--RNA的转录与转录后加工课件

第六讲第六讲 RNARNA的转录与转录后加工的转录与转录后加工RNARNA转录概述转录概述 以以DNADNA为模板合成为模板合成RNARNA的过程称为转录。转录以的过程称为转录。转录以DNADNA的一条链作为模板合成的一条链作为模板合成RNARNA分子，合成以碱基配分子，合成以碱基配对的方式进行，产生的对的方式进行，产生的RNARNA链与链与DNADNA模板链互补。模板链互补。转录转录也是一种酶促的核苷酸聚合过程，所需的也是一种酶促的核苷酸聚合过程，所需的酶叫做酶叫做DNADNA指导的指导的RNARNA聚合酶。聚合酶。RNARNA转录的特点转录的特点 以以DNADNA双链的反义链为模板双链的反义链为模板 以以4 4种三磷酸核苷种三磷酸核苷(NTPsNTPs)为底物为底物 遵循碱基互补配对原则遵循碱基互补配对原则 RNARNA链从链从5353连续合成连续合成 转录过程需要转录过程需要MnMn2+2+或或MgMg2+2+转录过程不需要引物转录过程不需要引物 RNARNA聚合酶缺乏聚合酶缺乏3535外切酶活外切酶活性性 RNARNA转录的基本过程转录的基本过程u 模板识别模板识别 RNARNA聚合酶与启动子聚合酶与启动子DNADNA双链相互作用并与之相结合的过程。双链相互作用并与之相结合的过程。u 转录起始转录起始 RNARNA聚合酶的结合导致启动子附近的聚合酶的结合导致启动子附近的DNADNA双链解旋并解链，形双链解旋并解链，形成转录泡，促使成转录泡，促使RNARNA链第一个核苷酸键产生。链第一个核苷酸键产生。u 转录延伸转录延伸 RNARNA聚合酶沿模板聚合酶沿模板DNADNA链移动并使新生链移动并使新生RNARNA不断伸长。不断伸长。u 转录终止转录终止 RNARNA链延伸到转录终止位点时，转录进入终止过程。链延伸到转录终止位点时，转录进入终止过程。RNARNA聚合酶聚合酶u 大肠杆菌大肠杆菌RNA聚合酶聚合酶亚基亚基基因基因相对分子量相对分子量亚基数亚基数组分组分功能功能 rpoA 3.65104 2核心酶核心酶核心酶组装，启动子核心酶组装，启动子识别识别 rpoB 1.51105 1核心酶核心酶和和共同形成共同形成RNA合成的活性中心合成的活性中心 rpoC 1.55105 1核心酶核心酶?11104 1核心酶核心酶未知未知 rpoD 7.0104 1因子因子存在多种存在多种因子，用因子，用于识别不同的启动子于识别不同的启动子 因子的作用是负责模因子的作用是负责模板链的选择和转录的起始板链的选择和转录的起始,它它是酶的别构效应物，使酶专是酶的别构效应物，使酶专一性识别模板上的启动子。一性识别模板上的启动子。在某些细菌细胞内含有在某些细菌细胞内含有能识别不同启动子的能识别不同启动子的因子，因子，以适应不同生长发育阶段的以适应不同生长发育阶段的要求，调控不同基因转录的要求，调控不同基因转录的起始。起始。大肠杆菌大肠杆菌RNA聚合酶聚合酶RNARNA聚合酶的结构聚合酶的结构 在电镜下观察RNA聚合酶，其外形犹如右手，拇指与食指间的凹槽正好结合DNA。RNA聚合酶很大，它与DNA结合，其覆盖DNA的范围大约是40bp。RNARNA聚合酶聚合酶u 真核生物的真核生物的RNA聚合酶聚合酶酶的种类酶的种类分布分布转录产物转录产物对对-鹅膏蕈鹅膏蕈碱碱的敏感性的敏感性相对活性相对活性RNARNA聚合酶聚合酶核仁核仁45S 45S rRNArRNA不敏感不敏感50-70%50-70%RNARNA聚合酶聚合酶核质核质hnRNAhnRNA敏感敏感20-40%20-40%RNARNA聚合酶聚合酶核质核质tRNA,5S tRNA,5S rRNArRNA,snRNAsnRNA存在物种特存在物种特异性异性约约10%10%线粒体线粒体RNARNA聚聚合酶合酶线粒体线粒体线粒体线粒体RNARNA不敏感不敏感叶绿体叶绿体RNARNA聚聚合酶合酶叶绿体叶绿体叶绿体叶绿体RNARNA不敏感不敏感启动子与转录起始启动子与转录起始u RNA的转录单元的转录单元 启动子启动子是指为是指为RNARNA聚合酶提供识别、结合位点并起始转录的聚合酶提供识别、结合位点并起始转录的DNADNA序列。为转录提供终止信号的序列。为转录提供终止信号的DNADNA序列称为序列称为终止子终止子。转录单元转录单元是一段从启动子开始至终止子结束的是一段从启动子开始至终止子结束的DNADNA序列。序列。转录起始位点转录起始位点是是指与新生指与新生RNARNA链第一个核苷酸相对应的链第一个核苷酸相对应的DNADNA链上的碱基，通常为一链上的碱基，通常为一个嘌呤。个嘌呤。启动子的结构启动子的结构u 大肠杆菌启动子的结构大肠杆菌启动子的结构u 真核生物启动子的结构真核生物启动子的结构原核生物启动子的共同点原核生物启动子的共同点u 结构典型结构典型u 序列保守序列保守u 位置和距离都比较恒定位置和距离都比较恒定u 直接和多聚酶相结合直接和多聚酶相结合u 常与操纵子相邻常与操纵子相邻u 都在其控制基因的都在其控制基因的55端端u 决定转录的启动和方向决定转录的启动和方向启动子与转录起始启动子与转录起始u 启动子的识别启动子的识别 一般认为，一般认为，RNARNA聚合酶并不直接识别碱基对本身，而是通过聚合酶并不直接识别碱基对本身，而是通过氢键互补的方式加以识别。这也表明，启动子功能既受氢键互补的方式加以识别。这也表明，启动子功能既受DNADNA序列序列的影响，又受其构象的影响。的影响，又受其构象的影响。启动子与转录起始启动子与转录起始u 启动子的效率启动子的效率 启动子有强弱之分，研究表明，强弱启动子的差别在于启动子有强弱之分，研究表明，强弱启动子的差别在于-35-35区，以及区，以及-10-10区与区与-35-35区之间的距离，其距离大约是区之间的距离，其距离大约是16-19bp16-19bp。真核生物启动子真核生物启动子 真核生物有三种真核生物有三种RNARNA聚合酶，需要三类不同的启动子，它们聚合酶，需要三类不同的启动子，它们都由转录因子而不是都由转录因子而不是RNARNA聚合酶所识别。聚合酶所识别。l 型启动子型启动子l 型启动子型启动子l 型启动子型启动子 RNARNA聚合酶聚合酶的启动子，它控制的启动子，它控制rRNArRNA前体基因转录，前体基因转录，其产物经剪接加工其产物经剪接加工后生成各种成熟后生成各种成熟rRNArRNA。RNARNA聚合酶聚合酶所识别，序列多样。所识别，序列多样。涉及众多编码蛋白涉及众多编码蛋白质基因表达的控制。质基因表达的控制。RNARNA聚合酶聚合酶所识别分为两类：所识别分为两类：基因内启动子和转基因内启动子和转录起点上游启动子录起点上游启动子（也称基因外启动（也称基因外启动子）。子）。真核生物启动子真核生物启动子 分析表明，绝大多数功能蛋白质启动子都具有共同的结分析表明，绝大多数功能蛋白质启动子都具有共同的结构模式。除构模式。除TATATATA区以外，还含有上游激活序列、应答元件等多区以外，还含有上游激活序列、应答元件等多种调控序列。基因转录实际上是种调控序列。基因转录实际上是RNARNA聚合酶、转录调控因子和聚合酶、转录调控因子和启动子区各种调控元件相互作用的结果。启动子区各种调控元件相互作用的结果。u 启动子的组成启动子的组成l TATA区区l 上游激活序上游激活序列列l 应答元件应答元件 转录转录DNADNA序列序列55端上游一段富端上游一段富含含TATA的序列，类似的序列，类似于原核生物于原核生物-10-10区。区。位于位于TATATATA区上游区上游的保守序列，其存在的保守序列，其存在与否，对该启动子的与否，对该启动子的生物有明显影响。生物有明显影响。对某些特殊的对某些特殊的物质或外界刺激能物质或外界刺激能迅速作出反应的调迅速作出反应的调控元件。控元件。真核生物启动子真核生物启动子 转录因子是转录起转录因子是转录起始过程中始过程中RNARNA聚合酶所需聚合酶所需的辅助因子（主要是蛋的辅助因子（主要是蛋白质），其作用或识别白质），其作用或识别DNADNA的顺式作用位点，或的顺式作用位点，或识别识别RNARNA聚合酶，或是识聚合酶，或是识别其他因子。别其他因子。u 启动子对转录的影响启动子对转录的影响转录因子转录因子转录的抑制转录的抑制 某些核酸代谢的拮抗物和抗生素可抑制核苷酸或核酸的合成，某些核酸代谢的拮抗物和抗生素可抑制核苷酸或核酸的合成，因而可以用于抗病毒或抗肿瘤药物，也可以用于核酸的研究。因而可以用于抗病毒或抗肿瘤药物，也可以用于核酸的研究。RNARNA转录的抑制剂根据其作用的性质主要可以分为两大类：第转录的抑制剂根据其作用的性质主要可以分为两大类：第一类是一类是DNADNA模板功能抑制剂，第二类是模板功能抑制剂，第二类是RNARNA聚合酶的抑制物。聚合酶的抑制物。抑制剂抑制剂靶酶靶酶抑制作用抑制作用利福霉素利福霉素细菌全酶细菌全酶和和亚基结合，抑制起始亚基结合，抑制起始利迪链霉素利迪链霉素细菌核心酶细菌核心酶和和亚基结合，抑制起始亚基结合，抑制起始放线菌素放线菌素D真核真核RNA聚合酶聚合酶与与DNA结合，阻止延伸结合，阻止延伸-鹅膏蕈碱鹅膏蕈碱真核真核RNA聚合酶聚合酶与与RNA聚合酶聚合酶结合结合信使信使RNARNA（mRNA)mRNA)原核生物原核生物mRNAmRNA的转录和翻译发生在同一个细胞空间里，两的转录和翻译发生在同一个细胞空间里，两者间存在偶联。一个原核细胞的者间存在偶联。一个原核细胞的mRNAmRNA有时可以编码几个多肽。有时可以编码几个多肽。u 原核生物原核生物mRNA的特征的特征l mRNA的半衰期短的半衰期短 绝大多数细菌绝大多数细菌mRNAmRNA半衰期很短，其降解紧随着蛋白质翻译过程发生。半衰期很短，其降解紧随着蛋白质翻译过程发生。l 许多许多mRNA可能以多顺反子形式存在可能以多顺反子形式存在 只编码一个蛋白质多肽的只编码一个蛋白质多肽的mRNAmRNA称为称为单顺反子单顺反子，而能编码多个蛋白质，而能编码多个蛋白质 多肽的多肽的mRNAmRNA称为称为多顺反子多顺反子。l 5 5端无帽子结构，端无帽子结构，3 3端没有或只有较短的端没有或只有较短的poly A 原核生物起始密码子原核生物起始密码子AUGAUG上游上游7-127-12个核苷酸处有保守序列能与个核苷酸处有保守序列能与16S 16S rRNArRNA 3 3端反向互补，在起始翻译过程时起重要作用，称为端反向互补，在起始翻译过程时起重要作用，称为SDSD序列序列。真核生物真核生物mRNAmRNA的特征的特征 mRNAmRNA的加帽是指的加帽是指mRNAmRNA转录后在其转录后在其55末端加上甲方基化鸟嘌末端加上甲方基化鸟嘌呤，其反应由腺苷酸转移酶催化完成。呤，其反应由腺苷酸转移酶催化完成。u 55端的帽子结构端的帽子结构l 帽子结构的种类帽子结构的种类 mRNAmRNA可能具有三种类型的帽子。可能具有三种类型的帽子。l 帽子结构的功能帽子结构的功能 有利于有利于mRNAmRNA跨膜跨膜 稳定稳定mRNAmRNA 有利于翻译起始有利于翻译起始真核生物真核生物mRNAmRNA的特征的特征 除组蛋白基因外，真核生物除组蛋白基因外，真核生物mRNAmRNA的的33端都有端都有poly Apoly A序列，序列，其长度一般为其长度一般为40-20040-200个左右。个左右。u 33端的多聚腺苷酸尾巴端的多聚腺苷酸尾巴l 加尾信号加尾信号 poly Apoly A上游上游11-30nt11-30nt处的处的 AAUAAAAAUAAA为高度保守序列。为高度保守序列。l poly A的功能的功能 有利于有利于mRNAmRNA跨膜跨膜 稳定稳定mRNAmRNA 有利于翻译调控有利于翻译调控转录的终止转录的终止 一般情况下，一般情况下，RNARNA聚合酶起始基因转录后，它就聚合酶起始基因转录后，它就会沿模板会沿模板5353方向连续合成方向连续合成RNARNA，直到碰到终止，直到碰到终止信号才与模板相脱离并释放新生信号才与模板相脱离并释放新生RNARNA链。链。RNARNA合成终止发生在转录合成终止发生在转录DNADNA特殊碱基顺序中特殊碱基顺序中,能能提供转录终止信号的提供转录终止信号的DNADNA序列称为序列称为终止子终止子，协助，协助RNARNA聚聚合酶识别终止信号的蛋白因子则称为合酶识别终止信号的蛋白因子则称为终止因子终止因子。原原核核生生物物的的转转录录终终止止 模板上存在特殊的转录终止信模板上存在特殊的转录终止信号号内在终止子，其结构特点是：内在终止子，其结构特点是：终止位点上游一般具终止位点上游一般具GCGC丰富对称区；丰富对称区；转录产物转录产物33端为寡聚端为寡聚U U。因子六聚体具有因子六聚体具有NTPNTP酶和解螺酶和解螺旋酶活性，通过水解旋酶活性，通过水解NTPNTP促使新生促使新生RNARNA链的释放。链的释放。真核生物的转录终止真核生物的转录终止 对于真核生物转录的终止信号和终止机制了解对于真核生物转录的终止信号和终止机制了解得很少，其主要困难在于很难确定原初转录物的得很少，其主要困难在于很难确定原初转录物的33末端，因为大多数基因在转录后很快进行加工，无末端，因为大多数基因在转录后很快进行加工，无论是论是mRNAmRNA、tRNAtRNA还是还是rRNArRNA都是如此。都是如此。对于对于RNARNA聚合酶聚合酶，体外转录与体内转录产物相，体外转录与体内转录产物相同，这就表明体内转录确实是在同，这就表明体内转录确实是在RNARNA末端处终止的。末端处终止的。转录的抗终止转录的抗终止 有些终止子的作用可被特异的因子阻止，使聚合酶能越过有些终止子的作用可被特异的因子阻止，使聚合酶能越过终止子继续转录，称为终止子继续转录，称为抗终止作用抗终止作用。这类引起抗终止作用的蛋。这类引起抗终止作用的蛋白称为白称为抗终止因子抗终止因子。抗终止作用主要有两种方式：。抗终止作用主要有两种方式：u 破坏终止位点破坏终止位点RNA的茎环结构的茎环结构 在一些控制氨基酸合成的操纵子结构基因前面的前导序列中在一些控制氨基酸合成的操纵子结构基因前面的前导序列中具有终止信号，由于转录和翻译的偶联，核糖滞留在一定区域，具有终止信号，由于转录和翻译的偶联，核糖滞留在一定区域，使使mRNAmRNA不能形成特定的二级结构。不能形成特定的二级结构。u 依赖于蛋白质因子的转录抗终止依赖于蛋白质因子的转录抗终止 由于某些蛋白质的参与，使由于某些蛋白质的参与，使RNARNA聚合酶构象，从而对终止信聚合酶构象，从而对终止信号不敏感，转录继续进行。号不敏感，转录继续进行。RNARNA转录与转录与DNADNA复制的异同复制的异同项项 目目DNADNA复制复制RNARNA转录转录场所场所主要在细胞核中主要在细胞核中主要在细胞核中主要在细胞核中模板模板DNADNA的每一条链的每一条链DNADNA的一条链的一条链原料原料dNTPsdNTPsNTPsNTPs酶酶DNADNA解旋酶，解旋酶，DNADNA连接酶连接酶DNADNA指导的指导的DNADNA聚合酶聚合酶DNADNA指导的指导的RNARNA聚合酶聚合酶DNADNA解旋酶解旋酶DNADNA指导的指导的RNARNA聚合酶聚合酶校正功能校正功能酶具有校正功能酶具有校正功能酶不具校正功能酶不具校正功能合成方向合成方向5353，半不连续合成，半不连续合成5353连续合成连续合成产物产物子代子代DNADNA分子分子RNARNA分子分子碱基互补配对原则碱基互补配对原则GCGC，CG,ATCG,AT，TATAGCGC，CG,AUCG,AU，TATA引物引物需要合成需要合成RNARNA引物引物不需要不需要转录的调节控制转录的调节控制 操纵子是原核生物转操纵子是原核生物转录调控的主要形式，相关录调控的主要形式，相关的基因排列成簇，由一个的基因排列成簇，由一个调节蛋白所控制，一开俱调节蛋白所控制，一开俱开，一闭俱闭，从而对环开，一闭俱闭，从而对环环境条件的改变作出相应环境条件的改变作出相应的反应。的反应。环腺苷酸（环腺苷酸（cAMPcAMP）在原核生物的基因表达调控过程中有）在原核生物的基因表达调控过程中有重要作用。重要作用。u 原核生物转录的调原核生物转录的调控控转录的调节控制转录的调节控制u 真核生物转录的调真核生物转录的调控控 真核细胞基因组真核细胞基因组DNADNA的含量非常大，的含量非常大，因此，相似的因此，相似的DNADNA序列出现的次数增加，序列出现的次数增加，特异调控的难度加大。解决这个难题特异调控的难度加大。解决这个难题的途径有二个：的途径有二个：l 由组蛋白封闭有关的由组蛋白封闭有关的DNADNA序列序列l 多个调控因子同时与邻近的特异多个调控因子同时与邻近的特异DNADNA部位结合部位结合RNARNA的剪接的剪接 真核生物的大部分基因都是不连真核生物的大部分基因都是不连续的断裂基因，这些被称为续的断裂基因，这些被称为外显子外显子的的不连续编码区之间的序列称为不连续编码区之间的序列称为内含子内含子，它们需要在转录后通过它们需要在转录后通过RNARNA的剪接才能的剪接才能被去除。被去除。RNARNA的剪接主要有的剪接主要有3 3种方式：种方式：核核mRNAmRNA的剪接；的剪接；型自我剪接；型自我剪接；型自我剪接型自我剪接 。RNARNA的剪接的剪接 比较不同基因的核苷酸序列发现，比较不同基因的核苷酸序列发现，mRNAmRNA前体中内含子的边接前体中内含子的边接点处发现了高度保守序列，这些序列结构可能是产生点处发现了高度保守序列，这些序列结构可能是产生mRNAmRNA前体剪前体剪接的信号。接的信号。u mRNAmRNA的剪接的剪接 大多数真核生物细胞核内存在着许多种类的核内小大多数真核生物细胞核内存在着许多种类的核内小RNA(snRNARNA(snRNA)，通常又称通常又称U-RNAU-RNA。它们与蛋白质结合形成核内小核糖核蛋白颗粒参与。它们与蛋白质结合形成核内小核糖核蛋白颗粒参与hnRNAhnRNA的剪接。的剪接。mRNAmRNA的剪接的剪接u mRNAmRNA的剪接体的剪接过程的剪接体的剪接过程mRNAmRNA的剪接的剪接u mRNAmRNA的变位剪接形式的变位剪接形式mRNAmRNA的剪接的剪接u mRNAmRNA的变位剪接实例的变位剪接实例mRNAmRNA的剪接的剪接u 反式剪接反式剪接RNA的剪接的剪接型自我剪接型自我剪接RNA的剪接的剪接型型自自我我剪剪接接RNARNA的编辑的编辑 RNARNA的编辑是某些的编辑是某些RNARNA，特别是，特别是mRNAmRNA前体的一种加工方式，如插前体的一种加工方式，如插入、删除或取代一些核苷酸残基，导致入、删除或取代一些核苷酸残基，导致DNADNA所编码的遗传信息的改主，所编码的遗传信息的改主，因此经过编辑的因此经过编辑的mRNAmRNA序列发生了不同于模板序列发生了不同于模板DNADNA的变化。的变化。介导介导RNARNA编辑的机制有两种：编辑的机制有两种：l 位点特异性脱氨基作用位点特异性脱氨基作用l 引导引导RNA指导的尿指导的尿嘧啶插入或删除嘧啶插入或删除 指导指导RNARNA上存在一上存在一些未能配对的腺嘌呤，些未能配对的腺嘌呤，形成缺口，为尿嘧啶的形成缺口，为尿嘧啶的插入提供了模板。插入提供了模板。mRNAmRNA中的中的CUCU或或AIAI，都属，都属于脱氨基作用，分别由胞嘧啶和于脱氨基作用，分别由胞嘧啶和腺嘌呤脱氨酶所催化，腺嘌呤脱氨酶所催化，RNARNA编辑主编辑主要通过脱氨酶复合体中附加的要通过脱氨酶复合体中附加的RNARNA结合区辅助识别靶位点。结合区辅助识别靶位点。位点特异性脱氨基作用位点特异性脱氨基作用尿苷酸的缺失和添加尿苷酸的缺失和添加RNARNA的再编码的再编码 某些有机体在某些有机体在进行蛋白质翻译时，进行蛋白质翻译时，mRNAmRNA的读码信号在的读码信号在tRNAtRNA、rRNArRNA和其它和其它蛋白因子的作用下蛋白因子的作用下发生移位，也可以发生移位，也可以看作看作tRNAtRNA或核或核糖体跳过了糖体跳过了mRNAmRNA上的一段核苷序列，所以人们有进也称核糖体跳跃。上的一段核苷序列，所以人们有进也称核糖体跳跃。这也可看作是蛋白质合成的一种调节机制。这也可看作是蛋白质合成的一种调节机制。RNARNA的化学修饰的化学修饰 除了除了RNARNA编辑外，有些编辑外，有些RNARNA，特别是前体，特别是前体rRNArRNA和和tRNAtRNA，还可能存，还可能存在特异性化学修饰。在特异性化学修饰。核酶核酶 核酶是指一类具有催化功能的核酶是指一类具有催化功能的RNARNA分子，通过催化靶位点分子，通过催化靶位点RNARNA链链中磷酸二酯键盘的断裂，特异性地剪切底物中磷酸二酯键盘的断裂，特异性地剪切底物RNARNA分子，从而阻断基因分子，从而阻断基因的表达。的表达。不同的核酶具有不同的催化功能，可以分为两大类：不同的核酶具有不同的催化功能，可以分为两大类：l 剪切型核酶剪切型核酶l 剪接型核酶剪接型核酶 具有序列特异的内切核酸酶、具有序列特异的内切核酸酶、RNARNA连接酶等多种酶的活性，它连接酶等多种酶的活性，它能切割能切割RNARNA分子，也能通过转酯分子，也能通过转酯反应形成新的磷酸二酯键，连接反应形成新的磷酸二酯键，连接切割后的切割后的RNARNA分子。分子。只剪不接，能够催只剪不接，能够催化自身化自身RNARNA或不贩或不贩RNARNA分分子，切下特异的核苷酸子，切下特异的核苷酸序列。序列。RNARNA在生物进化中的地位在生物进化中的地位l 拷贝数大，变异率高拷贝数大，变异率高l 比比DNA序列含更多的遗传信息序列含更多的遗传信息 RNARNA变异率高达变异率高达1010-4-4-10-10-3-3核苷酸核苷酸/RNA/RNA分子，通过翻译错误的累分子，通过翻译错误的累加，从而使信息迅速积累。加，从而使信息迅速积累。通过多种方式表达出多种蛋白质异构体，也可通过反转录产生通过多种方式表达出多种蛋白质异构体，也可通过反转录产生RNARNA信息相一致的信息相一致的DNADNA分子。分子。l 是获得性遗传的分子基础是获得性遗传的分子基础 获得性遗传获得性遗传是指有机体在生长发育过程中由于环境的影响而不是指有机体在生长发育过程中由于环境的影响而不是由于基因突变所形成的新遗传性状。是由于基因突变所形成的新遗传性状。