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分子生物学

第三章生物信息的传递（上）——从DNA到RNA第一节 RNA的结构、分类和功能

第二节 RNA转录的基本过程

第三节转录机器的主要成分——RNA聚合酶

第四节启动子与转录起始

夏玉琼

9/26/2017

西安电子科技大学生命学院夏玉琼

RNA转录概述

2

模板链或反义链：mRNA合成的模板编码链或意义链：和mRNA序列相同mRNA 合成方向5’→3’


目录

RNA的结构、分类和功能RNA的结构特点

RNA在细胞中的分布

RNA的功能

RNA转录的基本过程

转录机器的主要成分——RNA聚合酶

启动子与转录起始

3西安电子科技大学生命学院夏玉琼

RNA的结构特点

RNA含有核糖和嘧啶，通常是单链线性分子

RNA链自身折叠形成局部双螺旋发夹结构、凸结构、环结构A-U, C-G, G-U双螺旋RNA小沟宽而浅，没有序列特异性信息；大沟狭且深，不适合与蛋白质作用

RNA可折叠形成复杂的三级结构


RNA在细胞中的分布

5

细胞内总RNA

编码RNA（2%）

前mRNA(hnRNA)

mRNA

非编码RNA（98%）

非编码RNA 前rRNA 前tRNA snRNA snoRNA scRNA tmRNA

rRNA tRNA

仅真核生物

仅细菌

所有生物


RNA的功能

信息分子贮藏和转移遗传信息

功能分子作为蛋白质合成的主要参与者

部分RNA作为核酶在细胞中催化反应

参与基因的表达调控

某些病毒中，是遗传物质


目录

RNA的结构、分类和功能RNA转录的基本过程

模板识别转录起始转录延伸转录终止

转录机器的主要成分——RNA聚合酶启动子与转录起始


模板识别

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

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

8

RNA聚合酶


模板识别

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上，RNA聚合酶才能与之结合形成转录起始前复合物

9

转录调控因子

RNA聚合酶


转录起始

引物：不需要

转录起始：RNA链上第一个核苷酸键的产生

10

RNApolymerase


转录起始的3个阶段

1. 聚合酶和启动子结合成封闭复合物

2. 封闭复合物变成开放复合物

3. 开放复合物结合新生RNA

11

聚合酶与DNA结合

DNA开始解链

转录起始

1

2

3

新生RNA链


转录起始重新开始：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

成功：成功合成9个以上核苷酸离开启动子区，RNA聚合酶释放σ因子，转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

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σ因子被释放


转录起始中的概念

聚合酶全酶负责启动子的选择和转录的开始

聚合酶全酶中的核心酶负责RNA的延伸

真核生物RNA聚合酶

转录因子 TF


转录延伸

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链移动并使新生RNA链不断伸长的过程


转录延伸的解释

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连接区螺旋（笔直）

连接区螺旋（弯曲）底物结合区

DNA循环假说：RNA聚合酶-DNA-RNA转录复合物模型

连接区是属于RNA聚合酶的α-螺旋结构连接区笔直时，有空间给NTP连接区弯曲时，无空间给NTP


转录延伸的解释

16

DNA循环假说：示意图

连接区螺旋（笔直）底物

连接区螺旋（笔直）

连接区螺旋（弯折）

1. 合成RNA

2. 杂合链左移一个bp

3

1. 连接区螺旋笔直（黄色），给NTP 留位置进入活性位点；RNA合成；

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，重新开启空位点

与转录起始复合物相比，延伸复合物极为稳定，可长时间与DNA模板结合


转录终止

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RNA聚合酶不再聚合

RNA-DNA杂合物分离

转录泡瓦解

DNA恢复双链

RNA聚合酶和RNA链释放

转录终止


转录终止的分类

根据体外RNA聚合酶是否需要辅助因子参与才能终止RNA的延伸，大肠杆菌的终止子分为：

不依赖于ρ因子的终止

依赖于ρ因子的终止


不依赖于ρ因子的终止：内在终止子

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1）二重对称序列：富含GC碱基的二重对称区，形成发卡2）寡U：4~8个A的序列，mRNA有polyU，形成不稳定的rU•dA结构

两者共同作用使得RNA从三元复合物中解离出来


依赖于ρ因子的终止

ρ因子的结构六个相同亚基构成的六聚体，具有NTP酶和解螺旋酶活性

“穷追”模型先附在RNA 5’端，再追RNA聚合酶；当RNA聚合酶在终止子处暂停时，该因子追上并取代RNA聚合酶，导致RNA的释放和转录复合物的解体


抗终止

破坏终止位点RNA的茎环结构转录和翻译偶联

当氨基酸浓度较低时，核糖体滞留在串联密码子上，导致mRNA不能形成茎环结构

依赖于蛋白质因子的转录抗终止λ-噬菌体中的N蛋白具有转录抗终止作用


N蛋白引起的转录抗终止

22

1. N蛋白识别A区和对称二重序列转录形成的茎环结构并与之结合

2. NusA蛋白与RNA聚合酶和N蛋白结合，当其它三种蛋白（NusB, S10, 2.5E4）都结合到Nut位点时，形成蛋白复合物；该复合物通过与NusA蛋白和RNA聚合酶结合，改变RNA聚合酶的构象，使其对终止信号不敏感


目录

RNA的结构、分类和功能

RNA转录的基本过程

转录机器的主要成分——RNA聚合酶原核生物RNA聚合酶


启动子与转录起始


原核生物RNA聚合酶

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核心酶：催化延伸过程

全酶：Mw 465 000σ因子：辨认起始点

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

位点的亲和力


原核生物RNA聚合酶

因子基因功能 -35区间隔（bp）

-10区

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

GAA13~15 CCCCAT

NTAσ54 rpoN 氮代谢 CTGGNA 6 TTGCA

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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

不同的σ因子识别不同启动子



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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以外的各种rRNA

50~70% 不敏感

RNA聚合酶 II 核质 hnRNA→→→mRNA

20~40% 敏感

RNA聚合酶 III 核质 tRNA→→→tRNA、5SrRNA、snRNA

约10% 不一定敏感，存在物种特异性


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RNA

α-鹅膏覃碱高浓度时可抑制动物细胞（昆虫除外）的转录


α-鹅膏覃碱（α-Amanitin）

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

绿帽菌、鬼笔鹅膏、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


沉降系数S的概念

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这个因子叫做沉降单位S，即 1S=10-13秒，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



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RNA聚合酶 I RNA聚合酶 II RNA聚合酶 III

RPA 1 RPB 1 RPC 1

RPA 2 RPB 2 RPC 2RPC 5 RPB 3 RPC 5

RPC 9 RPB 11 RPC 9

RPB 6 RPB 6 RPB 6

其它9个亚基其它7个亚基其它11个亚基

分子量 ↓

与β, β’ 同源与α同源与ω同源

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：RPB6，RPC9，RPC5



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原核生物和真核生物的RNA聚合酶结构形状都像“蟹爪”


目录

RNA的结构、分类和功能RNA转录的基本过程转录机器的主要成分——RNA聚合酶启动子与转录起始

启动子的基本结构启动子区的识别RNA聚合酶与启动子区的结合-10区与-35区的最佳间距增强子及其功能真核生物启动子对转录的影像转录的抑制


关于转录的一些概念

转录单位一段从启动子开始到终止子结束的DNA序列

转录起点与新生RNA链第一个核苷酸对应DNA链上的碱基，为+1

上游序列转录起点前面，5‘末端的序列

下游序列转录起点后面，3‘末端的序列

序列的书写方向从左到右，从上游到下游，5‘-3’


启动子区的结构

-10区，Pribnow区，TATA区

-35区共同序列为TTGACA

34

实验得到的被保护的DNA片段Pribnow的实验


真核生物基因的启动子区

类似Pribnow区的Hogness区也称TATA区，重复序列为TATAAA,在-25~-30bp

类似-35区的CAAT区，重复序列为CCAAT，在-70~-78bp


启动子区的识别：氢键互补学说启动子功能受DNA

序列和构象影响

氢键互补学说酶分子特定空间构象的氢键给体和受体

DNA双螺旋大沟或小沟内的氢键给体和受体

36

氢键给体

氢键受体


RNA聚合酶和启动子区的结合

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

TFIID

转录起始点TFIIA

TFIIATFIIH

TFIIBTFIIH

TFIID

TFIID复合物通过其TBP单元结合到TATA区上

TFIIA帮助稳定TFIID

TFIIB和TFIIH加入

伴随了TFIIE和TFIIF的RNA聚合酶II结合

羧端尾巴

TFIIE

TFIIF


RNA聚合酶和启动子区的结合

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

TFIIBTFIIH

伴随了TFIIE和TFIIF的RNA聚合酶II结合

TFIIH将CTD磷酸化

CTD磷酸化后RNA聚合酶II才能移动

羧端尾巴CTD

TFIIE

TFIIFRNA聚合酶II TFIIB

CTD

TFIIHRNA转录


-10区和-35区的最佳间距

16~19 bp

增减 1 bp会使两者产生的超螺旋的夹角变化 36o

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

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


增强子及其功能


增强子及其功能

功能：强化转录的开始特点

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需要特定的蛋白质因子参与有相位性与DNA构象有关有的增强子可以对外部信号产生反应


真核生物启动子对转录的影响

TATA区 -25~-35 bpCAAT区 -70~-80 bpGC区 -80~-110 bp真核生物启动区相对于原核的区别

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

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

42

上游启动子元件UPE或上游激活序列UAS


转录的抑制

DNA模板功能抑制剂与DNA结合抑制模板的功能

RNA聚合酶抑制剂与RNA聚合酶结合，抑制其活力


DNA模板功能抑制剂

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1mM 即可有效抑制转录过程，抗菌、抗癌

烷化剂如氮芥，磺酸酯，氮丙啶等，使DNA发生交联，抑制其模板功能，致癌如环磷酰胺，能选择地杀伤肿瘤细胞，治疗恶性肿瘤

嵌入染料嵌入DNA相邻碱基对之间，使得DNA复制中缺失或增加一个核苷酸如EB，与核酸结合后抑制其复制和转录


RNA聚合酶抑制物

利福霉素抑制细菌全酶强烈抑制革兰阳性菌和结核杆菌，抗菌

利迪链霉素抑制细菌核心酶抑制革兰氏阳性菌

α-鹅膏覃碱抑制真核生物RNA聚合酶对真核生物有剧毒（昆虫除外）


小结

转录的过程：模板识别、转录起始、转录延伸、转录终止

重要概念：启动子，-10区，-35区，TATA区，CAAT区，GC区，RNA聚合酶的结构，σ因子，增强子


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？

什么是Pribnow box？又名？起什么作用？


下次课的内容

第三章 DNA转录成RNA原核和真核生物转录产物比较

原核和真核生物mRNA的特征比较

真核生物RNA的转录后加工

RNA的编辑、再编码及化学修饰


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