生物合成詳解演示文稿第一頁，共九十三頁。優選生物合成第二頁，共九十三頁。本章主要內容OVERVIEW轉錄的概念；復制與轉錄的異同點；原核生物RNA聚合酶的組成結構特點；真核生物RNA聚合酶的種類及特點；原核生物及真核生物啟動子結構及特點；轉錄的基本過程；真核生物轉錄后的修飾.第三頁，共九十三頁。目的要求掌握：轉錄的概念；復制與轉錄的異同點；原核生物RNA聚合酶的組成結構；真核生物RNA聚合酶的種類及轉錄的產物；啟動子的概念，原核生物及真核生物啟動子結構及特點；終止子的概念、不依賴rho因子的終止子的特點；順式作用元件，反式作用因子；真核生物轉錄后修飾的幾種方式；核酶。熟悉：轉錄的基本過程；原核生物兩類終止子的結構特點；編碼鏈，模板鏈；帽子的形成過程；stem-loop結構。第四頁，共九十三頁。轉錄(transcription)是生物體以DNA為模板合成RNA的過程。轉錄RNADNA

一、轉錄的概念第五頁，共九十三頁。二、復制和轉錄的異同點轉錄RNADNA

復制DNADNA

第六頁，共九十三頁。

均以DNA為模板均需要依賴DNA的聚合酶均以含三個磷酸的核苷酸為原料均是核苷酸聚合過程，多核苷酸為產物均遵從堿基配對規律A-U；G-CDNA3’-ATGCATGC-5’5’-UACGUACG-3’RNA1、復制和轉錄的相同點第七頁，共九十三頁。2、復制和轉錄的不同點A-U，T-A，G-CA-T，G-C配對mRNA，tRNA，rRNA子代雙鏈DNA（半保留復制）產物RNA聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶酶NTPdNTP原料模板鏈轉錄（不對稱轉錄）兩股鏈均復制模板A-U，T-A，G-CA-T，G-C配對mRNA，tRNA，rRNA子代雙鏈DNA（半保留復制）產物RNA聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶酶NTPdNTP原料模板鏈轉錄（不對稱轉錄）兩股鏈均復制模板轉錄復制第八頁，共九十三頁。三、參與轉錄的物質原料:NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)模板:DNA酶:依賴DNA的RNA聚合酶(RNApolymerase)其他蛋白質因子第九頁，共九十三頁。5′···GCAGUACAUGUC···3′N······Ala·Val·His·Val······CmRNA蛋白質轉錄翻譯編碼鏈模板鏈5′···GCAGTACATGTC···3′3′···cgtcatgtacag···5′四、轉錄模板第十頁，共九十三頁。原核生物轉錄的模板和酶Templates&EnzymesinProkaryoticTranscription第一節第十一頁，共九十三頁。一、原核生物轉錄的模板第十二頁，共九十三頁。5′···GCAGTACATGTC···3′3′···cgtcatgtacag···5′5′···GCAGUACAUGUC···3′N······Ala·Val·His·Val······C編碼鏈模板鏈mRNA蛋白質轉錄翻譯DNA雙鏈中按堿基配對規律能指引轉錄生成RNA的一股單鏈，稱為模板鏈(templatestrand)，也稱作有意義鏈或Watson鏈。相對的另一股單鏈是編碼鏈(codingstrand)，也稱為反義鏈或Crick鏈。第十三頁，共九十三頁。不對稱轉錄(asymmetrictranscription)。它有兩方面含義：在DNA分子雙鏈上，一股鏈用作模板指引轉錄，另一股鏈不轉錄；其二是模板鏈并非總是在同一單鏈上。轉錄的特點能轉錄出mRNA并指導蛋白質合成的DNA片段。結構基因(structuralgene)第十四頁，共九十三頁。5335模板鏈編碼鏈編碼鏈模板鏈結構基因轉錄方向轉錄方向不對稱轉錄(asymmetrictranscription)在DNA分子雙鏈上某一區段，一股鏈用作模板指引轉錄，另一股鏈不轉錄；模板鏈并非永遠在同一條單鏈上。第十五頁，共九十三頁。（一）RNA聚合酶能直接啟動RNA鏈的合成依賴DNA的RNA聚合酶催化合成RNA；RNA合成的化學機制與DNA依賴的DNA聚合酶催化DNA合成相似。(NMP)n+NTP→(NMP)n+1+PPiRNA延長的RNA二、RNA合成由RNA聚合酶催化第十六頁，共九十三頁。DNA聚合酶在啟動DNA鏈延長時需要引物存在，而RNA聚合酶不需要引物就能直接啟動RNA鏈的延長。RNA聚合酶和DNA的特殊序列——啟動子(promoter)結合后，就能啟動RNA合成。第十七頁，共九十三頁。（二）RNA聚合酶由多個亞基組成α36512決定哪些基因被轉錄β150618催化功能βˊ155613結合DNA模板σ70263辨認起始點亞基分子量功能第十八頁，共九十三頁。核心酶(coreenzyme)全酶(holoenzyme)轉錄起始階段轉錄延長階段第十九頁，共九十三頁。RNA聚合酶全酶在轉錄起始區的結合第二十頁，共九十三頁。三、RNA聚合酶結合到DNA的啟動子上起動轉錄轉錄是不連續、分區段進行的。每一轉錄區段可視為一個轉錄單位，稱為操縱子(operon)。操縱子包括若干個結構基因及其上游(upstream)的調控序列。5335結構基因調控序列RNA-pol第二十一頁，共九十三頁。調控序列中的啟動子是RNA聚合酶結合模板DNA的部位，也是控制轉錄的關鍵部位。原核生物以RNA聚合酶全酶結合到DNA的啟動子上而起動轉錄，其中由σ亞基辨認啟動子，其他亞基相互配合。對啟動子的研究，常采用一種巧妙的方法即RNA聚合酶保護法。第二十二頁，共九十三頁。RNA聚合酶保護法第二十三頁，共九十三頁。開始轉錄TTGACAAACTGT-35區(Pribnowbox)TATAATPuATATTAPy-10區1-30-5010-10-40-205335RNA-pol辨認位點(recognitionsite)55RNA聚合酶保護區結構基因33用RNA聚合酶保護法研究轉錄起始區第二十四頁，共九十三頁。RNA聚合酶全酶在轉錄起始區的結合:第二十五頁，共九十三頁。轉錄開始的第一個堿基（+1）。原核生物中常為A或G，而且位置固定。第二十六頁，共九十三頁。原核生物的轉錄過程TheProcessofTranscriptioninProkaryote第二節第二十七頁，共九十三頁。RNA聚合酶必須準確地結合在轉錄模板的起始區域。DNA雙鏈解開，使其中的一條鏈作為轉錄的模板。一、轉錄起始需要RNA聚合酶全酶轉錄起始需解決兩個問題：第二十八頁，共九十三頁。2.DNA雙鏈局部解開，形成開放轉錄復合體(opentranscriptioncomplex)；1.RNA聚合酶全酶(2)與模板結合，形成閉合轉錄復合體(closedtranscriptioncomplex)；3.在RNA聚合酶作用下發生第一次聚合反應，形成轉錄起始復合物：RNApol(2)-DNA-pppGpN-OH3轉錄起始復合物:5-pppG-OH+NTP5-pppGpN-OH3+ppi轉錄起始第二十九頁，共九十三頁。轉錄空泡(transcriptionbubble)：RNA-pol（核心酶）····DNA····RNA第三十頁，共九十三頁。第一個磷酸二酯鍵生成后，σ亞基即從轉錄起始復合物上脫落，核心酶連同四磷酸二核苷酸，繼續結合于DNA模板上，酶沿DNA鏈前移，進入延長階段。轉錄延長第三十一頁，共九十三頁。E.coli的轉錄起始和延長第三十二頁，共九十三頁。二、原核生物的轉錄延長時蛋白質的翻譯也同時進行1.亞基脫落，RNA–pol聚合酶核心酶變構，與模板結合松弛，沿著DNA模板前移；2.在核心酶作用下，NTP不斷聚合，RNA鏈不斷延長。(NMP)n+NTP(NMP)n+1+PPi第三十三頁，共九十三頁。35DNA原核生物轉錄過程中的羽毛狀現象核糖體RNARNA聚合酶在同一DNA模板上，有多個轉錄同時在進行；轉錄尚未完成，翻譯已在進行。這種形狀說明：第三十四頁，共九十三頁。轉錄過程的電鏡照片第三十五頁，共九十三頁。依賴Rho因子的轉錄終止。非依賴Rho因子的轉錄終止。三、原核生物轉錄終止分為依賴ρ(Rho)因子與非依賴ρ因子兩大類轉錄終止指RNA聚合酶在DNA模板上停頓下來不再前進，轉錄產物RNA鏈從轉錄復合物上脫落下來。依據是否需要蛋白質因子的參與，原核生物轉錄終止分為：第三十六頁，共九十三頁。ρ因子是由相同亞基組成的六聚體蛋白質，亞基分子量46kD。ρ因子能結合RNA，又以對polyC的結合力最強。ρ因子還有ATP酶活性和解螺旋酶(helicase)的活性。（一）依賴ρ因子的轉錄終止ρ因子結構及特點第三十七頁，共九十三頁。與RNA轉錄產物結合，結合后ρ因子和RNA聚合酶都可發生構象變化，從而使RNA聚合酶停頓，解螺旋酶的活性使DNA/RNA雜化雙鏈拆離，利于產物從轉錄復合物中釋放。ρ因子的作用原理第三十八頁，共九十三頁。（二）非依賴Rho因子的轉錄終止DNA模板上靠近終止處，有些特殊的堿基序列，轉錄出RNA后，RNA產物形成特殊的結構來終止轉錄。第三十九頁，共九十三頁。1.有回文序列轉錄出的RNA可形成莖環結構（stem-loopstructure），使轉錄物與模板之間配對的堿基數降低，整體上減弱了RNA與DNA的互作。2.莖的區域富含G-C,莖環不易解開。3.強終止子的3’端約有6個A由于莖環3’段緊接一串A/U的配對，穩定性比較差，有利于轉錄物脫落而不利于轉錄延續。強終止子的結構特點第四十頁，共九十三頁。第四十一頁，共九十三頁。第四十二頁，共九十三頁。莖環結構使轉錄終止的機理：使RNA聚合酶變構，轉錄停頓；使轉錄復合物趨于解離，RNA產物釋放。5′pppG5335RNA-pol第四十三頁，共九十三頁。真核生物的轉錄過程TheProcessofTranscriptioninEukaryote第三節第四十四頁，共九十三頁。一、真核生物有三種DNA依賴性RNA聚合酶真核生物具有3種不同的RNA聚合酶:RNA聚合酶Ⅰ（RNAPolⅠ）RNA聚合酶Ⅱ（RNAPolⅡ）RNA聚合酶Ⅲ（RNAPolⅢ）第四十五頁，共九十三頁。真核生物的RNA聚合酶種類ⅠⅡⅢ對鵝膏蕈堿的反應45S-rRNAhnRNA5S-rRNAtRNAsnRNA耐受極敏感中度敏感轉錄產物第四十六頁，共九十三頁。真核生物RNA聚合酶的結構比原核生物復雜，所有真核生物的RNA聚合酶都有兩個不同的大亞基和十幾個小亞基.RNA聚合酶Ⅱ由12個亞基組成，其最大的亞基稱為RBP1。RNA聚合酶Ⅱ最大亞基的羧基末端有一段共有序列(consensussequence)為Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Ser的重復序列片段，稱為羧基末端結構域(carboxyl-terminaldomain,CTD)。CTD對于維持細胞的活性是必需的。第四十七頁，共九十三頁。二、轉錄起始需要啟動子、RNA聚合酶和轉錄因子的參與（一）轉錄起始前的上游區段具有啟動子核心序列不同物種、不同細胞或不同的基因，轉錄起始點上游可以有不同的DNA序列，但這些序列都可統稱為順式作用元件(cis-actingelement)。第四十八頁，共九十三頁。（二）RNA聚合酶II的啟動子1、帽子位點（轉錄起始位點）：大多為A（指編碼鏈），兩側有若干個嘧啶。2、TATA盒（Goldberg-Hogness盒）一般位于-25附近，基本都由A-T堿基對組成，在TATA盒兩側卻傾向于富含G-C序列。決定轉錄的精確起始點。有些真核啟動子不含TATA盒，則可從一個以上的位點開始轉錄。第四十九頁，共九十三頁。3、CAAT盒：一般位于-75附近，其一致序列為GGC/TCAATCT，可能控制著轉錄起始的頻率。

4、增強子(enhancer)：一般都在-100以上，能使和它連鎖的基因轉錄頻率明顯增加的DNA序列。第五十頁，共九十三頁。TATA盒CAAT盒GC盒

增強子

結構基因-GCGC---CAAT---TATA轉錄起始真核生物啟動子(promoter)保守序列順式作用元件(cis-actingelement)第五十一頁，共九十三頁。增強效應十分明顯增強效應與其位置和取向無關大多為重復序列：一般長約50bp增強效應有嚴密的組織和細胞特異性沒有基因專一性許多增強子還受外部信號的調控增強子enhancer第五十二頁，共九十三頁。第五十三頁，共九十三頁。轉錄因子transcriptionalfactors能直接、間接辨認和結合轉錄上游區段DNA的蛋白質，現已發現數百種，統稱為反式作用因子(trans-actingfactors)。反式作用因子中，直接或間接結合RNA聚合酶的，則稱為轉錄因子(transcriptionalfactors,TF)。第五十四頁，共九十三頁。Ⅱ型基因中的四類轉錄因子轉錄因子具體組分結合序列功能基本組分TBP,TFⅡA,B,E,G,F和HTBP結合TATA盒轉錄起始定位；轉錄起始和延長輔激活因子TAFs和中介子在可誘導因子和上游因子與基本轉錄因子、RNA聚合酶結合中起聯結和中介作用上游因子SP1、ATF、CTF等啟動子上游元件協助基本轉錄因子，提高轉錄效率和專一性可誘導因子如MyoD、HIF-1等增強子等遠隔調控序列時間和空間（組織）特異性地調控轉錄第五十五頁，共九十三頁。（三）轉錄起始前復合物真核生物RNA-pol不與DNA分子直接結合，而需依靠眾多的轉錄因子，形成轉錄起始復合物(pre-initiationcomplex,PIC)。第五十六頁，共九十三頁。POL-ⅡTFⅡFⅡAⅡB由RNA-PolⅡ催化轉錄的PIC

POL-ⅡTFⅡFⅡHⅡETBPTAFTFⅡD-ⅡA-ⅡB-DNA復合物TATAⅡAⅡBTBPTAFTATAⅡHⅡECTD-PPIC組裝完成，TFⅡH使CTD磷酸化第五十七頁，共九十三頁。第五十八頁，共九十三頁。第五十九頁，共九十三頁。三、真核生物轉錄延長過程中沒有轉錄與翻譯同步的現象真核生物轉錄延長過程與原核生物大致相似，但因有核膜相隔，沒有轉錄與翻譯同步的現象。RNA-pol前移處處都遇上核小體。轉錄延長過程中可以觀察到核小體移位和解聚現象。第六十頁，共九十三頁。RNA-PolRNA-PolRNA-Pol核小體轉錄延長中的核小體移位轉錄方向第六十一頁，共九十三頁。5------AAUAAA-5------AAUAAA--核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAAGTGTGTG轉錄終止的修飾點(加尾識別序列)55333加尾AAAAAAA······3mRNA轉錄終止transcriptiontermination基因的3’端有終止信號；有涉及polyA加尾信號（AATAAA）；第六十二頁，共九十三頁。四、真核生物的轉錄終止和加尾修飾同時進行真核生物的轉錄終止，是和轉錄后修飾密切相關的。真核生物mRNA有聚腺苷酸(polyA)尾巴結構，是轉錄后才加進去的。轉錄不是在polyA的位置上終止，而是超出數百個乃至上千個核苷酸后才停頓。已發現，在讀碼框架的下游，常有一組共同序列AATAAA，再下游還有相當多的GT序列。這些序列稱為轉錄終止的修飾點。第六十三頁，共九十三頁。真核與原核生物轉錄的主要差別染色質和核小體結構對轉錄有深刻影響；真核細胞RNA聚合酶有高度分工；轉錄需要許多轉錄因子參與；啟動子以外的序列參與調節基因的轉錄；轉錄與翻譯不存在偶聯關系；轉錄產物為單順反子。第六十四頁，共九十三頁。真核生物RNA的加工Post-transcriptionalModificationofEukaryoticRNA第四節第六十五頁，共九十三頁。真核生物轉錄生成的RNA分子是初級RNA轉錄物(primaryRNAtranscript)，幾乎所有的初級RNA轉錄物都要經過加工，才能成為具有功能的成熟的RNA。為什么要加工加工地點：主要在細胞核中進行。第六十六頁，共九十三頁。幾種主要的修飾方式：1.剪接(splicing)2.剪切(cleavage)3.修飾(modification)4.添加(addition)第六十七頁，共九十三頁。一、真核生物mRNA的加工包括首、尾修飾和剪接（一）前體mRNA在5’-末端加入“帽”結構大多數真核mRNA的5’-末端有7-甲基鳥嘌呤的帽結構。這個真核mRNA加工過程的起始步驟由兩種酶，加帽酶(cappingenzyme)和甲基轉移酶(methyltransferase)催化完成。

第六十八頁，共九十三頁。帽子結構第六十九頁，共九十三頁。帽子結構的生成過程5pppGp…5GpppGp…pppG+ppi鳥苷酸轉移酶5m7GpppGp…甲基轉移酶SAM5ppGp…磷酸酶+pi第七十頁，共九十三頁。帽子結構的意義可以使mRNA免遭核酸酶的攻擊；也能與帽結合蛋白質復合體(cap-bindingcomplexofprotein)結合，并參與mRNA和核糖體的結合，啟動蛋白質的生物合成。保護和識別第七十一頁，共九十三頁。（二）前體mRNA在3’端特異位點斷裂并加上多聚腺苷酸尾polyA的有無與長短，是維持mRNA作為翻譯模板的活性，以及增加mRNA本身穩定性的因素。一般真核生物在胞漿內出現的mRNA，其polyA長度為100至200個核苷酸之間，也有少數例外。第七十二頁，共九十三頁。(三)mRNA的剪接——除去hnRNA中的內含子，將外顯子連接。第七十三頁，共九十三頁。真核生物結構基因，由若干個編碼區和非編碼區互相間隔開但又連續鑲嵌而成，去除非編碼區再連接后，可翻譯出由連續氨基酸組成的完整蛋白質，這些基因稱為斷裂基因。斷裂基因(splitegene)CABD編碼區A、B、C、D非編碼區第七十四頁，共九十三頁。1977年，在冷泉港會議上，來自冷泉港實驗室的羅伯茨（RicharlJ.Roberts）和麻省理工學院癌癥研究中心的夏普（PilipA.sharp）報道了他們關于真核生物斷裂基因的發現。因為這一發現，他們分享了1993年諾貝爾生理醫學獎。斷裂基因的發現揭示了真核生物不同于原核生物。斷裂基因的發現英國科學家，因發現斷裂基因于1993年獲諾貝爾獎第七十五頁，共九十三頁。外顯子(exon)和內含子(intron)外顯子：在斷裂基因及其初級轉錄產物上出現，并表達為成熟RNA的核酸序列。內含子：隔斷基因的線性表達而在剪接過程中被除去的核酸序列。第七十六頁，共九十三頁。雞卵清蛋白基因hnRNA首、尾修飾hnRNA剪接成熟的mRNA雞卵清蛋白基因及其轉錄、轉錄后修飾第七十七頁，共九十三頁。第七十八頁，共九十三頁。雞卵清蛋白成熟mRNA與DNA雜交電鏡圖DNAmRNA第七十九頁，共九十三頁。美國科學家，因發現mRNA的剪接于1993年獲諾貝爾獎夏普于（PilipA.sharp）1944年出生在美國肯塔基州。獲得伊利諾伊大學博士學位。他先后在加州理工學院的戴維森和冷泉港實驗室watson(沃森)手下做過博士后。1974年，他來到麻省理工學院的癌癥研究中心。他集中于腫瘤病毒的分子生物學和RNA剪接研究。夏暜關注腺病毒的基因表達過程。他想看看hnRNA和mRNA有什么不同。他利用DNA和RNA雜交的方法找到了二者的不同。他們發現hnRNA明顯長于mRNA.mRNA不能與DNA全部雜交。他們獲得了1993年諾貝爾獎。第八十頁，共九十三頁。(ppG,pppG)pGoHU-OHGpUpAG-OHpAUpU第一次轉酯反應第二次轉酯反應