第 四 章,RNA的生物合成 （转录） RNA Biosynthesis, Transcription,【本章内容】,第一节 转录体系 第二节 转录过程 第三节 RNA的转录后加工 第四节 RNA的复制,转录 (transcription) 生物体以DNA为模板合成RNA的过程 。,转录,DNA指导的RNA合成 -转录体系,第一节,参与转录的物质,原料: NTP (ATP, UTP, GTP, CTP) 模板: DNA(模板链) 酶: RNA聚合酶(RNA polymerase, RNA-pol) 其他蛋白质因子,(NMP)n + NTP (NMP)n+1 + PPi,DNA模板,一、RNA聚合酶 (RNA-pol),DNA dependent RNA polymerase (DDRP),1、原核生物RNA聚合酶的组成及作用* （1）组成： 全 酶 = 核心酶 + （2,） （2,） （2）作用： 因子：辨认起始点 核心酶：催化RNA链的延伸,（一）原核生物的RNA聚合酶,核心酶 (core enzyme),全酶 (holoenzyme),亚基的功能：辨认转录的起始点;,核心酶可以进行转录，但不能在特定的起始点上开始转录。,大肠杆菌RNA聚合酶的组成及功用,（3）作用特点*： 模板-单链DNA（模板链） 不需要引物(显著区别) 原料-NTP 催化方向: 5,3, 无校读功能(无外切酶活性) 需要Mg2+ 注：与DNA聚合酶的区别：不需引物； 催化反应慢；底物不同；无校读功能,（二）真核生物的RNA聚合酶,( 1 ) 分类: RNA聚合酶 I、 II、 III,RNA-pol I：位于细胞核仁， 转录 45S rRNA,(经加工产生5.8S; 18S和28S rRNA),RNA-pol II: 位于细胞核内， 转录 mRNA前体和 大多数核内小RNA（snRNA）,RNA-pol III: 位于细胞核内， 转录 tRNA前体、 5S rRNA、 胞质小RNA（scRNA）等,Mt-RNA-pol: 真核生物细胞的线粒体内的RNA-pol,种类 转录产物 45S-rRNA hnRNA 5S-rRNA snRNA tRNA scRNA 对鹅膏蕈碱 耐受 极敏感 中度敏感 的反应,真核生物的RNA聚合酶*,RNA聚合酶II是真核生物中最活跃的RNA聚合酶,二、转录的模板 Templates of Transcription,DNA双链中按碱基配对规律能指引转录生成RNA的一股单链，称为模板链(template strand)。 相对的另一股单链是编码链 (coding strand)。,结构基因*：DNA分子上转录出RNA的区段。,5G C A G T A C A T G T C3 3c g t c a t g t a c a g5,DNA,5G C A G U A C A U G U C3,mRNA,N Ala Val His Val C,多肽链,转录,翻译,编码链,模板链,5 3,3 5,模板链,编码链,编码链,模板链,结构基因,转录方向,转录方向,酶与模板的辨认结合,原核生物一个转录区段可视为一个转录单位，称为操纵子，包括若干个结构基因及其上游的调控序列。,RNA聚合酶结合模板DNA的部位，称为启动子,转录单位=启动子+结构基因+终止区,TTGACA盒,TATA盒,启动子区,结构基因,-10bp,+1,转录,初级转录产物RNA,-35bp,终止区,启动子 (1)启动子的定义*： 可与RNA聚合酶特异结合并使转录开始的一段DNA序列。 （2）研究方法：RNA聚合酶保护法,RNA聚合酶保护法,（3）结构特点(原核)：长约40-60bp， 辨认部位 : TTGACA -35区 三个功能区 结合部位 : TATAAT -10区 起始部位 (4）作用特点 方向性 近距离发挥作用 有强弱之分,开始转录,T T G A C A A A C T G T,-35 区,(Pribnow box),T A T A A T Pu A T A T T A Py,-10 区,原核生物启动子保守序列,RNA-pol辨认位点 (recognition site),识别部位,原核生物启动子结构及其功能区,因子,RNA聚合酶,下游,上游,结合部位,结构基因,-GCGC-CAAT-TATA,真核生物启动子保守序列,真核生物的启动子被转录因子而不是RNA聚合酶所识别,相关的重要概念: 顺式作用元件: 可影响基因表达活性的DNA序列 反式作用因子: 通过与特异的顺式作用元件相互作用，调节基因表达的蛋白质分子。,（二）终止子 (terminator),提供转录停止信号的DNA序列称为终止子.,原核生物终止子：,转录过程 The Process of Transcription,第二节,（一）转录起始,转录起始需解决两个问题： RNA聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域。 DNA双链解开，使其中的一条链作为转录的模板。,一、原核生物的转录过程,转录起始过程：,RNApol (2) - DNA - pppGpN- OH 3,因子辨认启动子的识别部位 核心酶与TATA盒结合,因子脱落。,RNA聚合酶与模板结合后，GTP(ATP)加入，第一个磷酸二酯键生成, 形成转录起始复合物：,RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合,RNApol (2) - DNA - pppGpN- OH 3,转录起始复合物,转录过程中的模板识别、起始和延伸,（二）转录延长,亚基脱落，RNApol聚合酶核心酶变构， 与模板结合松弛，沿着DNA模板前移；,2. 在核心酶作用下，NTP不断聚合， RNA链不断延长。,(NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPi,编码链,模板链,RNA-DNA杂交链,转录空泡,转录的延长,双链重新形成,pppGpN-,5,3,转录复合物：酶-DNA-RNA：转录空泡,5,3,DNA,原核生物转录过程中的羽毛状现象,核糖体,RNA,RNA聚合酶,（三）原核生物的转录终止,指RNA聚合酶在DNA模板上停顿下来不再前进，转录产物RNA链从转录复合物上脱落下来。,1. 依赖因子的转录终止,2. 不依赖因子的转录终止,因子,1. 识别结合富含C的RNA链,功能,2. ATPase活性,3. 解螺旋酶活性,A T P,1. 依赖 Rho因子的转录终止,Rho具有ATP酶 和解旋酶的活性,构象发 生改变,2. 非依赖 Rho因子的转录终止,DNA模板上靠近终止处，有些特殊的碱基序列，转录出RNA后，RNA产物形成特殊的结构来终止转录。,5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3,5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3,RNA,5TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT. 3,DNA,5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3,茎环(stem-loop)/发夹(hairpin)结构,使RNA聚合酶变构，转录停顿； DNA和RNA各自形成自己的局部双链，使杂化链 更加不稳定，以致转录复合物趋于解体。 3端一连串U，UA配对最不稳定，易从模板上脱 落。,茎环结构使转录终止的机理,真核生物与原核生物在转录中的主要区别: 1.真核生物的RNA聚合酶有三种; 2.RNA聚合酶不直接识别、结合模板； 3.转录起始的上游区段多样化; 4.转录终止与转录后修饰密切相关;,二、真核生物的转录过程,（一）转录起始,真核生物的转录起始上游区段比原核生物多样化，其起始过程比原核生物复杂。 转录起始时，RNA-pol不直接识别、结合模板，而是需要众多转录因子的帮助。,含有共同序列：TATA序列 (Hogness 盒） (-25bp区) CAAT盒 （-75bp区) GC盒 等,由 顺式作用元件(cis-acting element)组成,转录起始部位,转录起始点,TATA盒,CAAT盒,GC盒,增强子,顺式作用元件(cis-acting element),1. 转录起始前的上游区段,AATAAA,切离加尾,转录终止点,修饰点,外显子,翻译起始点,内含子,OCT-1,OCT-1：ATTTGCAT八聚体,2. 转录因子,能直接、间接辨认和结合转录上游区段DNA的蛋白质，现已发现数百种，统称为反式作用因子(trans-acting factors)。,反式作用因子中，直接或间接结合RNA聚合酶的，则称为转录因子(transcriptional factors, TF)。,参与RNA-pol转录的TF,3. 转录起始前复合物 (pre-initiation complex, PIC),真核生物RNA-pol不与DNA分子直接结合，而需依靠众多的转录因子。,三类转录因子（对应于三类RNA-pol）：,TF I、 TF II、 TF III,TF（ A、B、D、E、F、H ),转录因子和转录前起始复合物(PIC),RNA-pol II借助 TF（A、B、D、E、F、H ) 之间及 TF与顺式作用元件之间的相互识别、结合，与模板形成 转录起始前复合物（PIC）, TFD 首先与 模板的TATA 盒结合， 各种TF之间相互识别、结合.。, RNA-pol加入，逐步形成 PIC：,转录前起始复合物(PIC)的形成,RNA-pol II,DNA,TATA,PIC,TATA,H,TFF,A,B,由RNA-Pol 催化转录的PIC,H,E,TBP,TAF,TFD-A-B-DNA复合物,TATA,A,B,TBP,TAF,TATA,H,E,PIC组装完成，TFH使CTD磷酸化,4. 拼板理论(piecing theory),一个真核生物基因的转录需要3至5个转录因子。 转录因子之间互相结合，生成有活性，有专一性的复合物 再与RNA聚合酶搭配而有针对性地结合、转录相应的基因。,（二）转录延长,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。,RNA-pol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。,RNA-Pol,RNA-Pol,RNA-Pol,核小体,转录延长中的核小体移位,转录方向,（三）转录终止, 和转录后修饰密切相关。,在模板链读码框架的3端之后，常有一组共同序列AATAAA，再下游还有相当多的GT序列，这些序列称为转录终止的修饰点。,5-AAUAAA-,5 -AAUAAA-,核酸酶,-GUGUGUG,RNA-pol,AATAAA GTGTGTG,转录终止的修饰点,5,5,3,3,3加尾,AAAAAAA 3 mRNA,真核生物转录终止和转录后修饰密切相关,RNA的转录后加工 Post-transcriptional Modification,第三节,几种主要的修饰方式,1. 剪接(splicing),