1

课本 P35课本 P353.4�nm

0.34�nm

分子生物学分子生物学

第三章 生物信息的传递（上）第三章 生物信息的传递（上）——从DNA到RNA

夏玉琼

2012-09-11

RNA转录概述

3

RNA转录概述

模板链：mRNA合成的模板模板链：mRNA合成的模板编码链：和mRNA序列相同mRNA 合成方向5’→3’

目录

4

目录

3.1�RNA转录的基本过程

3 2 转录机器的主要成分3.2�转录机器的主要成分

3.3 启动子与转录起始3.3�启动子与转录起始

3.4�原核与真核生物mRNA的特征比较

3.5�终止和抗终止

3.6�内含子的剪接、编辑、再编码及化学修饰修饰

3 1 RNA转录的基本过程

5

3.1�RNA转录的基本过程

1.�模板识别

2 转录起始和通过启动子阶段2.�转录起始和通过启动子阶段

3. 转录延伸3.�转录延伸

4.�转录终止

3 1 RNA转录的基本过程

6

3.1�RNA转录的基本过程转录延伸过程转录延伸过程

http://biochem4.okstate.edu/~firefly/Bioch205/Bioch205clmfolder/b205clm22/rnasynthesis/rnasynthesis.htm

3 1 RNA转录的基本过程

7

3.1�RNA转录的基本过程由于转录引起的超螺旋结构的变化由于转录引起的超螺旋结构的变化

http://biochem4.okstate.edu/~firefly/Bioch205/Bioch205clmfolder/b205clm22/rnasynthesis/rnasynthesis.htm

3 1 1 模板识别

8

3.1.1�模板识别

RNA聚合酶聚合酶

模板识别是指RNA聚合酶与启动子DNA双链相互作用并与之结合的过程链相互作用并与之结合的过程

启动子是基因转录起始所必需的一段DNA启动子是基因转录起始所必需的 段序列，是基因表达的上游顺式作用元件之一。

3 1 1 模板识别

9

3.1.1�模板识别 RNA聚合酶

转录调控因子

真核生物：RNA聚合酶不能识别启动子区，需要转录调控因子按特定顺序结合于启动子需要转录调控因子按特定顺序结合于启动子上，RNA聚合酶才能与之结合形成转录起始前复合物

3 1 2 转录起始和通过启动子阶段

10

3.1.2�转录起始和通过启动子阶段

RNAlpolymerase

引物：不需要转录起始 RNA链上第 个核苷酸键的产转录起始：RNA链上第一个核苷酸键的产

生生通过启动子阶段：转录起始后到形成9个核

苷酸短链的过程苷酸短链的过程

3 1 2 转录起始和通过启动子阶段

11

3.1.2�转录起始和通过启动子阶段

RNAlpolymerase

重新开始：新生的RNA链与DNA结合不牢固，容易从DNA链上掉下来导致转录重新开始易从DNA链上掉下来导致转录重新开始

成功：成功合成9个以上核苷酸离开启动子区，转录就进入正常的延伸阶段录就进入正常的延伸阶段

启动子的强弱：通过启动子时间越短，基因转录起始的频率越高，启动子越强

3 1 3 转录延伸阶段

12

3.1.3�转录延伸阶段

转录延伸：RNA聚合酶离开启动子后，核转录延伸：RNA聚合酶离开启动子后，核心酶(部分的RNA聚合酶)沿模板DNA链移动并使RNA链不断伸长的过程并使RNA链不断伸长的过程

3 1 4 转录终止阶段

13

3.1.4�转录终止阶段

RNA聚合酶不再聚合

RNA-DNA杂合物分离转录终止

转录泡瓦解

DNA恢复双链

RNA聚合酶和RNA链释放

目录

14

目录

3.1�RNA转录的基本过程

3 2 转录机器的主要成分3.2�转录机器的主要成分

3.3 启动子与转录起始3.3�启动子与转录起始

3.4�原核与真核生物mRNA的特征比较

3.5�终止和抗终止

3.6�内含子的剪接、编辑、再编码及化学修饰修饰

3 2 1 RNA聚合酶 原核生物（大肠杆菌）

15

3.2.1�RNA聚合酶：原核生物（大肠杆菌）

核心酶核心酶：催化延伸过程

全酶：Mw 465 000σ因子：σ因子：辨认起始点

α亚基：核心酶组装 启动子识别α亚基：核心酶组装，启动子识别β和β’亚基：催化中心σ因子：增加聚合酶对启动子的亲和力 降低其对非专一σ因子：增加聚合酶对启动子的亲和力，降低其对非专一

位点的亲和力

3 2 1 RNA聚合酶 原核生物（大肠杆菌）

16

3.2.1�RNA聚合酶：原核生物（大肠杆菌）不同的σ因子识别不同启动子

因子 基因 功能 -35区 间隔 -10区

不同的σ因子识别不同启动子

因子 基因 功能 间隔（bp）

σ70 rpoD 广泛 TTGACA 16~18 TATAATσ32 rpoH 热休克 TCTCNCCCTT

GAA13~15 CCCCAT

NTAσ54 rpoN 氮代谢 CTGGNA 6 TTGCA

稳定的RNA聚合酶-DNA-RNA三元复合物：核苷酸合成6-9个随后σ因子的释放，转录从起始到延伸阶段

3 2 1 RNA聚合酶 真核生物

17

3.2.1�RNA聚合酶：真核生物

酶 细胞内定位 转录产物 相对活性 对α-鹅膏覃碱

RNA聚合酶 I 核仁 45S rRNA→→→5S rRNA以外的

50~70% 不敏感

5S rRNA以外的各种rRNA

RNA聚合酶 II 核质 hnRNA 20~40% 敏感→→→mRNA

RNA聚合酶 III 核质 tRNA 约10% 不一定敏感RNA聚合酶 III 核质 tRNA→→→tRNA、5SrRNA snRNA

约10% 不 定敏感，存在物种特异性

rRNA、snRNA

RNA及 鹅膏覃碱的概念

18

RNA及α-鹅膏覃碱的概念

rRNAribosomal RNA， 核糖体RNArRNA和蛋白质组成核糖体，是蛋白质合成的场所

hnRNAheterogenous nuclear RNA， 核不均一RNAmRNA的前体

tRNAtransfer RNA， 转运RNAtransfer RNA， 转运RNA

α-鹅膏覃碱高浓度时可抑制动物细胞（昆虫除外）的转录高浓度时可抑制动物细胞（昆虫除外）的转录

鹅膏覃碱（ A i i ）

19

α-鹅膏覃碱（α-Amanitin）

绿帽菌、鬼笔鹅膏、蒜叶菌 高把菌 毒伞蒜叶菌、高把菌、毒伞

二环八肽抑制RNAII聚合酶不抑制原核生物RNA聚合酶

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Alpha-amanitin_structure.pnghttp://www.jxda.gov.cn/browfood.asp?id=2774

沉降系数S的概念

20

沉降系数S的概念

离心法时 大分 沉降速度的量度 等 每单位用离心法时，大分子沉降速度的量度，等于每单位离心场的速度。

s=v/ω2rs, 沉降系数；ω是离心转子的角速度（弧度/秒）；r是s,�沉降系数；ω是离心转子的角速度（弧度/秒）；r是到旋转中心的距离；v是沉降速度。沉降系数通常为（1～200）×10-13秒 10-13这个因子沉降系数通常为（1 200）×10 秒，10 这个因子叫做沉降单位S，即 1S=10-13秒，血红蛋白 4 S血红蛋白 4�S大多数蛋白质和核酸 4~40�S核糖体及其亚基 30~80�S多核糖体 >100�S

3 2 1 RNA聚合酶 真核生物

21

3.2.1�RNA聚合酶：真核生物

酶 细胞内定位 转录产物 相对活性 对α-鹅膏覃碱

RNA聚合酶 I 核仁 45S rRNA→→→5S rRNA以外的

50~70% 不敏感

5S rRNA以外的各种rRNA

RNA聚合酶 II 核质 hnRNA 20~40% 敏感→→→mRNA

RNA聚合酶 III 核质 tRNA 约10% 不一定敏感RNA聚合酶 III 核质 tRNA→→→tRNA、5SrRNA snRNA

约10% 不 定敏感，存在物种特异性

rRNA、snRNA

3 2 1 RNA聚合酶 真核生物

22

3.2.1�RNA聚合酶：真核生物聚合酶 聚合酶 聚合酶 与RNA聚合酶 I RNA聚合酶 II RNA聚合酶 III 与β, β’ 同源

与α同源与ω同源RPA 1 RPB 1 RPC 1

RPA 2 RPB 2 RPC 2分子量 ↓

与ω同源

RPC 5 RPB 3 RPC 5

RPC 9 RPB 11 RPC 9

分子量 ↓

RPB 6 RPB 6 RPB 6

其它9个亚基 其它7个亚基 其它11个亚基其 个 其 个 其 个

聚合酶中有两个分子量超过105的大亚基同种生物三类聚合酶“共享”小亚基

3 2 1 RNA聚合酶 真核生物

23

3.2.1�RNA聚合酶：真核生物

3 2 2 转录复合物 转录起始

24

3.2.2�转录复合物:�转录起始

聚合酶与DNA结合

封闭复合物（DNA+酶）

DNA结合

DNA

开放复合物（DNA+酶）开始解链

开放复合物（DNA+酶+RNA）

转录起始

开放复合物（DNA+酶+RNA）

σ因子被释放

RNA合成开始

3 2 2 转录复合物 转录延伸

25

3.2.2�转录复合物：转录延伸DNA循环假说：示意图DNA循环假说：示意图

1. 连接区螺旋笔直（黄色），给NTP 留位置进入活性位点 RNA

连接区螺旋（笔直）底物

进入活性位点；RNA合成；

2. 杂合链左移1bp,让新

连接区螺旋（笔直）

1. 合成RNA3

2. 杂合链左移1bp,让新模板链在活性位点，同时，连接区螺旋变

连接区螺旋（笔直）

2. 杂合链左移一个bp

成弯折状态（绿色）3. 当连接区螺旋从弯折

变成笔直时 重新开

连接区螺旋（弯折）

变成笔直时，重新开启空位点

3 2 2 转录复合物 转录延伸

26

3.2.2�转录复合物：转录延伸DNA循环假说：RNA聚合酶-DNA-RNA转录复合物模型DNA循环假说：RNA聚合酶 DNA RNA转录复合物模型

连接区螺旋（笔直）

连接区螺旋（弯曲）

底物结合区

目录

27

目录

3.1�RNA转录的基本过程

3 2 转录机器的主要成分3.2�转录机器的主要成分

3.3 启动子与转录起始3.3�启动子与转录起始

3.4�原核与真核生物mRNA的特征比较

3.5�终止和抗终止

3.6�内含子的剪接、编辑、再编码及化学修饰修饰

3 3 1 启动子区的基本结构

28

3.3.1�启动子区的基本结构

10 区（原核生物）-10�区（原核生物）又称Pribnow区或TATA区

真核生物中的称为H 区 （ 35 25 b ） 也可称为TATA区真核生物中的称为Hogness区 （-35~-25�bp）,也可称为TATA区

-35�区（原核生物）又称TTGACA区

真核生物中的共同序列为CCAAT （-78~-70�bp）,称为CAAT区

3 3 2 启动子区的识别 氢键互补学说

29

3.3.2�启动子区的识别：氢键互补学说启动子功能受DNA启动子功能受DNA

序列和构象影响

氢键互补学说氢键互补学说酶分子特定空间构象的氢键给体和受体的氢键给体和受体

DNA双螺旋大沟或小沟内的氢键给体和受沟内的氢键给体和受体

氢键给体

氢键受体氢键受体

3 3 3 RNA聚合酶和启动子区的结合

30

3.3.3�RNA聚合酶和启动子区的结合TFIIDTFIID

转录起始点TFIIA

TFIID复合物通过其TBP单元结合到TATA区上

转录起始点

TFIID TFIIA帮助稳定TFIID

TFIIATFIIH TFIIB和TFIIH加入

TFIIBTFIIH

伴随了TFIIE和TFIIF的RNA聚合酶II结合

羧端尾巴

TFIIE

TFIIF

http://users.ugent.be/~efouquae/artikels/augustus%202004/artikels%20promoter%20juli%202004/Developmental%20Biology%20Online%20Promoter%20Structure.htm

羧端尾巴 TFIIF

3 3 3 RNA聚合酶和启动子区的结合

31

3.3.3�RNA聚合酶和启动子区的结合TFIIBTFIIH TFIIBTFIIH

伴随了TFIIE和TFIIF的TFIIE 伴随了TFIIE和TFIIF的RNA聚合酶II结合

羧端尾巴CTD TFIIFRNA聚合酶II TFIIB

TFIIH将CTD磷酸化TFIIB

CTD磷酸化后RNA聚合酶II才能移动CTD

TFIIHRNA转录

http://users.ugent.be/~efouquae/artikels/augustus%202004/artikels%20promoter%20juli%202004/Developmental%20Biology%20Online%20Promoter%20Structure.htm

RNA转录

转录因子（ i i f TF）

32

转录因子（transcription�factor,�TF）真核生物转录起始除RNA聚合酶外 还需要7种TF

蛋白质 功能RNA聚合酶II 催化RNA的生物合成

真核生物转录起始除RNA聚合酶外，还需要7种TF

RNA聚合酶II 催化RNA的生物合成TBP 与TATA区结合TFII A 使TBP及TFII B与启动子的结合稳定TFII A 使TBP及TFII B与启动子的结合稳定TFII B 与TBP结合，吸引RNA聚合酶和TFII F

到启动区TFII D 与各种调控因子作用TFII E 吸引TFII H，有ATP酶和解链酶活性TFII F 结合RNA聚合酶II，在TFII B帮助下阻

止聚合酶与非特异性DNA序列结合TFII H 在启动子区解开DNA双链 使RNA聚合TFII H 在启动子区解开DNA双链，使RNA聚合

酶II磷酸化，接纳核苷酸切除修复体系

3 3 4 10区和 35区的最佳间距

33

3.3.4�-10区和-35区的最佳间距

16~19�bp

增减 1 bp会使两者的夹角变化 36o 若要增减 1�bp会使两者的夹角变化 36o，若要保持正确构象

细菌中的启动子突变下降突变：转录水平下降的突变，e.g.�-10区的TATAAT变成AATAAT的TATAAT变成AATAAT

上升突变：转录水平提高的突变，e.g.�-10区的 变成的TATAAT变成TATATT

3 3 5 增强子及其功能

34

3.3.5�增强子及其功能

3 3 5 增强子及其功能

35

3.3.5�增强子及其功能

功能 化转 的 始功能：强化转录的开始特点特点

远距离效应 相距>10�kb也能发挥作用无方向性 可以位于靶基因的上游 下游或内部无方向性 可以位于靶基因的上游、下游或内部顺式调节 只调节同一条染色体上的靶基因无物种和基因的特异性具有组织特异性具有组织特异性有相位性 与DNA构象有关有的增强子可以对外部信号产生反应有的增强子可以对外部信号产生反应

3 3 6 真核生物启动子对转录的影响

36

3.3.6�真核生物启动子对转录的影响

上游启动 件 或上游启动子元件 UPE或UAS位于TATA区上游的保守序列

真核生物启动区相对于原核的区别启动区的范围更大启动区的范围更大结合位点更多 除了对应的TATA区和CAAT区，还有GC区和增强子区有GC区和增强子区

TATA区确定起始位点CAAT区和GC区控制转录起始频率不是所有的启动子区都含有这三种序列不是所有的启动子区都含有这三种序列

3 3 7 转录的抑制

37

3.3.7�转录的抑制

DNA模板功能抑制剂放线菌素D放线菌素D�与DNA形成非共价复合物，抑制其作为模板的功能

抗菌、抗癌

嘌呤和嘧啶类似物抑制核酸前体的合成抑制核酸前体的合成

5-氟尿嘧啶、6-巯基嘌呤、8-氮鸟嘌呤、6-氮尿嘧啶

3 3 7 转录的抑制

38

3.3.7�转录的抑制

RNA聚合酶抑制物利福霉素和利迪链霉素利福霉素和利迪链霉素抑制细菌RNA聚合酶，抗菌

α-鹅膏覃碱抑制真核生物RNA聚合酶抑制真核生物RNA聚合酶

思考题

39

思考题

大肠杆菌的RNA聚合酶有哪些组成部分？各个亚基的作用如何？各个亚基的作用如何？

简述σ因子的作用

什么是Pribnow box？又名？起什么作用？

下次课的内容

40

下次课的内容

第三章 DNA转录成RNA原核和真核生物mRNA的特征比较原核和真核生物mRNA的特征比较

终止和抗终止

内含子的剪接、编辑、再编码及化学修饰