目目 录录RNA的生物合成的生物合成（转录转录）RNA Biosynthesis, Transcription生物化学转录生物化学转录目目 录录本章内容本章内容第一节第一节 转录的酶和模板转录的酶和模板第二节第二节 转录过程转录过程第三节第三节 真核生物的转录后修饰真核生物的转录后修饰生物化学转录生物化学转录目目 录录转录转录 (transcription) 生物体以生物体以DNA为模板合成为模板合成RNA的过程的过程 。 转录转录RNADNA 生物化学转录生物化学转录目目 录录复制和转录的区别复制和转录的区别 生物化学转录生物化学转录目目 录录参与转录的物质参与转录的物质原料原料: : NTP (ATP, UTP, GTP, CTP) 模板模板: : 单链单链 DNA酶酶: : RNA聚合酶聚合酶(RNA polymerase, RNA-pol)其他蛋白质因子其他蛋白质因子生物化学转录生物化学转录目目 录录模板和酶模板和酶Templates and Enzymes第一节第一节生物化学转录生物化学转录目目 录录一、转录模板一、转录模板 ( (一一 ) )不不 对对 称称 转转 录录(asymmetric transcription) 1.结结构构基基因因(structural gene): DNA分分子子上上转转录出录出RNA的区段的区段 。 2.模模板板链链(template strand): DNA双双链链中中按按碱碱基基配配对对规规律律能能指指引引转转录录生生成成RNA的的一一股股单单链链，也称作也称作有有意义链意义链或或Watson链链。 编编码码链链(coding strand): DNA双双链链中中与与模模板板链链相相对对的的单单链链，不不进进行行转转录录，也也称称为为反反义义链链或或Crick链链。 生物化学转录生物化学转录目目 录录5GCAGTACATGTC 33 c g t g a t g t a c a g 55GCAGUACAUGUC 3NAla Val His Val C编码链编码链模板链模板链mRNA蛋白质蛋白质转录转录翻译翻译生物化学转录生物化学转录目目 录录5 5 3 3 3 3 5 5 模板链模板链编码链编码链编码链编码链模板链模板链结构基因结构基因转录方向转录方向转录方向转录方向生物化学转录生物化学转录目目 录录不对称转录含义不对称转录含义 在在DNA分分子子双双链链上上某某一一区区段段，一一股股链链用作模板指引转录，另一股链不转录用作模板指引转录，另一股链不转录 模板链并非永远在同一条单链上。模板链并非永远在同一条单链上。生物化学转录生物化学转录目目 录录 二、二、RNA聚合酶聚合酶（一）原核生物的（一）原核生物的RNA聚合酶聚合酶生物化学转录生物化学转录目目 录录原核生物的原核生物的RNA聚合酶聚合酶生物化学转录生物化学转录目目 录录核心酶核心酶 (core enzyme)全酶全酶 (holoenzyme) 生物化学转录生物化学转录目目 录录RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合聚合酶全酶在转录起始区的结合 生物化学转录生物化学转录目目 录录（二）真核生物的（二）真核生物的RNA聚合酶聚合酶 生物化学转录生物化学转录目目 录录三、模板与酶的辨认、结合三、模板与酶的辨认、结合原原核核生生物物一一个个转转录录单单位位可可视视为为一一个个转转录录单单位位，称称为为操操纵纵子子(operon)，包包括括若若干干个个结结构构基基因因及其上游及其上游(upstream)的的调控序列调控序列。 5 3 3 5 结构基因结构基因调控序列调控序列RNA-pol与与RNA聚合酶结合启动基因转录的聚合酶结合启动基因转录的DNA序序列，称为列，称为启动子启动子(promoter)。生物化学转录生物化学转录目目 录录生物化学转录生物化学转录目目 录录开始转录开始转录T T G A C AA A C T G T-35 区区(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 原核生物启动子保守序列原核生物启动子保守序列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 生物化学转录生物化学转录目目 录录 TATA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转录起始转录起始真核生物启动子保守序列真核生物启动子保守序列生物化学转录生物化学转录目目 录录转录过程转录过程The Process of Transcription 第二节第二节 生物化学转录生物化学转录目目 录录（一）转录起始（一）转录起始1. RNA聚合酶必须准确地结合在转录模聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域。板的起始区域。2. DNA双链解开，使其中的一条链作为双链解开，使其中的一条链作为转录的模板。转录的模板。一、原核生物的转录过程一、原核生物的转录过程转录起始需解决的问题：转录起始需解决的问题：生物化学转录生物化学转录2. DNA双链解开双链解开1. RNA聚合酶全酶聚合酶全酶( 2)与模板结合与模板结合 3. 在在RNA聚合酶作用下发生第一次聚合反应，聚合酶作用下发生第一次聚合反应，形成转录起始复合物形成转录起始复合物RNApol ( 2) - DNA - pppGpN- OH 3 转录起始复合物转录起始复合物:5 -pppG -OH + NTP 5 -pppGpN - OH 3 + ppi转录起始过程转录起始过程生物化学转录生物化学转录目目 录录（二）转录延长（二）转录延长1. 亚基脱落，亚基脱落，RNApol聚合酶核心酶变聚合酶核心酶变构，沿着构，沿着DNA模板前移；模板前移； 2. 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。(NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPi生物化学转录生物化学转录目目 录录生物化学转录生物化学转录目目 录录5 3 DNA原核生物转录过程中的羽毛状现象原核生物转录过程中的羽毛状现象核糖体核糖体RNARNA聚合酶聚合酶生物化学转录生物化学转录目目 录录依赖依赖Rho ()因子的转录终止因子的转录终止非依赖非依赖Rho因子的转录终止因子的转录终止（三）转录终止（三）转录终止指指RNA聚聚合合酶酶在在DNA模模板板上上停停顿顿下下来来不不再再前前进进，转转录录产产物物RNA链链从从转转录录复复合物上脱落下来。合物上脱落下来。 分类分类生物化学转录生物化学转录目目 录录A T P1. 依赖依赖 Rho因子的转录终止因子的转录终止生物化学转录生物化学转录目目 录录2. 非依赖非依赖 Rho因子的转录终止因子的转录终止DNA模板上靠近终止区，有些特殊模板上靠近终止区，有些特殊的碱基序列，转录出的碱基序列，转录出RNA后，后，RNA产物产物形成特殊的结构来终止转录。形成特殊的结构来终止转录。生物化学转录生物化学转录目目 录录5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3 5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3 RNA 5 TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT. 3 DNA UUUU. UUUU.5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3茎环茎环(stem-loop)/发夹发夹(hairpin)结结构构生物化学转录生物化学转录目目 录录茎环结构使转录终止的机理茎环结构使转录终止的机理 使使RNA聚合酶变构，转录停顿；聚合酶变构，转录停顿； 使转录复合物趋于解离，使转录复合物趋于解离，RNA产物释放。产物释放。5pppG5 3 3 5 RNA-pol生物化学转录生物化学转录目目 录录二、真核生物的转录二、真核生物的转录（一）转录起始（一）转录起始转录起始时，转录起始时，RNA-pol不直接结合模板。不直接结合模板。生物化学转录生物化学转录目目 录录转录起始点转录起始点TATA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(cis-acting element)1. 转录起始前的上游区段转录起始前的上游区段 AATAAA切离加尾切离加尾 转录终止点转录终止点 修饰点修饰点 外显子外显子 翻译起始点翻译起始点内内含含子子 OCT-1 OCT-1：ATTTGCAT八聚体八聚体生物化学转录生物化学转录目目 录录顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element) ：可可影响自身基因表达活性的影响自身基因表达活性的DNA序列。序列。反反式式作作用用因因子子(trans-acting factors)：能能直直接接或或间间接接辨辨认认、结结合合顺顺式式作作用用元元件件并并反反式式激激活活另另一一基基因因转转录录的的蛋蛋白白质质，统统称称为为反反式作用因子式作用因子。 生物化学转录生物化学转录目目 录录2. 转录因子转录因子 反反式式作作用用因因子子中中，直直接接或或间间接接结结合合RNA聚聚 合合 酶酶 的的 ， 则则 称称 为为 转转 录录 因因 子子(transcriptional factors, TF)。 生物化学转录生物化学转录目目 录录 锌指锌指(zinc finger)C CysH His常结合常结合GC盒盒生物化学转录目目 录录ZnCysHis生物化学转录目目 录录参与参与RNA-pol转录的转录的TF 生物化学转录生物化学转录目目 录录3. 转录起始前复合物转录起始前复合物(pre-initiation complex, PIC) 真真核核生生物物RNA-pol不不与与DNA分分子子直直接结合，而需依靠众多的转录因子。接结合，而需依靠众多的转录因子。 生物化学转录生物化学转录目目 录录POL-TFFAB由由RNA-Pol 催化转录的催化转录的PIC Pol-TFFHETBPTAFTFD-A-B-DNA复合物复合物TATAABTBPTAFTATAHECTD-PPIC组装完成，组装完成，TFH使使CTD磷酸化磷酸化生物化学转录生物化学转录目目 录录4. 拼板理论拼板理论(piecing theory) 一一个个真真核核生生物物基基因因的的转转录录需需要要3至至5个个转转录录因因子子。转转录录因因子子之之间间互互相相结结合合，生生成成有有活活性性，有有专专一一性性的的复复合合物物，再再与与RNA聚聚合合酶酶搭搭配配而而有有针针对对性性地地结结合合、转转录相应的基因。录相应的基因。 生物化学转录生物化学转录目目 录录（二）转录延长（二）转录延长真核生物转录延长过程与原核生物大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，没有转录与翻致相似，但因有核膜相隔，没有转录与翻译同步的现象。译同步的现象。 RNA-pol前移处处都遇上核小体。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转录延长过程中可以观察到核小体移位和解聚现象。位和解聚现象。 生物化学转录生物化学转录目目 录录RNA-PolRNA-PolRNA-Pol核小体核小体转转录录延延长长中中的的核核小小体体移移位位转录方向转录方向生物化学转录生物化学转录目目 录录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（三）转录终止（三）转录终止 和转录后修饰密切相关和转录后修饰密切相关生物化学转录生物化学转录目目 录录真核生物的转录后修饰真核生物的转录后修饰Post-transcriptional Modification第三节第三节生物化学转录生物化学转录目目 录录一、真核生物一、真核生物mRNA的转录后加工的转录后加工（一）首、尾的修饰（一）首、尾的修饰 5 端形成端形成 帽子结构帽子结构(m7GpppGp ) 3 端加上端加上多聚腺苷酸尾巴多聚腺苷酸尾巴(poly A tail)生物化学转录生物化学转录目目 录录生物化学转录生物化学转录目目 录录5 pppG5 GpppGpppG pi鸟苷酸鸟苷酸转移酶转移酶5 m7GpppG甲基转移酶甲基转移酶SAM帽帽子子结结构构的的生生成成5 pG磷酸酶磷酸酶 PPi生物化学转录生物化学转录目目 录录帽子结构帽子结构生物化学转录生物化学转录目目 录录（二）（二）mRNA的剪接的剪接1. hnRNA 和和 snRNA 核内的核内的初级初级mRNA称为称为杂化核杂化核RNA (hetero-nuclear RNA, hnRNA)snRNA (small nuclear RNA)核内的蛋白质核内的蛋白质小分子核糖核蛋白体小分子核糖核蛋白体（snRNPsnRNP）snRNA生物化学转录生物化学转录目目 录录真核生物结构基因，由若干个编码区和非真核生物结构基因，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，去除非编码区互相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，这些基因称为断裂基因。的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。 断裂基因断裂基因(splite gene)CABD编码区编码区 A、B、C、D非编码区非编码区生物化学转录生物化学转录目目 录录2. 外显子外显子(exon)和内含子和内含子(intron) 外显子外显子在在断断裂裂基基因因及及其其初初级级转转录录产产物物上上出出现，并表达为成熟现，并表达为成熟RNA的核酸序列。的核酸序列。内含子内含子隔隔断断基基因因的的线线性性表表达达而而在在剪剪接接过过程程中被除去的核酸序列。中被除去的核酸序列。 生物化学转录生物化学转录鸡卵清蛋白鸡卵清蛋白基因基因hnRNA首、尾修饰首、尾修饰hnRNA剪接剪接成熟的成熟的mRNA鸡鸡卵卵清清蛋蛋白白基基因因及及其其转转录录、转转录录后后修修饰饰生物化学转录生物化学转录鸡卵清蛋白成熟鸡卵清蛋白成熟mRNA与与DNA杂交电镜图杂交电镜图DNAmRNA目目 录录生物化学转录生物化学转录目目 录录3. 3. 内含子的分类内含子的分类 根据基因根据基因类型类型和和剪接方式剪接方式，内含子分，内含子分4 4类：类： I I： 线粒体、叶绿体及低等真核生物线粒体、叶绿体及低等真核生物rRNA基因基因；IIII： 线粒体、叶绿体线粒体、叶绿体mRNA基因基因； IIIIII：是常见的形成套索结构后剪接，大多数是常见的形成套索结构后剪接，大多数mRNA 基因基因有此类内含子；有此类内含子； IVIV：tRNA基因基因，剪接过程需酶及，剪接过程需酶及ATP。生物化学转录生物化学转录4. mRNA的剪接的剪接 除去除去hnRNA中的内含子，将外显子连接。中的内含子，将外显子连接。 snRNP与与hnRNA结合成为结合成为剪接体剪接体生物化学转录生物化学转录目目 录录UACUACA - AGUGU4U5U6E1E2U1U2UACUACA - AGUGU6E1E2U1、U4、U5生物化学转录生物化学转录目目 录录pG-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UpAGpU外显子外显子1内含子内含子外显子外显子2G-OHUpUpGpA剪接过程的二次转酯反应剪接过程的二次转酯反应 (twice transesterification) 生物化学转录生物化学转录目目 录录 RNA RNA编辑作用说明，基因的编码序列经过转录编辑作用说明，基因的编码序列经过转录编辑作用说明，基因的编码序列经过转录编辑作用说明，基因的编码序列经过转录后加工，是可有多用途分化的，因此也称为分后加工，是可有多用途分化的，因此也称为分后加工，是可有多用途分化的，因此也称为分后加工，是可有多用途分化的，因此也称为分化加工化加工化加工化加工(differential RNA processing)(differential RNA processing)。5. mRNA的编辑的编辑(mRNA editing) 人类人类apo B基因基因 mRNA（14500个核苷酸）个核苷酸）肝脏肝脏apo B100（分子量为（分子量为500 000）肠道细胞肠道细胞apo B48（分子量为（分子量为240 000）mRNA编辑编辑生物化学转录生物化学转录二、二、tRNA的转录后加工的转录后加工tRNA前体前体RNA pol TGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNA生物化学转录生物化学转录RNAaseP、内切酶内切酶生物化学转录生物化学转录tRNA核苷酸转移酶、核苷酸转移酶、连接酶连接酶ATPADP生物化学转录生物化学转录碱基修饰碱基修饰（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）生物化学转录生物化学转录目目 录录三、三、rRNA的转录后加工的转录后加工转录转录45S-rRNA剪接剪接18S - rRNA5.8S和和28S-rRNArDNA内含子内含子内含子内含子28S5.8S18S生物化学转录生物化学转录目目 录录四、核四、核 酶酶具有酶促活性的具有酶促活性的RNA称为核酶。称为核酶。核酶核酶(ribozyme)生物化学转录生物化学转录目目 录录四膜虫四膜虫rRNA内含子的二级结构内含子的二级结构四膜虫四膜虫rRNA的剪接采用的剪接采用自我剪接自我剪接方式方式5-端核苷酸序列端核苷酸序列生物化学转录生物化学转录目目 录录最简单的核酶二级结构最简单的核酶二级结构槌头状结构槌头状结构(hammerhead structure)底物部分底物部分通常为通常为60个核苷酸左右个核苷酸左右同同一一分分子子上上包包括括有有催催化化部份和底物部份部份和底物部份 催催化化部部份份和和底底物物部部份份组组成锤头结构成锤头结构 除除rRNA外，外，tRNA、mRNA的加工也可采用的加工也可采用自我剪接方式。自我剪接方式。 生物化学转录生物化学转录目目 录录核酶研究的意义核酶研究的意义核酶的发现，对中心法则作了重要补充；核酶的发现，对中心法则作了重要补充；核酶的发现，对中心法则作了重要补充；核酶的发现，对中心法则作了重要补充；核酶的发现是对传统酶学的挑战；核酶的发现是对传统酶学的挑战；核酶的发现是对传统酶学的挑战；核酶的发现是对传统酶学的挑战；利用核酶的结构设计合成人工核酶利用核酶的结构设计合成人工核酶利用核酶的结构设计合成人工核酶利用核酶的结构设计合成人工核酶 。 生物化学转录生物化学转录人工设计的核酶人工设计的核酶粗线粗线表示合成的核酸分子表示合成的核酸分子细线表示天然的核酸分子细线表示天然的核酸分子X 表示一致性序列表示一致性序列箭头表示切断点箭头表示切断点生物化学转录生物化学转录