T噬菌体的RNA聚合酶课件.ppt
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1、第9章,转录,9.1 引言9.2 转录发生在没有配对的DNA转录泡中,并根据碱基互补配对原则进行9.3 转录的三个阶段9.4 T7噬菌体的RNA聚合酶-一个良好的模型系统9.5 晶体结构提示酶的移动模型9.6 细菌RNA聚合酶由多个亚基组成9.7 RNA聚合酶包括核心酶和因子9.8 在起始点与因子的结合会发生变化9.9 被停止的RNA聚合酶可以再次启动9.10 RNA聚合酶是如何找到启动子序列的9.11 因子控制与DNA的结合9.12 启动子的识别依赖于一些共有序列9.13 突变可增强或降低启动子效率,9.14 RNA聚合酶结合到DNA的一面上9.15 超螺旋是转录的一个重要特征9.16 因子
2、的替换可以控制启动9.17 因子和DNA直接接触9.18 因子可以组成级联反应9.19 芽孢形成由因子控制9.20 细菌RNA聚合酶的终止发生在不连续的位点9.21 大肠杆菌的两种终止子9.22 因子如何工作?9.23 抗终止是一个调控的过程9.24 抗终止需要和终止子无关的特殊序列9.25 终止子、抗终止子因子与RNA聚合酶的相互作用9.26 小结,9.1 引言,转录物RNA与双链DNA的一条单链在序列上完全一致,这条DNA单链称为编码链。另一条DNA单链是转录RNA合成的模版,也成为模板链,它与编码连互补。,RNA的合成是由RNA聚合酶催化的。当RNA聚合酶结合到基因起始处,即称为启动子的
3、特殊序列上时,转录开始进行。最先转录成RNA的一个碱基对时转录起始点,启动子序列围绕在它周围。从起始点开始,RNA聚合酶沿着模版链不断合成RNA,直到遇见终止子序列。,一个转录单位就是从启动子到终止子的一段序列,或者说是一段以一条单链RNA分子为表达产物的DNA片段,这是转录单位的重要特征。一个转录单位可以包括一条以上基因。,位于转录起始点前面的序列称为上游序列,起始点之后的序列(在转录序列中)称为下游序列。,序列的书写方向为从上游(左)到下游(右),信使RNA为5-3的方向;通常只写出和RNA完全相同的DNA编码链的序列。转录起始点的碱基编号为+1,其它碱基的编号按照从上游到下游递增的规律给
4、出。在起始点前面的碱基编码为-1,并且越往上游负值越大,没有编号为0的碱基。,转录的直接产物叫做初始转录物,包含由启动子到终止子转录而来的RNA。,关键概念:RNA聚合酶将两条DNA链暂时分开,形成“转录泡”,接着使用其中的一条链作为模板,指导合成互补的RNA。“转录泡”的长度是12-14bp,其中RNA-DNA杂合链的长度是8-9bp。,9.2 转录发生在没有配对的DNA转录泡中,并根据碱基互补配对的原则进行,RNA合成发生在“转录泡”处,根据碱基互补配对的原则。在转录泡处,DNA双链被打开,成为两条短暂的单链,其中的模板链指导RNA链的合成。,RNA链从53的方向合成。,37下总反应速度是
5、40个核苷酸左右。翻译速率(15个氨基酸),DNA复制速率800bp。,当RNA聚合酶结合到启动子上时,转录泡形成。当RNA聚合酶沿着DNA移动时,转录泡也随之移动,同时RNA链逐渐增长。转录泡中碱基配对和逐个递加是由酶催化完成的。,含有RNA聚合酶的转录泡的放大结构,随着RNA聚合酶沿着DNA模版链的移动,它在转录泡的前端(解链点)解开双链体,并且在转录泡的后端(再螺旋点)重新聚合,形成DNA双链。转录泡的长度为12-14个碱基对,但其中的DNA-RNA杂合链的长度较短。,关键概念:RAN聚合酶结合DNA启动子序列后,转录启动。在延伸过程中,转录泡沿DNA移动,RNA链从5向3方向增长在终止
6、子转录终止,DNA双链重新聚合,RNA聚合酶从DNA链上解离下来。,9.3 转录的三个阶段,转录发生在几个阶段:,模版识别:RNA聚合酶和双链DNA在启动子处结合,并形成转录泡;闭合复合物解链开放复合物,起始:RNA链的第一个核苷酸键的合成。在合成前9个核苷酸键时,RNA聚合酶停留在启动子处。只有当聚合酶成功的在链上延伸并离开启动子后,启动期才结束。,延伸:聚合酶沿DNA移动,不断合成RNA链。酶的移动使DNA双链不断解旋,不断暴露出新区段单链。核苷酸共价结合到延伸RNA链的3端。在松弛区域形成DNA-RNA杂合链。,终止:识别不能再加入任何碱基到延长链上的位点。最后一个碱基加到RNA链上时,
7、转录泡裂解,RNA-DNA杂合链破坏,DNA重新合成双链螺旋,酶和RNA全部释放。终止子是转录终止所需要的DNA序列。,关键概念:T3和T7噬菌体的RNA聚合酶由一条肽链构成,具有最低限度的聚合酶活性,仅能识别少数噬菌体的启动子序列。T7噬菌体的RNA聚合酶和DNA的结晶结构确定了DNA结合域和酶的活性位点。,9.4 T7噬菌体的RNA聚合酶-一个良好的模型系统,T7噬菌体RNA聚合酶结合到转录起始点上游的一个位置,依靠插入DNA的大沟来识别靶序列。,所有RNA聚合酶的共同特征是酶所识别的特定DNA序列都位于被转录序列的上游。,9.5 晶体结构揭示酶的移动模型,细菌真菌RNA聚合酶的表面都有一
8、个宽约25的槽或沟。可能是DNA经过的位置。,细菌可容纳16个碱基对,真菌可容纳25个碱基对。,酵母RNA聚合酶有12个亚基,晶体结构定位了酵母RNA聚合酶的10个亚基。催化位点位于两个大亚基(1,2)之间的沟缝中。当DNA进入RNA聚合酶是,下游的钳子结构可以夹住DNA链。亚基4,7没有出现在晶体结构中,它们形成的亚复合物可以从全酶中脱离下来。,DNA被蛋白质包围了约2/3,由于相邻蛋白质分子的阻隔,DNA被迫在火星位点的入口处改向并通过一个孔道进入。,RNA聚合酶活性区域的放大图显示,转弯处模板链上的碱基外翻,直接针对这核苷酸入口。RNA-DNA的杂合链由9bp长,在5端,当RNA遇到舵型
9、蛋白时,它被迫从DNA上解离下来。,在碱基加入之后,聚合酶相对于核苷酸移动之前,这些特殊位置上的接触必须被打断,才能使酶移动,而后可以和出现在特殊位置上的新碱基重新形成接触。,聚合酶必须在特定位置与碱基形成一系列特殊的接触。,蛋白质中,一个称作桥梁的结构和活性位点是相邻的(图9.12)。桥梁结构的构象改变和酶在核苷酸链上的转位是密切相关的。,聚合酶转位循环开始时,桥梁结构紧邻着核苷酸入口,构象直挺,这使得下一个核苷酸可以在入口处结合。桥梁结构和新添加的碱基紧密接触,然后聚合酶在DNA链上移动一个碱基距离。桥梁构象改变,弯折以保持和新加入的核苷酸链接触。在这个构象中,桥梁结构遮掩了核苷酸入口。循
10、环结束时,桥梁结构重新回到它的直挺构象,并打开核苷酸入口。以便于下一个核苷酸进入。,关键概念:细菌RNA聚合酶的核心酶是500kDa大小的多亚基复合物,一般结构为2结构。DNA夹在一个通道中,和以及亚基接触。,9.6 细菌RNA聚合酶由多个亚基组成,在细菌中,一种RNA聚合酶几乎负责所有mRNA、rRNA和tRNA的合成。,大肠杆菌 7000 RNA聚合酶,2000-5000参与合成,亚基一起构成催化中心。亚基可与模版DNA、RNA产物和核苷酸底物相互交联。,亚基是装配核心酶所必需的,亚基识别启动子,交联实验鉴定出了RNA聚合酶的亚基与DNA接触的位点。,稳定已经分开的单链DNA,利福平可以抑
11、制细菌RNA聚合酶的转录,是对付肺结核的主要药物。利福平分子结合到亚基的一个口袋中,这个位点尽管与活性位点的距离大于12,但它阻止了RNA的延伸。因此利福平通过阻止RNA链延伸超过2-3个碱基从而阻止了转录发生。,具有催化RNA合成能力的最好复合物可以被描述为RNA聚合酶。它负责底物核苷酸与DNA的配对,并催化核苷酸链之间形成磷酸二酯键。,关键概念:细菌RNA聚合酶可以分成具有催化转录活性的2核心酶以及仅在转录时所需的亚基。因子改变了RNA聚合酶结合DNA的性质,使得它对一般的DNA的亲和力下降,而对启动子的亲和力增加。根据每个启动子上的转录起始频率计算,RNAJU和美对不同启动子的亲和常数,
12、可有6个数量级上的差别。,9.7 RNA聚合酶包括核心酶和因子,全酶(2)可分2部分:核心酶(2)和因子(多肽)。只有全酶才能起始转录。,因子仅能保证细菌RNA聚合酶稳定结合到启动子上,它通常在RNA合成8-9个碱基后释放,离开负责延伸的核心酶。,核心酶不能区别启动子和其他DNA序列,依靠碱性蛋白和酸性核苷酸间的静电引力结合。,因子可以是RNA聚合酶与DNA的亲和力发生很大变化,因子也具有识别特异结合位点的能力,关键概念:当RNA聚合酶结合到启动子上时,它将两条DNA链分开,形成转录泡并使9个核苷酸转录为RNA。酶进入下一阶段之前,需要跳过失败的起始循环。当新生RNA链达到8-9个碱基时,因子
13、从RNA聚合酶上解离下来。,9.8 在起始点与因子的结合会发生变化,全酶和启动子通过形成闭合二元复合物开始反应。闭合即DNA保持双螺旋。,与酶结合的一小段DNA序列的溶解导致了闭合复合物转变为开放复合物。称为紧密结合。对于强启动子来说,这个反应是不可逆的。因子参与溶解反应,两个初始核苷酸之间的连接,形成磷酸二脂键,产生三聚体,包括RNA、DNA、聚合酶。失败释放短(2-9)核苷酸链。,起始过程完成后,聚合酶释放出因子而转变为核心酶,后者和DNA、新生RNA组成延伸三聚体。,转录过程中复合体发生了形态变化,根据形态和大小的转变,复合体可分为3类:,RNA聚合酶最初结合到DNA,覆盖-55到+20
14、约75-80bp区域。RNA聚合酶长度可覆盖50bpDNA弯曲。,起始到延伸,聚合酶不再与-55到-35区域结合。,当RNA链延伸到15-20bp碱基是,酶会发生进一步形态变化,转变成负责转录延伸的复合体,覆盖30-40bp长度。,关键概念:所有被终止的RNA聚合酶都可以通过剪切RNA转录物产生新的3端来重新开始转录。,9.9 被停止的RNA聚合酶可以再次启动,RNA聚合酶必须能够处理转录被阻断时的突发情况。,聚合酶可以通过切割RNA的3端,产生延伸链的新的3端使得转录延续。,RNA聚合酶的催化位点在各种情况下都能执行切割功能。,RNA聚合酶在DNA上退行,RNA的3端以单链形式暴露,进行切割
15、,切割事件使正常延伸复合体重新装配。可能的原因:转录停滞造成模版位置错乱,3端不在位于活性位点,切割和倒退把末端放入正确位点所必需。,关键概念:RNA聚合酶结合到启动子上的速率极快,所以不可能是靠随机扩散结合的RNA聚合酶可能随机地结合到DNA的某个位点上,然后快速地滑动并替换结合的DNA,直到发现启动子序列。,9.10 RNA聚合酶是如何找到启动子序列的,酶存在状态:,多余的核心酶像闭合松弛复合物那样大,因为因子加入快,解离慢,所以游离核心酶很少。,因子在细胞中的含量很多,可提供细胞内1/3的RNA聚合酶组装成全酶。,约有一半的核心酶从事转录,游离的全酶,推测含量较少,启动子识别结合位点的最
16、简单模型:,RNA聚合酶以随机扩散的方式移动,全酶很快与疏松结合位点结合或解离,不断形成和破坏一系列的闭合复合物,直到遇到(随机)启动子,然后他识别这段特殊序列,形成开放复合物而牢固结合上去。,由扩散理论,RNA聚合酶从一个结合位点扩散到第二个结合位点的速率是非常慢的。所以可能存在其他的聚合酶结合启动的的机制。,如果RNA聚合酶的起始靶位不仅是一段特殊的序列(启动子),而是整个基因组,则过程将会加速。,结合到目标基因的聚合酶以序列交换的形式,变换聚合酶的结合位点,直到交换到启动子的序列为止。,直接置换可以是酶“定向”行进,即酶总是优先地有结合较弱的位点移动到结合更强的位点。,另一种观点是,酶随
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