RNA Transcription & Regulation袁 洁Email：yuanjiemail.sysu.edu.cn第一篇第一篇 药学分子生物学基础药学分子生物学基础中心法则生物体遗传信息传递的方式reverse transcription中心法则（the central dogma）生物功能的实现（遗传信息的表达）：转录、翻译世代之间传递：DNA的复制DNA成熟的mRNA转录（transcription）生物体以DNA为模板合成RNA的过程转录是遗传信息表达的第一步RNA转录复制 VS 转录转录与复制的共同点核苷酸聚合反应，生成磷酸二脂键以DNA为模板酶促反应遵从碱基配对规律方向：从53转录与复制的区别复制转录模板两股链均复制模板链转录（不对称转录）原料dNTPNTP引物需要RNA做引物不需要酶DNA聚合酶RNA聚合酶配对A-T, C-GA-U, T-A, G-C产物子代双链DNA（半保留复制）mRNA, tRNA，rRNA, small RNA参与转录的物质原料：核苷酸（NTP：ATP, UTP, GTP, CTP）模板：DNA酶：RNA聚合酶（RNA polymerase, RNA-pol）转录因子（transcription factor, TF）凡是转录过程必需的蛋白质，只要它不是RNA聚合酶的 组成成分，就可以将其定义为转录因子转录的模板结构基因（structural gene）: DNA分子上转录出 RNA的区段转录的模板结构基因（structural gene）: DNA分子上转录出 RNA的区段 模板链(template strand)，也称作有意义链或 Watson链 DNA双链中，按碱基配对规律，能指引 转录生成RNA的一股单链转录的模板结构基因（structural gene）: DNA分子上转录出 RNA的区段 模板链(template strand)，也称作有意义链或 Watson链 编码链(coding strand)，也称为反义链或Crick链。与模板链互补的链，特征是与转录的RNA序列类 似（仅有T与U的区别）模板链、编码链与RNA的关系5GCAGUACAUGUC 3mRNANAla Val His Val C肽转录翻译5GCAGTACATGTC 3 3 c g t g a t g t a c a g 5编码链 模板链DNA参与转录不对称转录(asymmetric transcription)在DNA分子双链上某一区段，一股链用作模板指引 转录，另一股链不转录 ；533 5模板链编码链 编码链模板链转录方向转录方向结构基因n模板链并非永远在同一条单链上。基本内容：第一节：原核生物的转录n第二节：真核生物的转录及转录后修饰n第三节：转录调控（原核、真核）原核的RNA聚合酶基因产物功能rpoA2聚合酶 启动子识别 结合激活剂rpoB与转录全过程相关rpoC结合DNA模板rpoD辨认正确的转录起始位点核心酶 （core polymerase）全酶 （holoenzyme）核心酶 (core enzyme) 全酶 (holoenzyme) 原核的RNA聚合酶核心酶与亚基原核RNA聚合酶的 亚基能识别启动子亚基在转录开始后脱离核心酶核心酶完成后续的转录过程-35区-10区图11-3 原核生物的RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合 （DNA双链已打开，因子尚未脱落）启动子(promoter)启动子:RNA聚合酶结合模板DNA的部位5 33 5结构基因调控序列RNA-pol原核RNA聚合酶的 亚基能识别启动子RNA聚合酶保护法一种巧妙的研究启动子序列的方法40-60bp的DNA片段没有 被降解，暗示DNA与 RNA聚合酶结合的部位原核生物启动子保守序列开始转录(Pribnow box)T A T A A T Pu A T A T T A Py-10 区 T T G A C A A A C T G T-35 区RNA-pol辨认位点 (recognition site) 5 5结构基因33RNA聚合酶保护区1-30-5010-10-40-205 3 3 5 转录的过程u转录起始uRNA的延长u转录终止原核生物与真核生物转录的聚合酶、 起始、终止都有所不同原核生物转录的过程转录起始需解决两个问题：1. RNA聚合酶必须准确地结合在转录模板 的起始区域。 2. DNA双链解开，使其中的一条链作为转录 的模板。原核生物的转录起始RNA聚合酶全酶(2)与模板结合nDNA双链解开n在RNA聚合酶作用下发生第一次聚合反应，形 成转录起始复合物5-pppG -OH + NTP 5-pppGpN - OH 3 + ppi 转录起始复合物:RNApol (2) - DNA - pppGpN- OH 3原核生物转录的延伸亚基脱落，RNApol聚合酶核心酶变构，与模 板结合松弛，沿着DNA模板前移n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转录空泡(transcription bubble) 转录空泡非模板DNA RNA聚合酶RNA-DNA杂化 双链，12bpRNA解开双链模板链 DNA恢复双链53转录方向超螺旋是转录的一个重要特征p随着RNA-pol沿双链前进，它的前方产生正超螺旋（ DNA更加紧密），后方产生负超螺旋（DNA部分解链）p两种螺旋都可以通过促旋酶和拓扑异构酶去除。p类似DNA复制的时候原核生物转录的延伸原核生物转录过程中的羽毛状现象53DNA核糖体RNARNA聚合酶电子显微镜照片转录未完成，翻译已经在进行着原核生物转录终止指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。n依赖Rho ()因子的转录终止n非依赖Rho因子的转录终止分类：依赖 Rho因子的转录终止A T P因子： 1969年Roberts在被T4噬菌体感染的 E. coli 中发现发现 与RNA转录转录 物结结合，改变变RNA-pol构象，使其停顿顿 有ATP酶活性，解旋酶（helicase）活性非依赖 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. 3DNA UUUU. UUUU.5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3茎环(stem-loop)/发夹(hairpin)结构茎环结构使转录终止的机理回文序列导致RNA形成茎环 结构改变了RNA-pol的构象，使 其停顿RNA和DNA各自形成双链 ，使RNA/DNA杂化短链分 开，释放RNARNA聚合酶原核生物只有1种RNA聚合酶 催化合成mRNA、tRNA和rRNA真核生物具有3种不同的RNA聚合酶 RNA聚合酶(RNA-pol) RNA聚合酶 (RNA-pol) RNA聚合酶 (RNA-pol )RNA聚合酶真核生物的RNA聚合酶种类对鹅膏蕈碱 的反应45S-rRNAhnRNA5S-rRNA tRNAsnRNA耐受极敏感中度敏感转录产物真核生物的转录起始真核生物转录起始十分复杂，往往需要多种蛋白 因子（转录因子）的协助，它们与RNA聚合酶形成转 录起始复合物，共同参与转录起始的过程。 转录调控是基因表达调控的关键点，也是当 今生命科学研究热点。了解真核生物的转录过 程，是研究转录调控的重要基础。转录起始上游的DNA序列转录起始点TATA盒CAAT盒GC盒 增强子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八聚体启动子核心序列转录起始前上游区段顺式作用元件(cis-acting element)转录因子(transcriptional factors, TF)直接或间接结合RNA聚合酶的反式作用因子RNA-pol ITF IRNA-pol IITF IIRNA-pol IIITF III参与RNA-pol转录的TF蛋白激酶活性，使CTD 磷酸化TFHATPase57（） 34（）TFE解螺旋酶30， 74TFF促进RNA-pol结合及作 为其他因子结合的桥梁TFB稳定TFD-DNA复合物，TFA辅助TBP-DNA结合TAF*结合TATA盒38TFD功能分子量 (kD)转录因子蛋白激酶活性，使CTD*TFHATPase57（） 34（）TFE解螺旋酶TFF促进RNA-pol结合及作 为其他因子结合的桥梁33TFB稳定TFD-DNA复合物12 ， 1935TFA辅助TBP-DNA结合TAF*结合TATA盒TBP* TFD亚基组成*TBP: TATA binding protein, TATA结合蛋白*TAF: TBP associated factors, TBP 辅助因子*CTD: carboxyl terminal domain, RNA-pol II大亚基羧基末端结构域POL-TFFHE CTD-P转录起始前复合物 (pre-initiation complex, PIC)TATAAPOL- TFFHETBPTAFTFD-A-B-DNA复合物ABTBPTAF TATAPIC组装完成，TFH使CTD磷酸化，RNA-pol往下游移动。进入转录的延长阶段后，大多数TF都会脱离。B拼板理论 (piecing theory) 不同的转录因子相互辨认，以多种组合搭配方式 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“七巧板理论”n人类基因组中几万个基因的表达，300多个转录 因子就能满足不同类型基因表达的需要真核生物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。nRNA-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。 转录延长中的核小体移位核小体移位的现象只见于试管中（in vitro）的转录实验细胞培养（in vivo）实验表明核小体在转录过程可能发生 解聚RNA-PolRNA-PolRNA-Pol核小体转录方向真核生物转录终止5-AAUAAA-5 -AAUAAA-核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAA GTGTGTG 转录终止的修饰点55333加尾AAAAAAA 3 hnRNA真核生物的转录后修饰真核生物转录后修饰 （post-transcriptional modification）几种主要的修饰方式1. 剪接(splicing)2. 剪切(cleavage)3. 修饰(modification)4. 添加(addition)一、mRNA的首、尾的修饰5端形成 帽子结构(m7GpppGp )生成甲基化的三磷酸双鸟苷在核内完成