基因转录课件

2021/3/101生物信息的传递生物信息的传递-从从DNA到到RNA2021/3/102遗传信息传递的遗传信息传递的 中心法则中心法则蛋白质蛋白质翻译翻译转录转录逆转录逆转录复制复制复制复制DNARNA生物的遗传信息以密码的形式储存在生物的遗传信息以密码的形式储存在DNA分子上。细胞分裂过程中，分子上。细胞分裂过程中，DNA复制把亲代细胞所含的遗传信息忠实地传递给子细胞。复制把亲代细胞所含的遗传信息忠实地传递给子细胞。子代细胞的生长发育过程中，这些遗传信息通过子代细胞的生长发育过程中，这些遗传信息通过转录转录传递给传递给RNA，再由，再由RNA通过通过翻译翻译转变成相应的蛋白质多肽链上的氨基酸排列顺序，由蛋白质执转变成相应的蛋白质多肽链上的氨基酸排列顺序，由蛋白质执行各种各样的生物学功能，使后代表现出与亲代相似的遗传特征。行各种各样的生物学功能，使后代表现出与亲代相似的遗传特征。一些一些RNA病毒能以自己的病毒能以自己的RNA为模板为模板A为合成为合成DNA，称为逆转录这是中，称为逆转录这是中心法则的补充。心法则的补充。2021/3/103RNA RNA，即核糖核酸，由核糖核苷酸经磷酯键缩合，即核糖核酸，由核糖核苷酸经磷酯键缩合而成长链状分子。而成长链状分子。一个核糖核苷酸分子由磷酸，核糖和碱基构成。一个核糖核苷酸分子由磷酸，核糖和碱基构成。RNA的碱基主要有的碱基主要有4种，即种，即A腺嘌呤、腺嘌呤、G鸟嘌呤、鸟嘌呤、C胞嘧啶、胞嘧啶、U尿嘧啶，其中，尿嘧啶，其中，U（尿嘧啶）取代了（尿嘧啶）取代了DNA中的中的T。2021/3/104一级结构一级结构2021/3/105二级结构二级结构2021/3/106信使信使RNA（mRNA）转运转运RNA（tRNA）核蛋白体核蛋白体RNA（rRNA）种种 类类2021/3/107转录的概念转录的概念 在在RNA聚合酶的催化下，以一段聚合酶的催化下，以一段DNA链为模板合链为模板合成成RNA，从而将，从而将DNA所携带的遗传信息传递给所携带的遗传信息传递给RNA的过程称为的过程称为转录（转录（transcription）。经转录生成的经转录生成的RNA有多种，主要的是有多种，主要的是rRNA，tRNA，mRNA，snRNA 等。等。DNA 转录转录RNA2021/3/108基本特点基本特点 不对称性不对称性 以双链以双链DNA中的一条链作为模板进行转录，从而中的一条链作为模板进行转录，从而将遗传信息由将遗传信息由DNA传递给传递给RNA模板链模板链编码链编码链5533552021/3/109 连续性连续性 RNA转录合成时，以转录合成时，以DNA作为模板，在作为模板，在RNA聚聚合酶的催化下，连续合成一段合酶的催化下，连续合成一段RNA链，各条链，各条RNA链之间无需再进行连接。链之间无需再进行连接。单向性单向性 RNA转录合成时，只能向一个方向进行聚合，所转录合成时，只能向一个方向进行聚合，所依赖的模板依赖的模板DNA链的方向为链的方向为35，而，而RNA链的链的合成方向为合成方向为53。2021/3/1010 有特定的起始和终止位点有特定的起始和终止位点 RNA转录合成时，只能以转录合成时，只能以DNA分子中的某一段作分子中的某一段作为模板，故存在特定的起始位点和特定的终止位点。为模板，故存在特定的起始位点和特定的终止位点。特定起始点和特定终止点之间的特定起始点和特定终止点之间的DNA链构成一个链构成一个转转录单位录单位，通常由转录区和有关的调节顺序构成。，通常由转录区和有关的调节顺序构成。2021/3/1011转录过程转录过程2021/3/1012 参与转录合成的酶和蛋白因子参与转录合成的酶和蛋白因子 原料：原料：NTP（ATP,UTP,GTP,CTP）模板：模板：单链单链DNA 酶：酶：RNA聚合酶（聚合酶（RNA-pol）其他蛋白质因子：其他蛋白质因子：如转录因子、终止因子等如转录因子、终止因子等2021/3/1013 RNA聚合酶聚合酶 依赖依赖DNA的的RNA聚合酶，聚合酶，该酶在单链该酶在单链DNA模板以及四种核糖核苷酸存在的条件下，模板以及四种核糖核苷酸存在的条件下，不需要引物不需要引物，即可从，即可从53聚合形成聚合形成RNA。2021/3/1014 原核生物中的原核生物中的RNA聚合酶全酶由五个亚基构成，即聚合酶全酶由五个亚基构成，即 2。亚基亚基与与转录起始点的识别转录起始点的识别有关，在转录合成开始后被释有关，在转录合成开始后被释放；余下的部分（放；余下的部分（2）被称为）被称为核心酶核心酶，与与RNA链的聚链的聚合合有关。有关。2021/3/1015 真核生物的真核生物的RNA聚合酶聚合酶 真核生物中的真核生物中的RNA聚合酶可按其对聚合酶可按其对-鹅膏蕈碱鹅膏蕈碱的的敏感性而分为三种，它们均由敏感性而分为三种，它们均由1012个大小不同个大小不同的亚基所组成，结构非常复杂，其功能也不同。的亚基所组成，结构非常复杂，其功能也不同。2021/3/1016 转录因子转录因子 直接或间接参与转录起始复合体的形成的蛋白因子被称为直接或间接参与转录起始复合体的形成的蛋白因子被称为转录因子（转录因子（transcriptional factor,TF）。（抗）终止因子（抗）终止因子 协助协助RNA聚合酶识别终止信号的蛋白质称为终止因子聚合酶识别终止信号的蛋白质称为终止因子(termination factor)。原核生物中的终止因子原核生物中的终止因子 蛋白是一种六聚体的蛋白质，亚蛋白是一种六聚体的蛋白质，亚基的分子量为基的分子量为50kd。蛋白能识别转录终止信号，并与蛋白能识别转录终止信号，并与RNA紧密结合，导致紧密结合，导致RNA的释放。的释放。2021/3/1017转录过程转录过程起始起始双链双链DNA局部解开局部解开磷酸二酯磷酸二酯键形成键形成终止阶段终止阶段解链区到达解链区到达基因终点基因终点延长阶段延长阶段5 3 RNA 启动子启动子（promoter)终止子终止子(terminator)5 RNA聚合酶聚合酶 5 3 5 3 5 5 3 离开离开2021/3/1018 起始起始 原核生物转录起始时，首先由原核生物转录起始时，首先由RNA聚合酶聚合酶中的中的 因子因子识别转录起始点，并促使核心酶识别转录起始点，并促使核心酶结合形成全酶复合物。结合形成全酶复合物。位于基因上游，与位于基因上游，与RNA聚合酶识别、结合聚合酶识别、结合并起始转录有关的一些并起始转录有关的一些DNA调控序列被称调控序列被称为为启动子（启动子（promoter）。2021/3/1019开始转录开始转录(Pribnow box)T A T A A T Pu A T A T T A Py-10 区区1-30-5010-10-40-205 3 3 5 原核生物启动子的保守序列原核生物启动子的保守序列T T G A C AA A C T G T-35 区区RNA-pol辨认位点辨认位点(recognition site)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 2021/3/1020 流产转录流产转录 通过启动子（起始）快：强启动子通过启动子（起始）快：强启动子 慢：慢：弱启动子弱启动子RNApol(2)-DNA-pppGpN-OH 3 转录起始复合物转录起始复合物2021/3/1021 延长延长 因子从全酶上脱离，余下的核心酶继续沿因子从全酶上脱离，余下的核心酶继续沿DNA链移链移动，按照碱基互补原则，不断聚合动，按照碱基互补原则，不断聚合RNA。亚基脱落，亚基脱落，RNApol聚合酶核心酶变构，与模板结合聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，沿着松弛，沿着DNA模板前移；模板前移；在在核心酶核心酶作用下，作用下，NTP不断聚合，不断聚合，RNA链不断延长。链不断延长。2021/3/1022 终止终止 RNA RNA 聚合酶停滞，聚合酶停滞，RNA RNA 解离解离 RNARNA转录合成的终止机制有两种：转录合成的终止机制有两种：1 1，内在因子，非，内在因子，非RhoRho因终止子：转录的终止的特因终止子：转录的终止的特殊信号（一段殊信号（一段RNA RNA 序列）序列）2 2依赖依赖RhoRho因子的转录终止：因子的转录终止：由终止因子（由终止因子（因子）识别特异的终止信号，并促因子）识别特异的终止信号，并促使使RNARNA的释放。的释放。2021/3/1023大肠杆菌两类终止子的回文结构大肠杆菌两类终止子的回文结构A.不依赖于不依赖于Rho（）的终止子的终止子A.依赖于依赖于Rho（）的终止子的终止子富含富含G-C系列系列U2021/3/1024模板模板DNA链在接近转链在接近转录终止点处存在相连的录终止点处存在相连的富含富含GC和和AT的区域，的区域，使使RNA转录产物形成转录产物形成寡聚寡聚U及发夹形的二级及发夹形的二级结构，引起结构，引起RNA聚合聚合酶变构及移动停止，导酶变构及移动停止，导致致RNA转录的终止。转录的终止。1 1非依赖非依赖RhoRho的转录终止：的转录终止：2021/3/1025ATP2 2，依赖，依赖 RhoRho因子的转录终止因子的转录终止DNA 序列缺乏共性，不能形成强的发卡结构序列缺乏共性，不能形成强的发卡结构6聚体，聚体，具有具有NTP酶酶和解螺旋酶和解螺旋酶2021/3/10262021/3/1027真核生物的转录过程真核生物的转录过程2021/3/1028真核生物启动子保守序列真核生物启动子保守序列参与转录位点确定起始控制转录起始频率2021/3/1029 在远离受控基因处存在的，能够增强基因转录活性的调控在远离受控基因处存在的，能够增强基因转录活性的调控序列称为序列称为增强子（增强子（enhancer）。增强子特点：。增强子特点：远距离效应；无方向性；顺势调控；广泛性，相位性远距离效应；无方向性；顺势调控；广泛性，相位性2021/3/10302021/3/1031 真核生物转录起始：真核生物转录起始：首先由首先由TFD的的TBP亚基识别并结合亚基识别并结合TATA盒，然后在其他转录盒，然后在其他转录因子的配合下，与因子的配合下，与RNA聚合酶聚合酶组装形组装形成转录起始前复合物成转录起始前复合物(pre-initiation complex,PIC)。2021/3/1032 RNA聚合酶聚合酶催化第一个磷酸二酯键形成。催化第一个磷酸二酯键形成。RNA聚合酶聚合酶的的羧基末端结构域羧基末端结构域（CTD）被磷酸化修饰，大部分转录因子脱离，聚合被磷酸化修饰，大部分转录因子脱离，聚合酶向下游移动延伸酶向下游移动延伸RNA链。链。2021/3/1033 真核生物转录延真核生物转录延长：与原核生物长：与原核生物类似，但由于存类似，但由于存在核小体的高级在核小体的高级结构，故在转录结构，故在转录延长过程中可观延长过程中可观察到核小体移位察到核小体移位和解聚现象。和解聚现象。2021/3/1034 真核生物转录终止：真核生物转录终止：在在poly A修饰位点的下游存在一组共同序修饰位点的下游存在一组共同序列列AATAAA和和GTGTGT，为转录终止，为转录终止的识别修饰位点。的识别修饰位点。在转录越过修饰点后，在转录越过修饰点后，RNA链在修饰点处链在修饰点处被切断，随即进行加帽和加尾修饰。被切断，随即进行加帽和加尾修饰。2021/3/1035真核生物真核生物RNARNA的转录终止的转录终止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 mRNA2021/3/1036真核生物转录后加工真核生物转录后加工2021/3/1037 1 1加帽（加帽（adding capadding cap）：）：即在即在mRNA的的5-端加上端加上m7GTP的结构。此的结构。此过程发生在细胞核内，即过程发生在细胞核内，即HnRNA即可进行即可进行加帽。加帽。加工过程首先是在磷酸酶的作用下，将加工过程首先是在磷酸酶的作用下，将5-端的磷酸基水解，然后再加上鸟苷三磷酸，端的磷酸基水解，然后再加上鸟苷三磷酸，形成形成GpppN的结构，再对的结构，再对G进行甲基化。进行甲基化。2021/3/1038GAAGuanine-7-methyl-transferase2-O-methyl-transferaseCap 01015%100%2021/3/1039 2 2加尾（加尾（adding tailadding tail）：）：这一过程也是细胞核内完成，首先由核这一过程也是细胞核内完成，首先由核酸外切酶切去酸外切酶切去3-端一些过剩的核苷酸，端一些过剩的核苷酸，然后再加入然后再加入polyA。polyA结构与结构与mRNA的半寿期有关。的半寿期有关。2021/3/1040The 3 ends of mRNAs are generated by cleavage and polyadenylation；The sequence AAUAAA is necessary for cleavage to generate a 3 end for poly-adenylation.2021/3/1041CABD编码区编码区 A、B、C、D非编码区非编码区 真核生物结构基因，由若干个编码区和非编码区互相真核生物结构基因，由若干个编码区和非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非编码区再连接后，间隔开但又连续镶嵌而成，去除非编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成的完整蛋白质，这些基因可翻译出由连续氨基酸组成的完整蛋白质，这些基因称为称为断裂基因断裂基因3 3、RNARNA的剪接（的剪接（RNA splicingRNA splicing）2021/3/1042 tRNAtRNA rRNArRNA 型内含子（型内含子（mRNA,rRNAmRNA,rRNA）特点特点:依赖于特定序列（依赖于特定序列（GUGUAG,AUAG,AUACAC）;SnSNP;SnSNP形成剪接体；转酯反应形成剪接体；转酯反应 型内含子（核酶）（型内含子（核酶）（mRNA,rRNAmRNA,rRNA）（自我剪接）（自我剪接）特点：依赖于特定序列特点：依赖于特定序列(U UU U、U UG G等等)；特殊结；特殊结构，自身催化；转酯反应构，自身催化；转酯反应2021/3/10432021/3/1044tRNAtRNA的转录后加工的转录后加工主要有以下几种加工方式：主要有以下几种加工方式：l 切断切断l 剪接剪接l 3-末端末端-CCA序列添加序列添加1.化学修饰化学修饰2021/3/1045tRNA前体前体RNA pol TGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNAtRNAtRNA前体的转录合成前体的转录合成2021/3/1046tRNAtRNA前体的切断和剪接加工前体的切断和剪接加工2021/3/1047tRNA3-tRNA3-末端末端-CCA-CCA序列的添加序列的添加2021/3/1048tRNAtRNA的碱基修饰的碱基修饰（2）还原反应）还原反应 如：如：U DHU （3）核苷内的转位反应）核苷内的转位反应 如：如：U （4）脱氨反应）脱氨反应 如：如：A I 如：如：A Am（1）甲基化）甲基化（1 1）（1 1）（3 3）（2 2）（4 4）2021/3/1049rRNArRNA的转录后加工的转录后加工 在高等真核生物中，前体以沉降速率来在高等真核生物中，前体以沉降速率来命名，命名为命名，命名为45SRNA，真核生物中前，真核生物中前体包括了体包括了18S rRNA、5.8S rRNA和和28S rRNA序列序列2021/3/10502021/3/1051rRNArRNA前体的转录和剪接加工前体的转录和剪接加工2021/3/1052 核内带有外显子和内含子编码序列的初级核内带有外显子和内含子编码序列的初级RNA转录产物称为转录产物称为杂化核杂化核RNA（hetero-nuclear RNA,hnRNA）hnRNA经剪接加工除去内含子编码序列经剪接加工除去内含子编码序列并将外显子编码序列连接起来才能形成成并将外显子编码序列连接起来才能形成成熟的熟的mRNA型内含子：型内含子：hnRNAhnRNA和和snRNAsnRNA：2021/3/1053 snRNA为核内小为核内小RNA，富含尿嘧啶，故，富含尿嘧啶，故以以U作分类和命名，如作分类和命名，如 U1、U2等等snRNA与核内蛋白质组装形成与核内蛋白质组装形成小核蛋白小核蛋白体体（snRNP），参与），参与hnRNA的剪接加工的剪接加工2021/3/1054A/CAG GUPuAGU A Py rich AG G55剪接位点剪接位点分支点分支点3剪接位点剪接位点内含子内含子外显子外显子外显子外显子32021/3/1055U1U1U2U4/6U5U1U2U4/6U5U1U2OHOHUACUAACGUAGOHUACUAACUGAG剪接体剪接体2021/3/1056GUAGAU GAGAGUAGA套索结构套索结构套索的形成及剪接套索的形成及剪接12122021/3/1057型内含子型内含子 线粒体与叶绿体的线粒体与叶绿体的rRNA 中中 1981年年T.Cech和和S.Atman 四膜虫四膜虫 rRNA 核酶（核酶（ribozyme）：）：是指一类具有催化功是指一类具有催化功能的能的RNA分子，通过催化靶位点分子，通过催化靶位点RNA链中链中磷酸二酯键的断裂，特异性地剪切底物磷酸二酯键的断裂，特异性地剪切底物RNA分子，从而阻断基因的表达分子，从而阻断基因的表达2021/3/1058锤头型核酶的二级结构和空间立体结构示意图锤头型核酶的二级结构和空间立体结构示意图2021/3/1059UpAGpU外显子外显子1内含子内含子外显子外显子2pG-OH(ppG-OH,pppG-OH)U-OHGpUpGpA第一次转酯反应第一次转酯反应第二次转酯反应第二次转酯反应G-OHUpUpGpA剪接机制剪接机制2021/3/10602021/3/1061核酶与传统酶的区别：核酶与传统酶的区别：l 一般的酶是纯的蛋白质，而核酶是一般的酶是纯的蛋白质，而核酶是RNA或带蛋白的或带蛋白的RNAl 有的核酶既是催化剂又是底物。而酶仅有的核酶既是催化剂又是底物。而酶仅催化反应催化反应2021/3/1062核酶发现的重大核酶发现的重大意义：意义：l 突破了酶的概念突破了酶的概念l 揭示了内含子自我剪接的奥秘，促进了揭示了内含子自我剪接的奥秘，促进了RNARNA的研究的研究 l 为生命的起源和分子进化提供了新的依据为生命的起源和分子进化提供了新的依据2021/3/1063可变剪接可变剪接（Alternative splicing）可变剪接可变剪接是指从一个特定的基因转录物中通过利用不同是指从一个特定的基因转录物中通过利用不同5、3剪接位点产生出不同的成熟的剪接位点产生出不同的成熟的mRNA的过程。主的过程。主要有四种方式：要有四种方式：（1）利用不同的启动子）利用不同的启动子（2）利用不同的）利用不同的Poly（A）位点）位点（3）保留某些内含子）保留某些内含子（4）保留或去除某些外显子）保留或去除某些外显子2021/3/10642021/3/10654.RNA4.RNA的编辑、再编码和修饰的编辑、再编码和修饰 RNA的编辑的编辑(RNA editing)RNA的一种加工方式，它导致了的一种加工方式，它导致了RNA所编码所编码的遗传信息的改变（如的遗传信息的改变（如 单碱基突变），特别单碱基突变），特别是是mRNA编辑，是在编辑，是在mRNA水平上信息发生水平上信息发生改变（碱基取代、插入或缺失）的过程改变（碱基取代、插入或缺失）的过程2021/3/1066DNA序列序列 GA G AAmRNA序列序列 GAU*U*GU*AU*A蛋白质序列蛋白质序列 Asp Cys Ile单碱基突变单碱基突变尿苷酸的缺失和添加尿苷酸的缺失和添加2021/3/1067碱基取代碱基取代 哺乳动物载脂蛋白哺乳动物载脂蛋白B mRNA的编辑：的编辑：载脂蛋白载脂蛋白B的的mRNA含含29个个外显子，有外显子，有4563个个code，第第2153号号code是是CAA，在，在肝中肝中mRNA 编码编码4563AA的的蛋白，小肠中存在的脱氢酶蛋白，小肠中存在的脱氢酶使使C脱氢，将脱氢，将CAAUAA，小肠的小肠的mRNA中编辑产生中编辑产生UAA使翻译停止在使翻译停止在2153code处处Apo100Apo48:形成形成CM:乳糜颗粒乳糜颗粒2021/3/1068碱基的插入或缺失和移码碱基的插入或缺失和移码 移码：锥虫移码：锥虫coxII（cytochromeoxidase,细胞色素细胞色素氧化酶氧化酶II）基因）基因的的mRNA相对相对于其于其DNA序列序列出现了读码框出现了读码框的偏移，通过的偏移，通过插入插入4个个U，才，才能产生正确的能产生正确的读码框读码框2021/3/1069 插入或缺失插入或缺失：锥虫线粒体的细胞色素氧化酶锥虫线粒体的细胞色素氧化酶III mRNA序列分析表明，许多序列分析表明，许多U并非在并非在DNA中编码（红色）中编码（红色）或在或在RNA中被除掉（用中被除掉（用T表示）。这些表示）。这些U的专一性插入的专一性插入信息是由向导信息是由向导RNA（guide RNA）提供的，向导）提供的，向导RNA含有和正确编辑的含有和正确编辑的RNA互补的一段序列互补的一段序列2021/3/1070AAAUUUAUGUUGUCUUUUAACUUUAAAUAUAAUAGAAAAUUGAAA A G G C UUUAACUUUAAAUAUAAUAGAAAAUUG编辑前RNA指导RNA2021/3/10712021/3/1072RNA的再编码的再编码指指RNA的编码和读码方式的改变的编码和读码方式的改变再编码的形式再编码的形式+1/-1移码移码核糖体跳跃核糖体跳跃终止子通读终止子通读2021/3/1073 前体前体rRNA和和tRNA可能有特异性的化学修饰，可能有特异性的化学修饰，核核仁仁RNA（snoRNAs）参与参与RNA的化学修饰的化学修饰RNA的化学修饰（的化学修饰（RNA modification）化学修饰途径化学修饰途径甲基化甲基化去氨基化去氨基化硫代硫代碱基的同分异构化碱基的同分异构化二价键的饱和化二价键的饱和化核苷酸的替代核苷酸的替代