基因的转录、转录后加工及逆转录

第十三章 基因的转录、转录后加工 及逆转录 转录 (transcription)： 以 DNA单链为模板， NTP为原料，在 DNA依赖的 RNA聚合酶催化下合成 RNA链的 过程 转录的条件： 模板 原料 酶 产物 配对 方向 引物 DNA(不对称转录） NTP RNA聚合酶 mRNA,tRNA,rRNA， 小 RNA A-U,T-A,G-C 5 3 不需要 转录、复制的异同点 复制 二股链均复制 dNTP A-T、 G-C DNA聚合酶 DNA 转录 基因的模扳链 NTP A-T、 T-A、 G-C RNA聚合酶 mRNA/tRNA/ rRNA 模板 原料 碱基配对 聚合酶 产物 DNA 核苷三磷酸 碱基配对原则 依赖 DNA的聚合酶 多核苷酸 差 异 相同或相似 几个基本概念 结构基因 (structure gene) 模板链 (template strand) Watson(W) 链、负 (-)链 (minus strand)、 反意义链 (antisense strand) 编码链 (coding strand) Crick(C)链、正 (+)链 (plus strand)、 有意义链 (sense strand) 不对称转录 (asymmetric transcription) 结构基因 (structure gene)： DNA分子中能转录出 RNA的区段。

模板链： 反意义链 （ antisense， (-)链 ） 以该链中的 DNA碱基顺序指导 RNA的合 成即被转录的那条 DNA链 密码链： 有意义链 （ sense， （ +）链 ） 不被转录的那条 DNA链， 但其碱基顺序 除 T代替 U外，其余与 mRNA相同 5 -GCAGTACATGTC-3 编码链 DNA 3 -CGTCATGTACAG-5 模板链 5 -GCAGUACAUGUC-3 mRNA N -Ala-Val-His-Val-C 蛋白质 不对称转录 1.DNA双链上，一股链可转录，另一股不转录 2.有意义链与反意义链并非固定不变 3.转录方向都是 5 3 转录方向 5 3 模板链 图 13-1 第一节 参与转录的酶 RNA聚合酶 依赖 DNA的 RNA聚合酶 （ DNA-dependent RNA polymerase,DDRP） 以 DNA为模板，催化 2个游离的 NTP 形成 3 ， 5 -磷酸二酯键 一、原核生物 RNA聚合酶 1、大肠埃希菌 RNA聚合酶的组成 （ 1）全酶 (holoenzyme) 由 4种 (5个 )亚基 2 组成 （ 2）核心酶 (core enzyme) 2 ， 参与转录的全过程 （ 3） 亚基 亦称 因子（ factor) 转录辅助因子 识别启动子， 不参与转录过程 全 酶 核 心 酶 亚基 2 功能 决定哪些基因被转录 结合底物，形成磷酸二酯键 （催化） 结合模板 （开链） （核心酶参与转录全过程） 识别起始点启动子（延长时脱落） 二、真核生物 RNA聚合酶（三种） 类型 转录产物 rRNA:18s,5.8s,28s hnRNA tRNA,5srRNA,snRNA 对鹅膏蕈碱 的反应 不敏感 高度敏感 不同物种 敏感性不同 第二节 转录过程 (起始、延长、终止 ) 一、转录的起始 1、原核生物的起始 RNA聚合酶 (全酶 )与 DNA模板 (启动子 )结合 结合过程： 闭和的启动子复合体 开放的启动子复合体 DNA模板 启动子（ promoter） 1、概念 : 转录开始时 能与 RNA全酶 结合的 DNA顺序（双链） 2、原核生物启动子的特点 : (1)DNA序列在转录起始点的 5 端区 (上游区 ) (2)-10bp处 -TATAAT- (Pribnow box) (3)-35bp处 -TTGACA- 因子 RNA聚合酶中 识别及结合启动子的亚基， 延长时脱落， 不参与转录过程，是转录 辅助因子。

因子识别位点：启动子 -35区、 -10区 原核生物有多种 因子 一般情况下起作用的是 - 70 70 有四个保守区域： 第 2区域、第 4区域和 -35区和 -10区结合 结合过程： 闭和的启动子复合体 RNA聚合酶（全酶）中的 因子 在 DNA双链 上迅速、随机滑动，寻找到 启动子 -35区 ， 形成 疏松的复合物， DNA双链未解开 开放的启动子复合体 RNA聚合酶（全酶） 移向 -10区和转录起始 点在 -20区 DNA双链解开 12-17bp时的启动子 复合体 2 5 5 原核生物转录起始过程 2、真核生物的起始 较原核生物复杂 顺式作用元件 (启动子 /增强子 ) 转录因子 (transcription factor,TF) RNA聚合酶 所需的转录因子 -转录因子 （ TF ） 真核生物启动子 （ 1） DNA序列在转录起始点的 5 端区 (上游区 ) （ 2） -25bp ： TATA盒（ Hogness box） （ 3） -90bp ： GC盒 （ 4） -70bp ： CAAT盒 GC CAAT -90 -70 RNA聚合酶 催化的转录起始 RNA聚合酶 催化各种 前体 mRNA的合成 需要多种 TF参与： TFA -J 真核生物转录起始复合物的组装 启动子 TATA盒 + TF D +D-A复合物 (TF D+ TF A) + TF B +(RNA聚合酶 + TF F)复合物 +TF E 、 TF J +TF H（解旋酶、蛋白激酶） DNA解旋、 RNA聚合酶 C-端 Ser磷酸化 从起始点向下游移动 TBP-TATA binding protein TAF-TBP-associated factors TAFs TBP TF D TAFs TBP A B TAFs TBP A B TAFs TBP A B pol F pol F TAFs TBP A B pol F H J E E H J TATA盒 转录起始点 转录区 RNA聚合酶 转录起始复合物的组装 二、延长 - 转录泡 （ 1） RNA聚合酶（核心酶） 与 DNA模板紧密结合，沿 3 5 方向移 动 解旋作用： DNA解开 17 bp 聚合功能 （不具外切酶功能） （ 2） 杂交螺旋 RNA-DNA形成 12bp长的杂交螺旋 转录产物 RNA沿 5 3 方向延长 RNA延长速度： 50个核苷酸 /秒 /每分子酶 核心酶 图 13-7 三 . 终止 转录至模板某一位臵 停止形成磷酸二酯键 RNA DNA杂交链解开 DNA解链的部分重新形成双螺旋 RNA聚合酶离开 DNA 终止的方式 依赖 -因子的终止 -因子的结构 六个亚基组成的 蛋白质 ATP酶活性 与单链 RNA结合 -因子的作用 与新生 RNA结合 ATP供能 -因子沿 新生的 RNA单链推进 新生的 RNA单链 从 DNA模板上分离下来 新生 RNA 图 13-8 不依赖 -因子的终止 DNA模板上有终止信号 转录出来的 RNA RNA聚合酶遇此结构 即停止工作。

DNA和 RNA（ dA： rU） 稳定性下降 GC富含和 AT富含区的 回文结构 自身互补形成 发夹状结构（ hairpin） 3 尾端有 4个 U DNA恢复双链， 释放转录产物 发夹结构 环 茎 多个 U DNA模板 3 5 四 .转录的抑制作用 与 DNA模板作用 与 RNA聚合酶作用 原核生物 真核生物 放线菌素 D-插入 dG*dC间 低浓度 -(-)RNA延长 高浓度 -(-)RNA起始 (-)DNA复制 利福平 /利福霉素 和原核生物 RNA聚合酶 亚基结合 -(-)转录起始 鹅膏蕈碱 -(-)RNA聚合酶 mRNA可直接作为翻译的模板 rRNA 转录产物要加工、修饰 tRNA 第三节 RNA转录后的加工 一 .原核生物 RNA转录后的加工： 原核生物和真核生物 mRNA的不同： 原核生物 mRNA 多顺反子 转录与翻译同步 mRNA不需加工 寿命短 真核生物 mRNA 单顺反子 转录后需加工运至胞浆 再翻译 mRNA需加工 寿命较长 二 .真核生物 RNA转录后的加工 1、 rRNA转录后的加工 真核生物 rRNA的基因 (rDNA) 转录产物 成簇纵列串联排列 高度重复序列 DNA 核质 :() -不需加工 5s rRNA 核仁 :() -加工 5.8s rRNA 28s rRNA 18s rRNA rDNA 内含子 基因间隔 18s 5.8s 28s 每个重复单位 45s 转录物 3种 rRNA前身 剪接 18srRNA 5.8s/28s rRNA 转录后的加工 和与核糖体的装 配同时进行 前 rRNA的切割特点： 在特殊序列位点由 核仁小 RNA(snoRNA)催化， snoRNA+蛋白质 核仁小核蛋白 (sno-RNP) 核酶 -真核生物 rRNA的自身剪切 四膜虫 26SrRNA 核酶 （ ribozyme） 应用 前体 6.4 kb 414bp内含子 5.986kb 无酶催化， 自身剪接 具有催化功能的 RNA 切割特异性 RNA序列 具特定的二级结构 -槌头结构 人工合成核酶的槌头结构 破坏 HIV病毒 底物 催化部分 图 13-11 酶 底物 图 13-12 2、 tRNA的加工 碱基修饰 3 端 5 端 切除反密码环 的内含子 转位 - T 脱氨 - AMP IMP 还原 - DHU 甲基化 - mA mG CCA-OH RNaseP切除多余的核苷酸 RNaseP 在前 tRNA二级结构基础上 3、 真核生物 的 mRNA转录后加工 转录产物： hnRNA + 蛋白质 不均一核糖核蛋白（ hnRNP） 真核生物 的 mRNA转录后加工步骤： 加帽 加尾 mRNA前体的剪接 5 端： m7GpppGpN 作用 :稳定 mRNA 5 端 和翻译的起始有关 3 端 : polyA尾巴 作用：稳定 mRNA 和翻译模板活性有关 剪除内含子，连接外显子 5 pppGp 5 GpppGp pppG ppi 鸟苷酸 转移酶 5 m7GpppGp 甲基转移酶 SAM 5 ppGp 磷酸酶 Pi （ 1）真核生物 mRNA转录后加工 -“ 加帽 ” 帽 0 帽 1 帽 2 m7GpppGpN m7GpppGmpN m7GpppGmpNm 三种 5 帽结构形式 步骤 1 步骤 2 作用位置 200250 （ 2）真核生物 mRNA转录后加工 -加 polyA尾 外显子 内含子 DNA hnRNA （ 3）真核生物 mRNA转录后加工 剪接 剪接所需条件 snRNA （ U1-U6） + 蛋白质 （核内小分子核酸） 多种 snRNP （核内小核蛋白颗粒） 多种 snRNPs装配成 剪接体 （参与剪接过程） 4、 RNA编辑（ RNA editing） （ 1）一种与 RNA加帽、加尾、剪接 不同的 RNA 加工形式。

（ 2） 转录后改变 RNA的序列 ，使熟 RNA的序列 与基因组 DNA序列不同 （ 3）生物学中心法则的补充，扩大了 mRNA遗 传信息容量 第 2153位 谷氨酰胺 终止子 图 13-18 第四节 逆转录、逆转录病毒及癌基因 一、逆转录 以 RNA为模板， 有 逆转录酶 的参与 ， 在 4种 dNTP存在及适合的条件下，按 碱基配对的 原则 ，合成 cDNA（ complementary DNA,cDNA）的过程 二、逆转录酶（ reverse transcriptase) RNA依赖的 DNA聚合酶（ RDDP） 这种酶 以 RNA为模板， 在 4种 dNTP存在及适合 的条件下，按 碱基配对的原则 ，合成 cDNA (cDNA中无内含子） 催化三种反应： RNA指导的 DNA合成 RNA水解 DNA指导的 DNA合成 ASV RNA RNA DNA(-) DNA(-) DNA(-) DNA(+) 1.RNA指导 DNA合成 2.RNA水解 3.DNA指导 DNA合成 逆转录酶的作用 三、逆转录病毒 （ RNA病毒） 的基因组 1、逆转录病毒： 鸡肉瘤病毒（ ASV） Rouse肉瘤病毒（ RSV） 小鼠白血病病毒（ MuLV) 人类 T细胞白血病病毒（ HTLV-I ） 爱滋病病毒（ HIV） SARS 2、基因组： 两个完全相同的单链 RNA 分子 含有 逆转录酶 含来自宿主的 tRNA （合成时的引物） ASV（鸡肉瘤病毒）的基因组结构 -RNA LTR gag pol env src LTR 长末端 重复序列 正常病毒基因 癌基因 调节和 启动转录 产生病毒 核心蛋白 产生 逆转录酶 产生病毒 外膜蛋白 产生酪氨酸 激酶 3、逆转录病毒的生活周期 进入宿主细胞 双链 RNA 逆转录酶 双链 DNA前病毒 整合到宿主细胞基因组 DNA中 宿主细胞 RNA聚合酶 II mRNA 病毒 RNA基因组 作为合成相应 病毒蛋白质 的模板 包装成 新的病毒颗粒 ，离开宿主 二 .癌基因 (oncogene)和抑癌基因 癌基因 病毒癌基因 (v-onc) 细胞癌基因 （原癌基因） (c-onc) DNA肿瘤病毒的转化基因 RNA病毒的癌基因 （ ASV src) 源自细胞癌基因 使宿主细胞发生恶化，形成肿瘤 正常 原癌基因为生命活动必需 调节细胞的正常生长和分化 原癌基因激活 基因结构异常 /表达失控 导致细胞恶变 逆转录病毒与宿主细胞基因整合过程示意图 RNA 病毒粒子 病毒 RNA RNA DNA 逆转录酶 DNA（前病毒） 和宿主细胞 DNA整合 c-src 整合后的 DNA进行复制 v-src 原癌基因 被激活的方式 获得启动子 /增强子 基因易位 基因扩增 点突变 原癌基因 sis erb B src家族 ras家族 myc家族 myb家族 原癌基因的表达产物 生长因子 (PDGF) 生长因子受体 （酪氨酸激酶） 胞内信号传递体 （ G蛋白 /蛋白激酶） 核内转录因子 抑癌基因 控制细胞生长的负调节基因 与负责调节生长的原癌基因协调表达 维持细胞的正常生长、增殖与分化 抑癌基因缺失 /突变 丧失抑癌作用，具备促癌效应 Rb基因 P53基因 本章结束！。