artⅠRNA的转录.ppt
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1、第7章 RNA的转录与转录后加工,Part RNA的转录,除了某些RNA病毒之外,所有RNA分子都来自于DNA。基因组DNA通过一个被称为转录的过程把贮存在双链DNA分子中的遗传信息转换到与模板DNA链相互补的RNA单链上。,在RNA聚合酶的催化下,以一段DNA链为模板合成RNA,从而将DNA所携带的遗传信息传递给RNA的过程称为转录。,RNA转录合成的特点一、转录的不对称性转录(transcription)的不对称性就是指以双链DNA中的一条链作为模板进行转录,从而将遗传信息由DNA传递给RNA。,对于不同的基因来说,其转录信息可以存在于两条不同的DNA链上。能够转录RNA的那条DNA链称为
2、模板链,Watson(W)链(Watson strand)、负(-)链(minus strand)或反义链(antisense strand),而与之互补的另一条DNA链称为编码链,Crick(C)链(Crick strand)、正(+)链(plus strand),或有意义链(sense strand)。,有意义链,反意义链,5,5,3,3,5,5,转录单位,5,5,3,3,启动子,终止子,模板链,负链,反义链,正链,有义链,二、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,连续合成一段RNA链,各条RNA链之间无需再进行连接。合成的RNA中,如只含一个基因的遗传信
3、息,称为单顺反子;如含有几个基因的遗传信息,则称为多顺反子。,三、转录的单向性RNA转录合成时,只能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。,四、有特定的起始和终止位点RNA转录合成时,只能以DNA分子中的某一段作为模板,故存在特定的起始位点和特定的终止位点,特定起始点和特定终止点之间的DNA链构成一个转录单位,通常由转录区和有关的调节顺序构成。,RNA转录合成的条件一、底物四种核糖核苷酸,即ATP,GTP,CTP,UTP。二、模板以一段单链DNA作为模板。,三、RNA聚合酶(DNA dependent RNA polymerase,DDRP)这是一种
4、不同于引物酶的依赖DNA的RNA聚合酶。该酶在单链DNA模板以及四种核糖核苷酸存在的条件下,不需要引物,即可从53聚合RNA。,1 原核生物RNA的转录,1.1 细菌RNA聚合酶,核心酶,亚基,coded by ropA,可能参与全酶的组装及全酶识别启动子,从而决定哪些基因可转录。亚基由ropB 基因编码,是酶的催化中心,与转录的起始和延伸有关。利福平和利笛链菌素的抑制。亚基与模板DNA结合。和亚基组成酶的活性中心,通过DNA的磷酸基团与核心酶的碱性基团间的非特异性吸附作用,核心酶能与模板DNA非特异性松驰结合。亚基的功能是识别启动子,辩认转录起始点,但不能单独与DNA模板结合,当它与核心酶结
5、合时,可引起酶构象的改变,从而改变核心酶与DNA结合的性质,使全酶对转录起始点的亲和力比其他部位高4个数量级,在转录延长阶段,亚基与核心酶分离,仅由核心酶参与延长过程。因此,亚基实际上被认为是一种转录辅助因子,因而称为因子(factor)。,生物体在生命周期的不同阶段或在内、外环境有所变化时,其基因表达有一定的时、空顺序,以适应生长、发育及环境变化的需要。RNA聚合酶的活性是决定基因表达的重要一环。而因子是RNA聚合酶识别及结合启动子的亚基,原核生物中所有RNA的转录都由同一种RNA聚合酶催化,在生命周期的不同阶段或不同环境下,这个酶如何识别所有转录单位的启动子,是由识别启动子的因子来完成的。
6、原核生物 RNA 聚合酶一般都含有因子,它在酶与启动子结合的过程中起着极其重要的作用:提高酶辨认启动子的能力,降低酶与 DNA 的非特异性结合,减少在单链 DNA 缺口处起始非特异性的转录,促进 DNA 开链,提高 RNA 链合成起始的速度,阻止酶分子的聚合。如热激蛋白为 32,rpoH编码,枯草杆菌(B.subtilis)为 55,被噬菌体 SP01 感染时噬菌体的早期/中期/晚期基因的因子不同(分别为 55/28/33,34),B.subtilis 不同发育阶段基因表达亦通过因子的更替来控制噬菌体的基因时序表达。,1.2 细菌的启动子,1.2.1 启动子,启动子是RNA聚合酶识别、结合和开
7、始转录的一段DNA序列,它含有RNA聚合酶特异性结合和转录起始所需的保守序列。,N N N N N N N N N N C G T N N N N N N N N N N N N N N,+1,-1,-2,+2,-3,+3,启动子,20-200 bp,lac 85 bp,上游序列,下游序列,1.2.1 启动子,1.2.1.1 Pribnow框,10序列,T80A95T45A60A50T96,1.2.1.2 Sextama框,-35序列,T82T84G78A65C54A45,RNA聚合酶,T82T84G78A65C54A45,N17,RNA聚合酶,T80A95T45A60A50T96,研究表明,
8、当-10区和-35区中心位置相距16-18bp时,该启动子的功能较强;相距较近或较远时,起始转录的功能都相应减弱。,RNA聚合酶,RNA聚合酶,RNA聚合酶,RNA聚合酶,RNA聚合酶,RNA聚合酶,RNA聚合酶,RNA聚合酶,RNA聚合酶,RNA聚合酶,RNA聚合酶,RNA聚合酶,RNA聚合酶,一旦RNA聚合酶启动了基因转录,它就会沿着模板53方向不停地移动,合成RNA链,直到遇到终止信号时才释放新生的RNA链,并与模板DNA脱离。研究RNA链终止时遇到最常见的问题是3端核苷酸的定位,因为活细胞内部根据终止信号正确终止的RNA与一个经过剪接的RNA在3端没有两样,都是-OH基团。模板DNA上
9、都有终止转录的特殊信号-终止子,每个基因或操纵子都有一个启动子,一个终止子。在新生RNA中出现发卡式结构会导致RNA聚合酶的暂停,破坏RNA-DNA杂合链5端的正常结构。寡聚U的存在使杂合链的3端部分出现不稳定的rUdA区域。,1.2.1 终止子,因子是一个相对分子质量为2.0105的六聚体蛋白,它能水解各种核苷三磷酸,实际上是一种NTP酶。由于催化了NTP的水解,因子能促使新生的RNA链从三元转录复合物中解离出来,从而终止转录。有人认为,在RNA合成起始以后,因子即附着在新生的RNA链上,靠ATP水解产生的能量,沿着53方向朝RNA聚合酶移动,到达RNA的3-OH端后取代了暂停在终止位点上的
10、RNA聚合酶,并从模板和酶上释放RNA,完成转录过程。终止过程需要消耗能量,所以,因子具有终止转录和核苷三磷酸酶两种功能。,依赖于因子的终止子,若终止点上游存在一个富含GC碱基的二重对称区,由这段DNA转录产生的RNA容易形成发卡式结构;在终止点前面有一段由4-8个A组成的序列,导致转录产物的3端为寡聚U。这两种结构特征的存在同样决定了转录的终止。在新生RNA中出现发卡式结构会导致RNA聚合酶的暂停,破坏RNA-DNA杂合链5端的正常结构。寡聚U的存在使杂合链的3端部分出现不稳定的rUdA区域。,1.2.1.2 不依赖于因子的终止子,1.3 细菌的转录过程,1.3 细菌的转录过程,1.转录的起
11、始2.RNA链的延伸3.转录的终止,1.3.1 转录的起始1.封闭型转录起始复合物的形成:首先由因子辨认启动子的35区(识别位点),全酶与该区结合,形成疏松的复合物,此时DNA双链未解开,因而称为封闭型转录起始复合物,2.开放型转录起始复合物的形成:继而RNA聚合酶移向10区及转录起始点,在20区处DNA发生局部解链,形成1217bp的单链区,RNA聚合酶与DNA结合更紧密,形成开放型转录起始复合物。3.起始延伸复合物的形成:以单链的模板链为模板,RNA聚合酶上的起始位点和延伸位点被相应的NTP占据,聚合酶的亚基催化第一个磷酸二酯键的生成,亚基从全酶解离,形成DNA-RNA聚合酶(核心酶)结合
12、在一起的起始延伸复合物。,1.3.2.RNA链的延伸 1.因子解离:原核生物RNA聚合酶催化转录起始,即核苷酸链中的第一个磷酸二酯键形成后,因子从全酶中解离出来,核心酶就能沿DNA分子移动。2.5 3:转录起始复合物中,核苷酸之间第一个磷酸二酯键的形成是由第一个核苷酸的3-OH与第二个核苷酸的5-磷酸之间脱水而成。第一个核苷酸常为G,来自GTP的5-三磷酸仍保留,第二个核苷酸的3-OH仍然游离形成5pppGpN-OH3。在聚合酶沿模板链的35移动时,可按模板链碱基序列的指引,相应NTP上的-磷酸可与延长新链的3-OH相继形成磷酸二酯键,其、磷酸基脱落生成焦磷酸后迅速水解,释放的能量进一步推动转
13、录,使新合成的RNA链沿着5 3方向逐步延长。3.转录泡的形成:在转录延长过程中,DNA双链需解开1020 bp,形成的局部单链区象一个小泡,故形象地称为转录泡(transcription bubble)。转录泡是指RNA聚合酶-DNA模板-转录产物RNA结合在一起形成的转录复合物。为了保持局部的转录泡状态,在RNA聚合酶下游的DNA需不断解链,可使其下游的DNA(未解开双链部分)越缠越紧,形成正超螺旋,而其上游DNA变得松驰,产生负超螺旋,需要解旋酶(gyrase)和拓扑异构酶来消除这些现象。,1.3.3.转录的终止1.依赖因子的转录终止:2不依赖因子的转录终止:,2.真核生物RNA的转录,
14、2.1 真核生物的RNA聚合酶,2.2真核生物的启动子,2.2.1 型启动子,2.2.2 型启动子,2.2.3 启动子,由RNA聚合酶I负责转录的rRNA基因,启动子(I类)比较单一,由转录起始位点附近的两部分序列构成。第一部分是核心启动子(core promoter),由-45+20位核苷酸组成,单独存在时就足以起始转录。另一部分由-170-107位序列组成,称为上游调控元件,能有效地增强转录效率。UBF和SL1两种转录因子识别启动子。,2.2.1 型启动子,上游结合因子(upstream binding factor,UBF)和选择性因子1(selective factor1,SL1)。功
15、能:SL1初步功能可能是保证RNA聚合酶能位于起始位点的合适位置上。构成:含有4个亚基,一个是TATA盒结合蛋白(TATA-binding protein,TBP),另3个是TBP相关因子(TBP-associated factors,TAF)。UBF与DNA结合令模板DNA发生弯曲,使相距上百bp的UCE和核心元件靠拢,接着SL1和pol I相继结合到UBF-DNA复合物上,完成起始复合物的组建,开始转录。,由RNA聚合酶负责转录的是5SrRNA、tRNA和某些核内小分子RNA(snRNA),其启动子(类)组成较复杂,又可被分为两类。一类5S rRNA和tRNA基因的启动子是内部启动子(in
16、ternal promoter),位于转录起始位点的下游,都由两部分组成。第二类启动子由三个部分组成,位于转录起始位点上游(snRNA基因)。,2.2.2 型启动子,由RNA聚合酶负责转录的II类基因包括所有蛋白质编码基因和部分snRNA基因,后者的启动子结构与III类基因启动子中的第三种类型相似,编码蛋白质的II类基因启动子在结构上有共同的保守序列。基本启动子(basal promoter)、起始子(initiator)、上游元件(upstream element)、应答元件(response element)2.2.3.1.核心元件(基本启动子)多数II类启动子有一个被称为TATA盒的共有
17、序列,通常处于-30区,相对于转录起始位点的位置比较固定。TATA盒存在于多数真核生物中,TATA盒是一个保守的七碱基对,其序列为:,2.2.3 启动子,也有一些II类启动子不含有TATA盒,这样的启动子称为无TATA盒启动子。末端脱氧核酸转移酶TdT基因。,2.2.3 启动子,(1)选择正确的转录起始位点,保证精确起始,故也称为选择子(selector),当有的基因缺少TATA框时,可能由Inr来替代它的这一作用,如鼠的末端脱氧核苷转移酶(Tdt)基因就没有TATA框,但有17bp的Inr;(2)影响转录的速率。TATA框的8bp的保守序列一般都是由A.T对组成,少数情况在其中的两个位点上由
18、G.C对取代了A.T,可见它是较容易打开。当它的序列因发生突变和缺失而改变时就会影响它和酶的结合能力,从而影响转录的能力。在伴清蛋白基因中,当TATA框突变为TAGA后,转录效率大大降低。兔的珠蛋白基因当TATA框的保守序列ATAAAA人工突变为ATGTAA时转录效率会下降80%。人的珠蛋白基因的ATAAA序列变为ATGAAA或ATAG/CAA时珠蛋白产量也会大大降低而出现地中海贫血症。,起始子转录起始位点没有广泛的序列同源性,但第一个碱基为腺嘌呤,而两侧是嘧啶碱基。这个区域被称为起始子(initiator,Inr),序列可表示为PyPyANT(A)Py。Inr元件位于-3+5。仅由Inr元件
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