chapter3第三章转录

二、真核生物的RNA聚合酶
在真核生物细胞中，共有三类RNA聚合 酶，即RNA聚合酶Ⅰ、RNA聚合酶Ⅱ 和 RNA聚合酶Ⅲ。
它们对鹅膏蕈碱（-amanitine）的敏感 性不同，在细胞核中的定位也有差异。
RNAPs in Eukaryotes
• RNA polymerases I, II and III transcribe rRNA, mRNA and tRNA genes, respectively
大肠杆菌RNA聚合酶多亚基的复杂结构 主要是为酶提供了与多种因子相互作用 的能力百度文库从而可以识别多种启动子。
2. 因子
RNA聚合酶要负责所有基因的转录，也 就是说要识别所有转录单位的启动子。 因此， 因子在RNA聚合酶识别启动子 的过程中起关键作用。
因子的二级结构属于螺旋，是通过识 别启动子上的某一序列来控制RNA聚合 酶与启动子的结合的。
第三章 转录
转录（transcription）是以DNA为模板， 在依赖DNA的RNA聚合酶的催化下，以4 种rNTP（ ATP、CTP、GTP和UTP ）为 原料，合成RNA的过程。转录是DNA将 遗传信息传递给蛋白质的中心环节。
在有些RNA病毒中，RNA也可以指导 RNA的合成。
Gene expression
All three classes of RNAs are transcribed by the same RNA polymerase（转录得到的三种 RNA都由同一种RNAP）
In E.coli, RNAP is 465 kD complex, with 2 ,
1 , 1 ‘, 1 (holoenzyme 全酶)
RNA聚合酶Ⅰ位于核仁，活性所占比例最大， 负责rRNA（5.8S、18S和28S）的转录。 RNA聚合酶Ⅰ负责了大部分细胞RNA的转录。
RNA聚合酶Ⅱ位于核质，活性所占比例仅次 于RNA聚合酶Ⅰ，主要负责核内不均一
RNA(heterogenous nuclear RNA, hnRNA/ mRNA前体）的转录。
(the w subunit亚基 makes this more efficient)
2
2
2’ = core enzyme核心酶
I II
’
CORE ENZYME Sequence-independent, nonspecific transcription initiation
+
70
vegetative (principal )
• Common features（共同特征）
RNAP
DNA + NTPs /Mg2+ DNA + RNAs + nPPi
问题：
2nPi
• Differences between DNAP（DNA聚合酶） and RNAP（RNA聚合酶）
• Prokaryotic（原核生物） RNAP
• Eukaryotic（真核生物）RNAPs
亚基可能参与全酶的组装及全酶识别启 动子。另外， 亚基还参与RNA聚合酶与 一些转录调控因子间的作用。
亚基具有与底物（NTP及新生的RNA链） 结合的能力。利福霉素可以阻断转录的起 始，链霉溶菌素可抑制延伸反应，二者均 是通过与亚基的结合而发挥作用的。
’亚基可能与模板结合。
肝素可与’亚基结合而抑制转录，并且可 以和’亚基竞争DNA的结合位点。
第一节 转录酶和转录因子
一、原核生物的RNA聚合酶
大部分原核生物的RNA聚合酶的结构十 分相似，在聚合酶的表面形成一条约 2.5nm的通道，是容纳DNA分子的场所。
细菌RNA聚合酶的大小约为9.5 nm 9.5 nm 16 nm。
DNA-Dependent RNA Polymerases - RNAP（由DNA指导的RNA聚合酶）
RNA聚合酶Ⅲ也位于核质，活性所占比例最 小，负责tRNA、5SRNA、Alu序列和其他小 RNA的转录。
真核生物的RNA聚合酶的分子量都很大， 由8至14个亚基组成。经纯化的RNA聚合 酶具有以DNA为模板合成RNA的能力， 但不能正确地选择启动子。
目前尚不能完成RNA聚合酶的体外重建， 无法确定哪些亚基是活性所必需的。
32
heat shock (for emergencies)
60
σ SUBUNIT
nitrogen starvation (for emergencies)
interchangeable, promoter recognition
I II ’
70
RNAP HOLOENZYME -70
Promoter-specific transcription initiation
Template strand（模板链）, antisense strand（反义链）, Watson strand（Watson 链）
转录过程中，DNA双链中的一条链为模板 链（template/antisense strand ），而另一 条链为编码链（coding/sense strand）。
9、RNA链释放出来
起始阶段 延长阶段 终止阶段
1.结 合
RNA聚合酶（ 2ββ‘wб）与启动子（promoter）结 合，б组别启动子部位（-35启动子部位）。
Uncommon to DNA replication（与DNA复制不同点） 1) No need for primers（引物） 2) NTPs instead of dNTPs; UTP instead of dTTP 3) Lacking proof-reading activity（缺乏校正） ( error rate is 1 in 104 or 105 nts added ) 4) Specific regions (not all DNA sequence) can be transcribed （解释：DNA其中一条链的特殊序列被转录） 5) To a specific gene, only one strand can be transcribed
• DNA transcription in eukaryotes（真核 生物）
• In vitro（病毒） DNA transcription
第二节 转录的过程
一、原核生物的转录过程
1、结合 2、解链
3、引发 4、б因子解离
5、核心酶移动
6、形成3‘，5‘－磷酸二酯键 7、因子识别终止信号 8、核心酶停止转录
转录起始于RNA聚合酶和启动子 (promoter)结合之后，转录起始的第一个 碱基称为转录起始点(start point) 。在 RNA聚合酶的作用下合成RNA，至终止 子(terminator)终止。
由启动子到终止子之间的序列称为转录 单位(transcription unit)。转录起始点前面 的序列称为上游(upstream)，后面的序列 称为下游(downstream)。
Remember some nomenclature conventions （全保留转录，半保留复制）
RNA合成与DNA合成的比较：
（1）催化方向均是5‘－3‘ ， 延伸的机理相同： 反应受焦磷酸水解趋动，需要模板。
（2）RNA合成不需引物（自身可以独立起始合 成），且无外切酶作用（即缺乏核对能力）；
Differences Between DNAP and RNAP
1) RNAP can initiate transcription de novo (i.e. RNAP doesn’t need a primer!)
（RNAP不需要引物）
2) RNAP has no proofreading activity (error rate is 1 in 104 or 105 nts added)
DNA复制是一个半保留复制，RNA合成是 全保留的（因是单链）。
（3）RNA合成起始和终止均受严格的控制，而 DNA的终止无特殊的信号。
Transcription 转录
Translation 翻译
Coding strand（编码链）, Sense strand（有义链）,
Crick strand（Crick 链）
（RNAP没有校正活性）
3) RNAP incorporates NTPs instead of dNTPs
（底物为ＮＴＰ）
4)RNAP incorporates UTP instead of dTTP（催 化UTP而不
RNAP in Prokaryotes
1) Structure and Function(结构和功能)
目前已发现了至少4种因子。
在细菌受到外界环境的急剧影响时，会 改变所表达的基因，产生因子更替的现 象。如环境温度升高时，大肠杆菌会开 启rpoH基因的表达， 其产物32能识别 热激基因的启动子，而正常状态下表达 的基因会关闭或表达水平下降。
芽孢菌生活周期过程中生活方式的改变 也是通过因子的更替完成的。
• Viral（病毒） RNAPs
All RNA polymerases require:
1) DNA template（模板）: one strand is copied 2) Substrate（底物） NTPs (GTP, CTP, UTP, ATP) 3) divalent cation（二价阳离子） (Mg2+)
Detailed Transcriptional Mechanism （详细的转录机制）
• Three-step process（三步骤过程） 1) Initiation（开始） 2) Elongation（延伸） 3) Termination（终止）
• DNA transcription in prokaryotes（原核 生物）
Core enzyme is 2 , 1 , 1 ’ (can transcribe but it can’t find promoters启动子)
recognizes （识别）promoter sequences（启动子序列） on DNA
2) Inhibitors
Rifampicin(利福霉素)& Streptolydigin (利链霉素)
In the Holoenzyme全酶:
' binds DNA binds NTPs and ' together make up the active site subunits appear to be essential for assembly and for activation of enzyme by regulatory proteins. They also bind DNA. recognizes promoter sequences on DNA
Transcription Retro-transcription
Translation
Replication
Replication
Central Dogma
DNA Transcription转录
Basic features（基本特征） Common to DNA replication（与DNA相同点） 1) Template（模板）, Unwinding（解旋） and Torsion-relieving （缓解拓扑异构） are necessary; 2) Proceed only in the 5′→3′direction（延伸方向5′→3′）;
1. 大肠杆菌RNA聚合酶
大肠杆菌RNA聚合酶由多亚基组成，全 酶组装过程为2+ +’+ ，分子量为480 KDa左右。亚基与全酶结合疏松，很容 易与全酶分离。
全酶可以起始RNA的合成，之后亚基从 全酶解离下来。
The assembly pathway of the core enzyme 核心酶的装配路径
亚基和’亚基提供了RNA聚合酶的活性 中心，其一级结构与真核生物RNA聚合酶 大亚基有同源性。
亚基的功能是帮助全酶识别启动子并与之 结合。 亚基也可被看作一种辅助因子，因 此又可称为因子（ sigma factor）。
在转录过程中，RNA聚合酶需要与其他 蛋白质辅助因子（转录因子）共同作用， 才能保证转录的顺利进行。如转录终止 时的终止因子和抗终止因子。