第十四章__RNA的生物合成课件.ppt
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1、第 一 章 RNA的生物合成,转录的基本特点转录的条件原核生物的转录真核生物的转录RNA转录产物的加工RNA的复制,RNA生物合成的两种方式 转录:DNA指导的RNA合成,生物体内的主要合成方式。RNA复制:RNA指导的RNA合成,常见于病毒。RNA前体(RNA precursor):转录产生的初级转录本,需经加工为成熟的RNA后才具有生物学活性与功能。,不对称转录(asymmetric transcription):转录时,只以双链DNA中的一条链作为模板进行转录,将遗传信息由DNA传递给RNA的现象。,第一节 转录的基本特点,RNA分子只有一条链可转录,模板链并不总是在同一单链上。每个基因
2、的转录都受到相对独立的调控。,模板链(template strand)及反(无)意链(antisense strand):指导RNA合成的DNA链,又称为负链(链)。编码链(coding strand)及有意链(sense strand):不作为转录模板的另一条DNA链,又称为正链(+链)。有意链与反意链并非固定不变。,转录的连续性 RNA转录合成时,以DNA作为模板,在RNA聚合酶的催化下,从头连续合成一段RNA链(不需要引物),各条RNA链之间无需再进行连接。单顺反子:合成的RNA中只含一个基因的遗传信息。多顺反子:合成的RNA中含有几个基因遗传信息。,转录的单向性:RNA转录合成时,只能
3、向一个方向进行聚合,所依赖的模板DNA链的方向为35,而RNA链的合成方向为53。转录不需要引物,有特定的起点和终点启动子(promotor):RNA聚合酶特异识别、结合和开始转录的一段DNA序列。终止子(terminator):提供转录停止信号的DNA序列,在DNA模板的特异位点处终止RNA的合成。转录单位(transcript):DNA链上从启动子到终止子为止的一段DNA序列。,转录起点(startpoint):与新生RNA链第一个核苷酸相对应的DNA链上的碱基,此点通常用+1表示;上游(upstream):转录起点前面(5末端)的序列,用负数表示;下游(downstream):转录起点后
4、面(3末端)的序列,用正数表示。,操纵子(operon):原核生物基因转录的功能单位,结构上包括调节基因、启动子、操作基因、多顺反子(结构基因区)和终止子等功能区。,第二节 转录的条件,一、底物四种脱氧核糖核苷酸,即ATP,GTP,CTP 和 UTP。,二、模板转录反应需要DNA作为模板,且不同的RNA聚合酶对DNA两股链以及不同的DNA段落都有一定的选择性。,三、RNA聚合酶,RNA聚合酶的特点可启动RNA的合成,不需引物;只以一条DNA链或其一段DNA为模板;碱基互补配对的原则:A与U,G与C配对;合成方向:5 3;合成是连续进行的;无校读功能;需要Mg2+或Mn2+离子可与多种调节转录的
5、蛋白因子相互作用。,大肠杆菌RNA聚合酶 每个细胞中约有3000个RNA聚合酶分子;组成:全酶由2 个、5种亚基组成,椭圆球形,可结合约60个核苷酸;,因子与其它部分的结合不紧密,它易于与2 分离;,核心酶:没有亚基的酶,只催化RNA链的延长,对转录的起始无作用;,各亚基的功能:识别启动子并与其牢固结合;:聚合作用的催化位点,催化形成磷酸二酯键;:全酶或核心酶与DNA模板结合的部位;:特异地识别启动子,起始转录;:?,RNA聚合酶的作用 识别启动子:依赖于亚基,亚基参与转录的起始,并决定转录的方向。与DNA结合并使之解旋、解链,另外还具有重新使DNA螺旋化作用。催化RNA聚合反应,负责三种RN
6、A合成。核心酶与不同的亚基结合,识别不同的启动子。,真核生物RNA聚合酶三种RNA聚合酶:、。每个酶分子有两个大亚基,还有10个左右小亚基。RNA聚合酶:位于核仁中,活性最显著,负责转录rRNA基因。RNA聚合酶:负责合成tRNA和核内小RNAs,其活性可被高浓度的-鹅膏蕈碱所迅速抑制。RNA聚合酶:位于核浆中,负责hnRNA(mRNA的前体)的合成,其活性可被低浓度的-鹅膏蕈碱所迅速抑制。,由814个亚基组成,分子质量为500KDa。,C末端结构域(CTD):最大亚基的C末端具有7个氨基酸(Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Ser)的重复序列(酵母重复26次,哺乳类重复52次)
7、,含有多个Ser和Thr磷酸化位点。,CTD去磷酸化:RNA聚合酶II易与DNA结合,这种构象适于转录的起始;CTD磷酸化:可使RNA聚合酶II与DNA的结合变得松弛,形成适于延伸的构象。,噬菌体RNA聚合酶仅由一条多肽链组成;合成速度很快,在37时可达约200核苷酸/秒;噬菌体RNA聚合酶只能识别噬菌体本身所具有的启动子,不能识别其他启动子。线粒体和叶绿体中的RNA聚合酶和细胞核中的酶完全不同,分子较小。类似于噬菌体RNA聚合酶。,常用的转录抑制剂,四、启动子,原核生物启动子 在基因表达调控中,转录起始是关键,基因能否表达决定于在特定启动子的起始过程。不同启动子对RNA聚合酶的亲和力各不同,
8、对转录起始频率(基因表达的程度)有重要的调控作用。,RNA聚合酶与启动子的结合模式图,启动子的共同顺序:是启动子的关键部位,在RNA转录起点上游大约10bp和35bp处有两个共同的顺序(-10和-35序列)-35区:T85T83G81A61C69A52(-35bp,-35序列)-10区:T89A89T50A65A65T100(-10bp,-10序列)-35序列:RNA聚合酶全酶的识别位点,对全酶有很高的亲和性,提供RNA聚合酶识别的信号。-10序列:又称TATA盒(Pribnow box),是RNA聚合酶全酶的紧密结合位点,有助于DNA局部双链的解开,决定着双链解开的速度和转录的方向。,两者共
9、同决定了启动子的强度,也调控了转录的速度和RNA分子数。上游顺序:起始位点上游50到150bp之间的顺序;是某些RNA聚合酶的激活蛋白(CAP-cAMP复合物)的结合部位,也是拓扑异构酶的结合部位,这有利于转录起始的超螺旋状态的产生。上游顺序所引起的DNA结构的微细变化,可在双螺旋上被传导到相当远的距离,影响到-10和-35区的DNA结构细节。,真核生物启动子真核生物三种RNA聚合酶都有各自的启动子。RNA聚合酶启动子:又称rRNA基因启动子或型启动子。不同真核生物型启动子序列有较大的差异,缺乏保守性,目前发现有两个区域是转录必需的。核心启动子(核心元件):-45至+20序列,富含GC序列,决
10、定转录起始的精确位置。上游控制元件(upstream control element,UCE):-187至-107序列,富含GC序列,影响转录的频率。,RNA聚合酶启动子:又称蛋白质基因启动子或型启动子。核心启动子,TATA盒(Hogness box):位于-25-35bp,基本上由AT组成,极少数启动子中有GC;共有序列为85A97T93A85(A63/T37)A83(A50/T37);决定转录的方向和精确的起始位点。,起始子(initiator,Inr):与转录起点重叠的短的较保守序列,位于-3+5,常有Py2CAPy5序列,其中A是mRNA中的第一个碱基;被转录因子TFD识别,与转录起始
11、点的选择有关,影响启动子的强度。,上游启动子元件(upstream promoter element,UPE):又称上游激活序列(upstream activating sequence,UAS)位于核心启动子上游,主要包括CAAT框和GC框,各自的保守序列与结合的蛋白因子各不相同,其功能是控制转录起始的频率。CAAT框:位于上游-70-80区,其保守序列为GG CCAATCT;GC框:位于-80-110区,其保守序列为GGGGC GG,是转录因子的SP1结合位点。,既无TATA框也无起始子的基因的转录速率通常很低,其起始点也不固定。,增强子(enhancer):增强真核生物启动子活性的DNA
12、顺序。长约100200bp,其核心组件常为812bp,可以单拷贝或多拷贝串联形式存在。,特点:增强效应明显;可远距离调控;增强作用与其序列方向无关;有组织和细胞特异性;无基因专一性;受外部信号调控。,远端调控区:某些基因的启动子远上游或下游区域(-100bp以上)可调节启动子的活性。,沉默子(silencer):抑制基因表达活性的DNA序列,起与调控蛋白结合后可抑制转录起始复合物的活化;其作用不受距离和取向限制。应答元件:真核细胞DNA上存在能对特定环境因素作出应答反应的DNA序列。能专一结合特异性蛋白因子,从而调控基因特异表达,如:糖皮质激素应答元件、金属应答元件、血清应答元件等。,真核生物
13、启动子的保守序列,上游元件的多样性:真核RNA 聚合酶II 启动子包含着TATA 盒、CAAT 盒、GC 盒以及其他序列元件之间的不同组合,没有哪一种上游元件是所有启动子所共同必需的。,RNA聚合酶启动子(III型启动子),分为三个亚类;5S rRNA和tRNA基因的启动子是内部启动子,位于转录起始位点的下游,都由两部分组成;snRNA启动子由三个部分组成,位于转录起始位点上游。,原核生物终止子:在终止位点之前均有一个回文序列,由RNA形成发夹结构。,四、终止子,依赖因子的终止子:终止位点之前成发夹结构。不依赖因子的终止子:称由为简单终止子,DNA模板链中有约6个串连A,转录RNA的3端为寡聚
14、U。,真核生物终止子:真核生物转录的终止信号和机制了解很少,其主要原因在于大多数RNA在转录后很快进行加工,难确定原初的3-端。加尾信号:DNA上AATAAA+富含CA序列,第三节 原核生物的转录,一、转录的起始,识别全酶与DNA分子随机结合,形成松弛复合物;因子在DNA双链上寻找启动子:因子识别启动子的-35区,促使形成封闭复合物(双螺旋形式),并滑动到-10区;,起始RNA聚合酶全酶促使局部双链解开,“关闭”复合体转变为“开放”复合体(双螺旋解旋,两条链分开,形成“转录空泡”);催化ATP或GTP与另外一个三磷酸核苷聚合,形成第一个3,5-磷酸二酯键(pppA/GN)。,延长:因子从全酶上
15、脱离,核心酶继续沿DNA链移动,连续聚合RNA;DNA的解链和重复螺旋化。,原核生物转录过程中的羽毛状现象,终止因子(terminator factors):协助RNA聚合酶识别终止信号的辅助因子(蛋白质)。因子:六聚体蛋白质,亚基的分子量为50kD。该蛋白因子能识别终止信号,并能与RNA紧密结合,导致RNA的释放。nusA蛋白:分子量69kD的酸性蛋白,它能与RNA及RNA聚合酶相结合,在终止部位使两者被释放。,转录的终止,新RNA链脱落,DNA双链恢复,核心酶脱落后与因子结合。,依赖因子的终止:因子与聚合酶-DNA-RNA复合物结合,向3端移动,水解ATP解开DNA-RNA杂交体。,依赖于
16、特定序列的终止:转录的RNA形成发卡结构,阻止了转录向下游继续推进;由几个U和几个dA形成的RNA-DNA杂交双链很不稳定,于是新生RNA链很快自DNA双链中被排除出来。,抗终止:又称通读,RNA聚合酶越过终止子继续转录的现象,通读是由于终止子被特异性的因子抑制产生的。抗终止因子:引起抗终止作用的蛋白质。抗转录终止的主要方式:破坏终止位点RNA的茎环结构(衰减子的作用);依赖于蛋白质因子的转录抗终。,转录的全过程,原核DNA和RNA生物合成的比较,第四节 真核生物的转录,一、转录因子,反式作用因子(transacting factor):识别并作用于顺式作用元件的蛋白质因子,如转录因子。转录因
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- 第十四 _RNA 生物 合成 课件
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