生物学基因转录

The synthesis of RNA molecules using DNA strands as the templates so that the genetic information can be transferred from DNA to RNA.Transcription转录泡 转录单位转录后加工 内含子 外显子 Transcription unitTranscription bubblePost-transcriptional modificationIntronExon核酶 RNA剪接 逆转录 断裂基因套索RNARNA splicingReverse transcriptionRibozymeSplite geneLariat RNAl 负责核苷酸链延长的分子?l 链延伸的方向?l 模板阅读原则?l RNA合成局部的结构特征? l 模板的结构需求?RNA-pol核心酶核心酶DNA RNAu 核心酶负责反应催化核心酶负责反应催化 原核原核亚基解离亚基解离 真核真核CTD磷酸化磷酸化u 新的新的NTP加在加在3 -OH上上u RNA链从链从5 端向端向3 端延伸端延伸u 与模板碱基配对，与模板碱基配对，U对对Au 模板被从模板被从33端向端向55端端阅读阅读u 模板局部开链小于模板局部开链小于20bpu 局部有局部有12bpRNA-DNA杂化双链杂化双链u 模板前方需拓扑异构酶模板前方需拓扑异构酶u 真核生物需要有核小体移位真核生物需要有核小体移位u 原核生物原核生物RNA同时合成蛋白同时合成蛋白1. 亚基脱落，亚基脱落，RNApol聚合酶核心酶变构，与模聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，沿着板结合松弛，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链不断链不断延长延长(NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPi原核生物转录过程中的羽毛状现象5 3 DNA核糖体核糖体RNARNA聚合酶聚合酶转录与翻译同时进行Simultaneous transcriptions and translation1. 真核生物转录延长过程与原核生物大致相似，真核生物转录延长过程与原核生物大致相似，但因有核膜相隔，没有转录与翻译同步的现象但因有核膜相隔，没有转录与翻译同步的现象2. RNA-pol前移处处都遇上核小体。转录延长前移处处都遇上核小体。转录延长过程中可以观察到核小体移位和解聚现象过程中可以观察到核小体移位和解聚现象转转录录延延长长中中的的核核小小体体移移位位RNA-PolRNA-PolRNA-Pol核小体核小体转录方向u依赖依赖Rho ()因子的转录终止因子的转录终止u非依赖非依赖Rho因子的转录终止因子的转录终止RNA聚合酶在聚合酶在DNA模板上停顿，转录产物模板上停顿，转录产物RNA链从转录复合物上脱落链从转录复合物上脱落分类分类DNA模板上靠近终止处，特殊的碱基序列转录模板上靠近终止处，特殊的碱基序列转录出出RNA后，后，RNA产物与产物与Rho因子结合，终止转录因子结合，终止转录ATPn 使使RNARNA聚合酶变构，转录停顿聚合酶变构，转录停顿n 使转录复合物趋于解离，使转录复合物趋于解离，RNA RNA 产物释放。产物释放。DNADNA模板上靠近终止处，有些模板上靠近终止处，有些特殊的碱基序列，转录出特殊的碱基序列，转录出RNARNA后，后，RNARNA产物形成特殊的茎环产物形成特殊的茎环结构来终止转录结构来终止转录5 -AAUAAA-5 -AAUAAA-核酸酶核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAA GTGTGTG转录终止的修饰点转录终止的修饰点5 5 3 3 3 3 加尾加尾AAAAAAA 3 mRNA 与转录后修饰密切相关Poly（A）位点）位点转录单位转录单位一个转录单位就是从启动子到终止子的一段序列，是一段以一条单链RNA分子为表达产物的DNA片段transcription unit原核细胞原核细胞RNA聚合酶（全酶）与启动子相互作用聚合酶（全酶）与启动子相互作用真核细胞真核细胞RNA聚合酶、反式作用因子与顺聚合酶、反式作用因子与顺式元件相互作用式元件相互作用 1. .起始起始 2. .延伸延伸核心酶催化核心酶催化 RNARNA聚合酶催化，需核小聚合酶催化，需核小体解聚体解聚原核细胞原核细胞真核细胞真核细胞3. . 终止终止原核细胞原核细胞真核细胞真核细胞依赖依赖因子因子不依赖不依赖因子因子RNA 3 端形成茎环结构端形成茎环结构u 原核细胞原核细胞u 真核细胞真核细胞AUGGG UAA开放阅读框AAAAAAA.An5非翻译区3非翻译区5帽结构帽结构m7Gpppp3多聚 (A) 尾真核生物真核生物mRNAmRNA的一般结构的一般结构基因结构基因结构mRNA 结构结构真核生物的结构基因真核生物的结构基因真核生物的结构基因由若干个编码区和非编码区相互间隔但又连续镶真核生物的结构基因由若干个编码区和非编码区相互间隔但又连续镶嵌而成，为一个蛋白质编码，因此称为嵌而成，为一个蛋白质编码，因此称为断裂基因断裂基因外显子外显子内含子内含子在断裂基因的初级转录产物上出现，并表达为成熟在断裂基因的初级转录产物上出现，并表达为成熟mRNAmRNA的序列的序列在断裂基因的初级转录产物上出现，而在剪接过程中被去除的序列在断裂基因的初级转录产物上出现，而在剪接过程中被去除的序列 AG no-coding region17coding regionL12345677 700 bpThe structural genes are composed of coding and non-coding regions that are alternatively separated. Split gene EABCDFG1993年诺贝尔生理学或医学奖 Phillip Sharp Richard Roberts 周芷 Primary transcripts of mRNA are called as heteronuclear RNA (hnRNA). hnRNA are larger than matured mRNA by many folds. Modification includes Capping at the 5 - end Tailing at the 3 - endmRNA splicingRNA edition Modification of hnRNA 55端加帽端加帽转录终止前已经完成，加入转录终止前已经完成，加入m7G5ppp，可稳定可稳定mRNA并帮助翻译起始并帮助翻译起始7甲基鸟嘌呤核苷三磷酸甲基鸟嘌呤核苷三磷酸 （m7GTP）加帽酶加帽酶33加尾加尾长度100200个核苷酸加尾信号处切离加尾信号处切离,并加并加poly (A)，与，与稳定稳定mRNA及翻译效率有关及翻译效率有关核酸酶核酸酶CFI、CFII poly(A)聚合酶聚合酶PAP3-OH引入引入100-200个个A真核基因真核基因3端端AATAA及及下游序列转下游序列转录生成录生成RNA切除切除3尾尾1025碱基碱基mRNAmRNA的剪接的剪接mRNA splicing剪接对象剪接对象剪接场所剪接场所小分子核糖核蛋白小分子核糖核蛋白snRNP, U1、U2、U4、U5、U6剪接序列剪接序列 剪接反应剪接反应剪接方式剪接方式The matured mRNAs are much shorter than the DNA templates. DNAmRNALariat RNAmRNAmRNA的剪接的剪接Twice transesterification 由U1 snRNA以碱基互补的方式识别mRNA前体5剪接点，由结合在3剪接点上游富嘧啶区的U2AF（U2 auxiliary factor）识别3剪接点并引导U2 snRNP与分支点相结合，形成剪接前体（pre-spliceosome）。 剪接前体进一步与U4、U5、U6 snRNP三聚体相结合，形成剪接体。 真核生物mRNA前体中内含子剪接过程示意图“拇指姑娘拇指姑娘”之谜之谜microcephalic osteodysplastic primordial dwarfism type I (MOPD I) Deep sequencingGene encoding U4atac snRNA is mutated in individuals with MOPD I 通过不同剪接方式选择性使用外显子，合成功能不同而结构只有微小差异的蛋白质选择性剪接选择性剪接Alternative splicingCell 147, 132146, September 30, 2011Model AS Switch in Controlling ESC Pluripotency and DifferentiationTaking place at the transcription levelOne gene responsible for more than one proteinsSignificance: gene sequences, after post-transcriptional modification, can be multiple purpose differentiation. mRNA编辑编辑Different pathway of apo B Human apo B genehnRNA (14 500 base)liverapo B100（500 kD）intestineapo B48（240 kD）CAA to UAAAt 6666成熟成熟mRNA蛋白质蛋白质细胞核细胞核细胞质细胞质真核生物成熟真核生物成熟mRNAmRNA的运输的运输信使核糖核信使核糖核蛋白颗粒蛋白颗粒(mRNP)切除切除5端端16个核苷酸个核苷酸切除切除3端核苷酸端核苷酸加加CCA碱基修饰为稀有碱基碱基修饰为稀有碱基剪接去除反密码环处的内含子剪接去除反密码环处的内含子RNase PRNase D核苷酸转移酶核苷酸转移酶 1981 1981年年Cech TCech T在研究四膜虫在研究四膜虫( (Tetrahymena thermophilaTetrahymena thermophila) ) rRNArRNA前体拼接过程中发现，此类的拼接无需蛋白质的前体拼接过程中发现，此类的拼接无需蛋白质的酶参与作用，它可自我催化完成。酶参与作用，它可自我催化完成。CechCech称具有催化功称具有催化功能的能的RNARNA为核酶（为核酶（ribozymeribozyme）。）。 19891989年年cech Tcech T和和Altman SAltman S共同获诺贝尔化学奖，共同获诺贝尔化学奖，Altman SAltman S的贡献是发现的贡献是发现Rnase PRnase P中的中的M1RNAM1RNA单独也具有单独也具有催化功能催化功能 。核酶的发现改变了酶的化学本质是蛋白质。核酶的发现改变了酶的化学本质是蛋白质的传统观念。的传统观念。The M1 RNAin ribonucleaseP is catalyticThe intron inthe pre-rRNA ofTetrahemena is self-spliced锤头核酶的结构Hammer-head设计锤头核酶定向切割靶RNA Be a supplement to the central dogma Redefine the enzymology Provide a new insights for the origin of life Be useful in designing the artificial ribozymes as the therapeutical agents Significance of ribozyme生命起源的探索生命起源的探索-DNA world or RNA world ？逆转录 核酶哪一种先出现，蛋白质还是DNA？RNA，RNA，RNARNA，RNA，RNA，RNARNA，RNA，RNARNA， RNA，RNARNA 世界DNA蛋白质$染色质和核小体结构对转录有深刻的影响$真核细胞RNA聚合酶高度分工$转录还需要许多被称为转录因子的蛋白质的 参与$启动子以外的序列参与调节基因的转录$转录与翻译不存在偶联关系$转录的产物多为单顺反子，而原核基因的转录产物多为多顺反子逆转录病毒细胞内的逆转录现象:RNA 模板模板逆转录酶逆转录酶DNA-RNA杂化双链杂化双链RNA酶酶单链单链DNA逆转录酶逆转录酶双链双链DNA艾滋病毒完整的生活史Prof. David Ho治疗艾滋病的“鸡尾酒”疗法小 结转录的过程包括几个主要步骤hnRNA的转录后修饰有哪些 replicationtranscriptiontemplatedouble strandssingle strandsubstratedNTPNTPprimer yesno enzymeDNA polymeraseRNA polymeraseproductdsDNAssRNApatternA-TSemidiscontinu- A-UContinu- base pairprocessingnoyes5335RNA合成中的合成中的 DNA模板模板有意义链、有意义链、Waston 链、负链链、负链反意义链，反意义链，Crick 链、正链链、正链 RNA-pol I 核仁核仁 45S-rRNARNA-pol II 核质核质 hnRNA、miRNARNA-pol III 核质核质 5S-rRNA、tRNA、snRNA种类种类 细胞内定位细胞内定位 转录产物转录产物Mt RNA-pol 线粒体线粒体 线粒体线粒体RNAs u直接或间接结合于基因启动子u又称为转录起始因子u直接结合于基因调节区u又称为转录调节因子u间接结合于基因调节区u又称为辅因子 TATA 盒盒Hognest盒盒 CAAT 盒盒 GC 盒盒 增强子增强子 顺式作用元件顺式作用元件 结构基因结构基因-GCGC-CAAT-TATA转录起始点转录起始点25 bp upstreamInitiator40 and 100 bp upstreamPOL-TFFHEABTBPTAFTFD-F-B-DNA复合物复合物TATAPOL-TFFABTBPTAFTATAHECTD-PPIC组装完成，组装完成，TFH使使CTD磷酸化磷酸化DNAmRNAproteintranscriptiontranslation遗传信息的流动 5 端加帽端加帽3端加尾端加尾去除内含子去除内含子Splicing mechanism lariatU pAG pU535exon3exonintronpG-OHpGpAG pU3U5OHfirst transesterificationsecond transesterificationU5pU3pGpAGOH53RNARNA合成合成降钙素降钙素甲状腺甲状腺脑脑降钙素基因降钙素基因相关肽相关肽l 负责核苷酸链延长的分子?l 链延伸的方向?l 模板阅读原则?l RNA合成局部的结构特征? l 模板的结构需求?1. 亚基脱落，亚基脱落，RNApol聚合酶核心酶变构，与模聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，沿着板结合松弛，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链不断链不断延长延长(NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPi转录单位转录单位一个转录单位就是从启动子到终止子的一段序列，是一段以一条单链RNA分子为表达产物的DNA片段transcription unitDifferent pathway of apo B Human apo B genehnRNA (14 500 base)liverapo B100（500 kD）intestineapo B48（240 kD）CAA to UAAAt 6666 1981 1981年年Cech TCech T在研究四膜虫在研究四膜虫( (Tetrahymena thermophilaTetrahymena thermophila) ) rRNArRNA前体拼接过程中发现，此类的拼接无需蛋白质的前体拼接过程中发现，此类的拼接无需蛋白质的酶参与作用，它可自我催化完成。酶参与作用，它可自我催化完成。CechCech称具有催化功称具有催化功能的能的RNARNA为核酶（为核酶（ribozymeribozyme）。）。 19891989年年cech Tcech T和和Altman SAltman S共同获诺贝尔化学奖，共同获诺贝尔化学奖，Altman SAltman S的贡献是发现的贡献是发现Rnase PRnase P中的中的M1RNAM1RNA单独也具有单独也具有催化功能催化功能 。核酶的发现改变了酶的化学本质是蛋白质。核酶的发现改变了酶的化学本质是蛋白质的传统观念。的传统观念。生命起源的探索生命起源的探索-DNA world or RNA world ？逆转录 核酶RNARNA合成合成降钙素降钙素甲状腺甲状腺脑脑降钙素基因降钙素基因相关肽相关肽