和功能
亚基
基因
分子量(KDa)
数目
组分
可能的功能
α
rpoA
40
2
核心酶
酶的连接,装配,决定哪些基因被转录
β
rpoB
155
1
核心酶
与转录全过程有关,和底物(核苷酸)结合
β’
rpoC
160
1
核心酶
结合DNA模板
ω
10
1
核心酶
σ
rpoD
70
1
σ因子
辨认起始点,
二真核生物的RNA聚合酶
真核生物RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和线粒体RNA聚合酶,分子量大致都在500KD左右,它们专一性地转录不同的基因,因此由它们催化的转录产物也各不相同。
表2真核生物的RNA聚合酶
种类
分布
合成的RNA类型
Ⅰ
核仁
28s,18s,5.8srRNAs
Ⅱ
核质
hnRNA,SnRNA
Ⅲ
核质
tRNA,5sRNA,SnRNA
Mt
线粒体
线粒体RNAs
不同的真核聚合酶对各种抑制剂的敏感性也不同(表)
某些常用的转录抑制剂
抑制剂
靶酶
抑制作用
利福霉素
细菌的全酶
与β亚基结合,阻止起始
链霉溶菌素
细菌的核心酶
与β亚基结合,阻止延长
放线菌素D
真核RNA聚合酶Ⅰ
与DNA结合,并阻止延长
α-鹅膏蕈碱
真核RNA聚合酶Ⅱ、III
与RNA聚合酶Ⅱ结合
2.1真核RNA聚合酶的结构特点:
所有真核RNA聚合酶都是大分子蛋白质,分子量可达500KDa或更多。
它们典型的有8-14个亚基。
RNApolⅡ的大亚基有一个羧基末端功能区(carboxy-terminaldomainCTD),它含有一个多次重复的一致序列Tyr-Ser-Pro-Ser-Pro-Ser,这个序列是RNApol独有的。
此CTD在Ser丝氨酸或Thr苏氨酸残基上可高度磷酸化,这个酶带有非磷酸化亚基叫做RNApolⅡa,而带磷酸化亚基叫做RNApolⅡo,CTD参与转录的起始。
2.2线粒体和叶绿体的RNApol
线粒体和叶绿体转录的RNApol较小,更类似于细菌的RNApol。
第二节启动子
一原核生物的启动子
启动子(promoter)是DNA分子可以与RNA聚合酶特异结合的部位,也就是使转录开始的部位。
1启动子(promoter)的结构
不同启动子对RNA聚合酶的亲和力各不同,根据其合成蛋白质的多少区别为强弱启动子。
1.1转录起始点:
多为嘌呤,CAT,A为起始点
1.2-10区
又称为Pribnow盒(原核生物)。
其保守序列为TATAAT(T80A95T45A60A50T96),其中3′端的“T”十分保守。
A.T较丰富,易于解链。
和转录起始位点I一般相距5-bp。
只有少数几个核苷酸的差别。
其功能是:
(1)RNApol紧密结合部位;
(2)形成开放启动复合体;(3)使RNApol定向转录。
1.3-35序列又称为Sextama盒(Sextamabox),其保守序列为TTGACA(T82T84G78A65C54A45),与-10序列,相隔16-19bp。
其功能是:
为RNApol的识别位点。
σ亚基才能识别并结合-35序列,为转录选择模板链。
1.4-10和-35之间距离:
1)-35和-10序列相距约16-19bp,其距离稳定,过大或过小都会降低转录活性。
2)该距离大致是双螺旋绕两圈的长度。
这两个结合区是在DNA分子的同一侧面,此酶是结合在双螺旋的一面。
3)原核生物亦有少数启动子缺乏这两个序列之一。
RNA聚合酶往往不能单独识别这种启动子,而需要有辅助蛋白质的帮助。
1.5启动子附近其他DNA序列:
⏹起始位点上游50到150bp之间的序列是启动子的完全活性所必需的。
⏹上游序列可以吸引拓扑异构酶,后者可导致结合的局部产生有利于转录起始的超螺旋状态。
⏹远离部位序列富有AT,能增进转录起始的频率。
2原核生物不同基因的启动子的共同特点:
(1)结构典型,都含有识别(R),结合(B)和起始(I)三个位点;
(2)序列保守,如-35序列、-10序列结构都十分保守;
(3)位置和距离都比较恒定;
(4)对RNA聚合酶的亲和力高低影响转录频率和效率;
(5)常和操纵子相邻;
(6)都在其控制基因的5’端;
(7)决定转录的启动和方向。
二.真核生物的启动子
与原核的启动子的区别:
(1)多种元件:
TATA框,GC框,CATT框,OCT等;
(2)不同元件的组合情况:
位置、序列、距离和方向都不完全相同;
(3)需转录因子参与转录的全过程。
转录因子先和启动子结合,再与RNA聚合酶形成转录起始复合物,开始转录的过程。
2.1RNApolⅡ的启动子
通用型启动子(无组织特异性)、结构最复杂、位于转录起始点的上游、有多个短序列元件组成
(1)帽子位点(capsite):
转录起始位点
(2)TATA框(Hogness框或Goldberg-Hogness框)
结构特点:
Ø位于-30处
Ø一致序列为T82A97T93A85A63(T37)A83A50(T37)
功能:
Ø定位转录起始点(类似原核的Pribnow框)
ØTATA是绝大多数真核基因的正确表达所必需的
Ø故也称为选择子(selector)
3)CAAT框(CAATbox)
结构特点:
位于-75bp处,一致序列为GGC/TCAATCT
功能:
前两个G的作用十分重要(转录效率),增强启动子的效率、频率,不影响启动子的特异性
☻以上三个保守序列在绝大多数启动子中都存在
(4)GC框(GCbox)
位于-90附近,较常见的成分,核心序列为GGGCGG,可有多个拷贝,也可以正反两方向排列
(5)其他元件,
八聚核苷酸元件(octamerelementOCT元件):
一致序列为ATTTGCAT
KB元件:
一致序列为GGGACTTTCC
ATF元件:
一致序列为GTGACGT
还有一些位于起始点下游的相关元件
(6)起始子(initiator,Inr):
位于起始点-3~+5Py2CAPy5构成,可能提供RNApolⅡ识别。
当有的基因缺少TATA框时,可能由Inr来替代它的作用,
无论TATA是否存在,Inr对于启动子的强度和起始位点的选择都是十分重要的。
2RNApolⅠ启动子
RNApolⅠ的启动子由两部分序列构成:
核心启动子(corepromoter)或核心元件(coreelement),位于起始位点的前后,从-45到+20,负责转录的起始。
上游控制元件(upstreamcontrolelement,UCE),从-180延伸到-107,此区可增加核心元件的转录起始的效率。
这两个区域都有一个特殊的成份,就是G.C丰富区(G.C含量达85%)。
3PolⅢ启动子的结构及起始
RNApolⅢ启动子负责tRNA,5SrRNA,某些SnRNAs的转录,这三类基因的启动子结构不同。
基因启动子:
如5SRNA和tRNA,位于起始位点的下游的转录区,因此也称为下游启动子(downwtreampromoter)或基因启动子(intragenenicpromoter)或称为部控制区(internalcontronregin,ICR)。
又分为两类:
Ⅰ型部启动子含有两个分开的boxA和boxC序列。
而Ⅱ型部启动子含有两个分开的boxA和boxB。
RNApolⅢ的三种类型启动子的结构如图5-2所示。
167页
基因外启动子:
如snRNA基因的启动子,包含有3个上游元件,为TATA框、次近端序列元件(proximalsequenceelement,PSE)和八聚体OCT元件。
第三节终止子
一原核生物的终止子(terminator)
终止子的作用是在DNA模板的特异位点处终止RNA的合成。
两种不同的终止子:
1强终止子/部终止子/不依赖ρ因子的结构特征:
(1)具有一个反向重复序列,由它转录出mRNA可形成茎环结构,可阻止RNApol的前进;
(2)茎的区域富含G-C,使茎环不易解开;
(3)强终止子3′端上有6个U,由于它和模板形成的连续U-A配对较易打开,从而便于释放出RNA。
2依赖ρ因子的终止序列中,也没有固定的特征,不都能形成稳定的发夹;在茎中的G、C含量少,茎环易打开。
在其3′端也没有寡聚U。
ρ因子46Kda的蛋白,6聚体(275KDa)存在。
ρ因子具有依赖RNA的ATPase活性和解旋酶活性。
其功能是作为RNApol的一种辅助因子,当其浓度为RNApol浓度的10%时在体外可发挥最高的活性。
ρ因子作用机制的可能性:
[1]ρ因子与新生RNA链结合,延着RNA移动,并可能用ATP放出的能量将RNA链从酶和模板中释出。
比RNApol沿DNA移动要快。
[2]ρ因子可能与RNA聚合酶结合,接触RNA-DNA杂合链、并导致其解链,而将聚合酶和RNA解离下来。
二真核生物的终止子
真核生物由于RNA转录后很快就进行了加工,因此很难确定原初转录物的3’末端。
爪蟾5sRNA的3’末端有4个U,它们前后的序列为富含G·C的序列,这是所有真核生物RNA聚合酶Ⅲ转录的终止信号。
这种序列特征高度保守,从酵母到人都很相似。
RNA聚合酶I的转录终止信号是18bp,RNA聚合酶II还不清楚是否有明确的终止元件。
归纳小结:
原核和真核生物RNA聚合酶,启动子、终止子。
布置作业:
问答题
1.σ亚基的主要作用是什么?
2.真核生物RNA聚合酶有何功能特点?
3.概括典型原核生物启动子的结构和功能。
教