生物化学RNA的生物合成.ppt

1、RNA Biosynthesis(Transcription)第第11章章本章内容原核生物转录的模板和酶原核生物转录的模板和酶(重点）重点）原核生物的转录过程原核生物的转录过程(重点）重点）真核生物的转录过程真核生物的转录过程(一般）一般）真核生物真核生物RNA的加工的加工(重点）重点）在生物界，在生物界，在生物界，在生物界，RNARNARNARNA合成有两种方式：合成有两种方式：合成有两种方式：合成有两种方式：一种是一种是DNA指导的指导的RNA合成，也叫合成，也叫转录转录，是体内，是体内的主要合成方式，也是的主要合成方式，也是本章介绍的主要内容本章介绍的主要内容。另一种是另一种是RNA指导

2、的指导的RNA合成，也叫合成，也叫RNA复制，复制，由由RNA依赖的依赖的RNA聚合酶催化，常见于病毒，是聚合酶催化，常见于病毒，是逆转录病毒以外的逆转录病毒以外的RNA病毒病毒在宿主细胞以病毒的在宿主细胞以病毒的单链单链RNA为模板合成为模板合成RNA的方式。的方式。概概述述转录转录 (transcription)是是生物体以生物体以DNA为为模板合成模板合成RNA的过程的过程 。转转录录RNADNA 3,5磷酸二酯键磷酸二酯键参与转录的物质参与转录的物质模板：模板：DNA原料：原料：NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)酶：酶：依赖依赖DNADNA的的RNA聚合酶聚合酶简称简称RNA聚合

3、酶或聚合酶或RNA-pol其他蛋白质因子：其他蛋白质因子：因子因子复制与转录的相似点复制与转录的相似点2 2、都以、都以DNADNA为模板；为模板；1 1、都是酶促核苷酸聚合反应；、都是酶促核苷酸聚合反应；3 3、聚合酶都依赖、聚合酶都依赖DNADNA；4 4、核苷酸之间都以磷酸二酯键连接；、核苷酸之间都以磷酸二酯键连接；5 5、合成方向都是、合成方向都是5 5 3 3；6 6、都遵从碱基配对规律。、都遵从碱基配对规律。复制和转录的区别复制和转录的区别复制复制转录转录模板模板两条链均复制两条链均复制不对称转录不对称转录原料原料dNTPNTP酶酶DNA聚合酶聚合酶RNA聚合酶聚合酶引物引物需要需

4、要不需要不需要产物产物两个子代两个子代DNA多种多种RNA配对规律配对规律AT，CGAU，TA，CG原核生物转录的模板和酶原核生物转录的模板和酶Templates&Enzymes in Prokaryotic Transcription第一节第一节一、原核生物转录的模板一、原核生物转录的模板转录区段转录区段转录区段转录区段非转录区段非转录区段非转录区段非转录区段对于基因组来说，只对于基因组来说，只有少部分基因发生转录。有少部分基因发生转录。结结构构基基因因（structuralgene）：指指DNA分分子子上上能能转录出转录出RNA的的DNA区段。区段。5GCAGTACATGTC33cgtga

5、tgtacag55GCAGUACAUGUC3NAlaValHisValC编码链（文献所列）编码链（文献所列）模板链模板链mRNA蛋白质蛋白质转录转录翻译翻译DNA双双链链中中按按碱碱基基配配对对规规律律能能指指引引转转录录生生成成RNA的的一一股股单单链链，称称为为模模板板链链(templatestrand)。相相对对的另一股单链是的另一股单链是编码链编码链(codingstrand)。5 5 3 3 3 3 5 5 模板链模板链编码链编码链编码链编码链模板链模板链转录方向转录方向转录方向转录方向n不对称转录不对称转录(asymmetric transcription)：转录具转录具有不对称性

6、。有不对称性。3 5 3 5 不不不不对对对对称称称称转转转转录录录录有有两两方方面面含含义义：在在DNA分分子子双双链链上上，一一股股链链用用作作模模板板指指引引转转录录，另另一一股股链链不不转转录录；其其二是模板链二是模板链并非总是在同一单链上并非总是在同一单链上。533555553333二、原核生物二、原核生物RNA聚合酶聚合酶（一）（一）RNA聚合酶能直接启动聚合酶能直接启动RNA链的合成链的合成为为DNA依赖的依赖的RNA聚合酶；聚合酶；聚合反应机制与聚合反应机制与DNA-pol催化的催化的DNA合成相似；合成相似；在核苷酸在核苷酸3-OH上延长上延长RNA链，形成链，形成3,5磷酸

7、磷酸二酯键二酯键。(NMP)n+NTP(NMP)n+1+PPiRNA聚合酶的激活剂：聚合酶的激活剂：Mg2和和Mn25 3 3 5 结构基因结构基因调控序列调控序列启动子启动子RNA聚合酶聚合酶不需要引物不需要引物能直接启动能直接启动RNA合成。合成。RNA聚聚合合酶酶和和DNA的的特特殊殊序序列列结结合合后后，才才能能启启动动RNA合成。合成。启动子启动子（promoter）：是在转录起始上游：是在转录起始上游RNA聚合酶特异性识别和结合的聚合酶特异性识别和结合的DNA序列。序列。RNA-pol（二）（二）RNA聚合酶由多个亚基组成聚合酶由多个亚基组成？功能不？功能不详大肠杆菌大肠杆菌RNA

8、聚合酶（聚合酶（480kD）组分）组分核心酶（核心酶（2）(coreenzyme)全酶（全酶（2）(holoenzyme)转录起始阶段转录起始阶段转录延长阶段转录延长阶段RNA聚合酶的结构示意聚合酶的结构示意 70辨认典型转录起始点的蛋白质辨认典型转录起始点的蛋白质 32辨认辨认热休克蛋白热休克蛋白转录起始点的蛋白质转录起始点的蛋白质 热休克蛋白热休克蛋白(Heat shock proteins,Hsp)是细是细胞在一些应激条件（热休克、葡萄糖饥饿或受到胞在一些应激条件（热休克、葡萄糖饥饿或受到病原菌感染）下有高效表达的一族蛋白。普遍存病原菌感染）下有高效表达的一族蛋白。普遍存在于原核和真核细

9、胞中。在于原核和真核细胞中。亚基有多种亚基有多种 原核生物的原核生物的RNA聚合酶都受一种抗生聚合酶都受一种抗生素的特异性抑制，即素的特异性抑制，即利福平或利福霉素利福平或利福霉素。利福平或利福霉素是抗结核杆菌的有利福平或利福霉素是抗结核杆菌的有效药物，机制是专一性地结合效药物，机制是专一性地结合RNA聚合酶聚合酶的的 亚基亚基。原核原核RNA聚合酶的抑制剂聚合酶的抑制剂三、三、RNA聚合酶与启动子结合启动转录聚合酶与启动子结合启动转录转转录录是是不不连连续续、分分区区段段进进行行的的；每每个个区区段段为为一一个单位。个单位。操操纵纵子子(operon)：是是原原核核转转录录的的功功能能单单位

10、位，包包括一组结构基因及其上游的调控序列。括一组结构基因及其上游的调控序列。5 3 3 5 结构基因结构基因调控序列调控序列启动子启动子启启动动子子是是RNA聚聚合合酶酶结结合合模模板板DNA的的部部位位，也也是是控制转录的关键部位。控制转录的关键部位。RNA聚聚合合酶酶全全酶酶结结合合到到启启动动子子上上，其其中中由由亚亚基基辨辨认启动子，其他亚基相互配合。认启动子，其他亚基相互配合。对对启启动动子子的的研研究究，常常采采用用一一种种巧巧妙妙的的方方法法，即即RNA聚合酶保护法聚合酶保护法。5 3 3 5 结构基因结构基因调控序列调控序列启动子启动子RNA-polRNA聚合酶保护法聚合酶保护

11、法40-60 bp被被RNA聚合酶保护的聚合酶保护的DNA区段碱基序列分析区段碱基序列分析trp TTGACAN17 TTAACT N7 A 35 区区10区区tRNAtrp TTTACAN16 TATGAT N7 A lac TTTACAN17 TATGTT N6 A recA TTGATAN16 TATAAT N7 A ara CTGACGN18 TACTGT N6 A 最大一致性最大一致性T T G A C A T A T A A T （Pribnow 盒盒）+1(转录起始转录起始）富含富含AT开始转录开始转录TTGACAAACTGT-35区区(Pribnowbox)TATAATATAT

12、TA-10区区1-30-5010-10-40-205 3 3 5 亚基亚基辨认位点辨认位点(recognitionsite)5 5 RNA聚合酶保护区聚合酶保护区结构基因结构基因3 3 转录起始区转录起始区RNApol全酶结合部位全酶结合部位RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合聚合酶全酶在转录起始区的结合:原核生物的转录过程原核生物的转录过程The Process of Transcription in Prokaryote第二节第二节转录的延长转录的延长转录的起始转录的起始转录的终止转录的终止RNA聚合酶必须聚合酶必须准确地结合准确地结合在转录模在转录模板的板的起始区域起始区域。DNA双链解开

13、双链解开，使其中的一条链作为，使其中的一条链作为转录的模板。转录的模板。一、原核的转录起始一、原核的转录起始转录起始需解决两个问题：转录起始需解决两个问题：n nE.coliE.coli的转录起始的转录起始的转录起始的转录起始 2.DNA双链局部双链局部(10区区)解开形成解开形成开放转录复合体开放转录复合体1.亚基辨认启动子的识别位点亚基辨认启动子的识别位点(35区区)，RNA聚聚合酶全酶合酶全酶(2)与启动子结合与启动子结合(10区区)，形，形成成闭合转录复合体闭合转录复合体；3.在在RNA聚聚合合酶酶作作用用下下发发生生第第1个个聚聚合合反反应应，形形成成转录起始复合物转录起始复合物：n

14、转录起始过程：转录起始过程：4.第第1个个磷磷酸酸二二酯酯键键生生成成后后，亚亚基基即即从从转转录录起起始始复复合合物物上上脱脱落落，核核心心酶酶连连同同四四磷磷酸酸二二核核苷苷酸酸，继继续续结结合合于于DNA模模板板上上，酶酶沿沿DNA链链前前移移，进入延长阶段；进入延长阶段；5 pppG一直保留一直保留。RNA-pol(2)-DNA-pppGpppGpN-OH3 转录起始复合物转录起始复合物:5-pppG-OH+NTP5-pppGpN-OH3+ppi目录目录 亚基辨认（亚基辨认（-35-35）全酶结合（全酶结合（-10-10）DNADNA解链（解链（-10-10）转录起始复合物形成：转录起

15、始复合物形成：2-DNA-pppGpN-OH 亚基脱落亚基脱落原核转录起始的主要事件：原核转录起始的主要事件：二、二、原核的转录延长原核的转录延长1.亚基脱落，亚基脱落，RNApol核心酶变构，与模板结核心酶变构，与模板结合合松弛松弛，沿着，沿着DNA模板前移；模板前移；2.在核心酶作用下，在核心酶作用下，NTP不断聚合，不断聚合，RNA链不断延长。链不断延长。(NMP)n+NTP(NMP)n+1+PPi3.延长过程中，酶延长过程中，酶-DNA-RNA形成形成转录空泡转录空泡；转录延长与转录延长与翻译同时进行翻译同时进行。n转转录录空空泡泡(transcriptionbubble)：转转录录延

16、延长长时时，DNADNA局局部部双双链链解解开开，产产物物RNARNA与与DNADNA形形成成杂杂化化双双链链，此此时时酶酶-DNA-RNADNA-RNA形成的转录复合物形成的转录复合物被称为转录空泡。被称为转录空泡。n G GC CA AT TA AU U；RNARNA链链5 5 端端伸出空泡不断延长伸出空泡不断延长5-pppGRNA12bp17bp40 bp5 3 DNAn原核生物转录过程中的羽毛状现象（电镜下）原核生物转录过程中的羽毛状现象（电镜下）核糖体核糖体RNARNA聚合酶聚合酶在同一在同一DNA模板上，有多个转录同时在进行；模板上，有多个转录同时在进行；转录尚未完成，翻译已在进行转录尚未完成，翻译已在进行。这种形状说明：这种形状说明：目录目录核心酶沿模板前移核心酶沿模板前移形成转录空泡形成转录空泡与翻译同步与翻译同步原核转录延长的主要事件：原核转录延长的主要事件：依赖依赖因子的转录终止因子的转录终止非依赖非依赖因子的转录终止因子的转录终止三、原核生物的转录终止三、原核生物的转录终止转转转转录录录录终终终终止止止止指指RNA聚聚合合酶酶在在DNA模模板板上上停停顿顿下下来来