真核生物的转录和后加工

5`-末端帽子的生成 5`—— 先于剪接加工
磷酸酶 5`pppN mRNA
ppi
5` p pN
mRNA
mRNA鸟苷酰转移酶 5` Gppp 鸟苷酰转移酶 GpppN
pppG pi
mRNA
甲基化酶
（S-腺苷甲硫氨酸）CH3 腺苷甲硫氨酸）
5` m7Gppp GpppN
mRNA
未甲基化， 注：帽子结构中G未甲基化，翻译效果差，但稳定性不变 帽子结构中 未甲基化 翻译效果差，
帽子结构
3`-末端多聚腺苷酸的合成 3`• 先于剪接加工 • poly A polymerase 催化，转录后修饰 催化， 点序列（AAUAAA） 点序列（AAUAAA）提供信号 • 一般长度为100~200个腺苷酸 一般长度为100~200个腺苷酸
（二）mRNA的剪接 的剪接
1. hnRNA 和 snRNA • hnRNA —— 成熟 mRNA 前身（含非编码内 前身（ 含子） 含子） • snRNP(small nuclear ribonucleoprotein， ribonucleoprotein， 小核核糖核蛋白体) snRNA和核内蛋白 小核核糖核蛋白体)—— 由snRNA和核内蛋白 质组成，作为RNA剪接场所 剪接场所。 质组成，作为RNA剪接场所。
断裂基因(splite gene) 断裂基因 • 真核生物结构基因，由若干个编码区和非 真核生物结构基因， 编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成， 编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去 除非编码区再连接后，可翻译出由连续氨 除非编码区再连接后， 基酸组成的完整蛋白质， 基酸组成的完整蛋白质，这些基因称为断 裂基因。 裂基因。
5. mRNA的编辑 的编辑(mRNA editing) 的编辑
——指在转录水平上发生改变 RNA 编码
序列， 序列，致一种基因产生不止一种蛋白质的 加工方式。 加工方式。
• RNA编辑作用说明，基因的编码序列经过转录 编辑作用说明， 编辑作用说明 后加工，是可有多用途分化的， 后加工，是可有多用途分化的，因此也称为分 化加工(differential RNA processing)。 化加工 。
* 真核生物的转录起始是在转录因子 真核生物的转录起始是在转录因子(TF)的协 的协 助下， 助下 ， RNA聚合酶辨认结合转录起始点上 聚合酶辨认结合转录起始点上 游的DNA序列 (启动子 ， 生成起始前复合 启动子)， 游的 序列 启动子 物。
1. 转录起始前的上游区段
顺式作用元件(cis-acting element) 顺式作用元件
• 顺式作用元件是指与结构基因串联的特定DNA序列，是转录因子的结合位点，它们通 序列，是转录因子的结合位点， 顺式作用元件是指与结构基因串联的特定 序列 过与转录因子结合而调控基因转录的精确起始和转录效率。 过与转录因子结合而调控基因转录的精确起始和转录效率。
AATAAA
翻译起始点 转录起始点 TATA盒 盒 OCT-1 GC盒 盒 CAAT盒 盒 内 含 子
参与RNA聚合酶Ⅱ转录的转录因子（TF）Ⅱ 聚合酶Ⅱ转录的转录因子（ ） 参与 聚合酶
转录因子 TFⅡD Ⅱ 亚基和(或 分子量 亚基和 或)分子量 （kDa） ） TBP，38 ， TAF 12，19，35 ， ， 33 30，74 ， 57(α)，34(β) α， β 功能
结合TATA盒 盒 结合 辅助TBP-DNA结合 结合 辅助 稳定Ⅱ 稳定ⅡD-DNA复合物 复合物 促进RNA-polⅡ结合 Ⅱ 促进 解螺旋酶 ATPase 蛋白激酶， 蛋白激酶，使CTD磷 磷 酸化
举例 加工反应 剪切 内切降解 核酸转移 碱基化学修饰 核酸切除和替换 加帽 多腺苷酸化 剪接(转接 剪接 转接) 转接 剪接(连接 剪接 连接) 连接 编辑 rRNA和tRNA从多顺反子转录本中释放 终止真核生物mRNA 从多顺反子转录本中释放， mRNA转录 使rRNA和tRNA从多顺反子转录本中释放，终止真核生物mRNA转录 加工rRNA和tRNA产生成熟末端 加工rRNA和tRNA产生成熟末端 rRNA 转移CCA到某些tRNA的 末端 转移CCA到某些tRNA的3’末端 CCA到某些tRNA mRNA和rRNA的甲基化，tRNA和snRNA普遍碱基修饰 mRNA和rRNA的甲基化，tRNA和snRNA普遍碱基修饰 的甲基化 tRNA鸟嘌呤的过度修饰产生二氢尿嘧啶(Q)和假尿嘧啶(W) tRNA鸟嘌呤的过度修饰产生二氢尿嘧啶(Q)和假尿嘧啶(W) 鸟嘌呤的过度修饰产生二氢尿嘧啶(Q)和假尿嘧啶 在真核生物mRNA 5’末端加上 末端加上7 在真核生物mRNA 5 末端加上7-甲基鸟嘌呤 在大多数真核生物和少数细菌mRNA 3’末端加上多腺苷酸尾巴 在大多数真核生物和少数细菌mRNA 3 末端加上多腺苷酸尾巴 去除大多数内含子(经常是顺式，偶尔反式) 去除大多数内含子(经常是顺式，偶尔反式) 去除tRNA内含子 去除tRNA内含子 tRNA 通过碱基修饰改变mRNA所携带信息， 通过碱基修饰改变mRNA所携带信息，在编码区中插入或缺失碱基 mRNA所携带信息
外显子 转录终止点
OCT-1：ATTTGCAT八聚体 ： 八聚体
2. 转录因子
能直接或间接辨认和结合转录上游区段 DNA的蛋白质，统称为反式作用因子 的蛋白质，统称为反式作用因子 的蛋白质 (trans-acting factors)。 。 反式作用因子中，直接或间接结合 反式作用因子中，直接或间接结合RNA聚合 聚合 酶的，则称为转录因子(trans-criptional 酶的，则称为转录因子 转录因子 factors, TF)。 。
真核生物 RNA聚合酶 聚合酶
—— 三种 三种RNA-pol I 、II、III 、
真核生物RNA聚合酶的特性 聚合酶的特性 真核生物 类别 细胞内位置 转录产物 占RNA转录 转录 总量
鹅膏蕈（ 对α-鹅膏蕈（ 鹅膏蕈 xun）碱的敏 ） 感性
I
核仁 除5S-rRNA 外其余rRNA 外其余 50-70% 耐受
真核生物RNA的转录和后 的转录和后 真核生物 加工
转录：以DNA为 转录： 为 模板合成RNA的 模板合成 的 过程。 过程。
参与转录的物质
• • • • 原料: 原料 NTP（ATP, UTP, GTP, CTP） （ ） 模板: 模板 DNA 聚合酶（ 酶: RNA聚合酶（RNA polymerase, 聚合酶 RNA-pol） ） 其他蛋白质因子
RNA pol II
TF II F
TF II E
TF II A
TBP TAF
TATA
TF II B
TF II H
DNA
转录 前 起 始 复 合 物
4. 拼板理论 拼板理论(piecing theory)
一个真核生物基因的转录需要3至 个 一个真核生物基因的转录需要 至5个 转录因子。转录因子之间互相结合， 转录因子。转录因子之间互相结合，生成 有活性和专一性的复合物，再与RNA聚合 有活性和专一性的复合物，再与 聚合 酶搭配而有针对性地结合、 酶搭配而有针对性地结合、转录相应的基 因。
真核生物的转录后修饰
Post-transcriptional Modification
• 在细胞内，原初转录产物经过一系列变化 在细胞内， 转变 • 为成熟的 RNA分子的过程，称为转录后加 分子的过程， 分子的过程 工（post• transcriptional processing） ）
RNA加工反应的分类 RNA加工反应的分类
II
核质 hnRNA
III
核质 tRNA snRNA 5S-RNA 10% 中等敏感 (物种特异性 物种特异性) 物种特异性
20-40% 高度敏感
注：鹅膏覃碱是真核生物 RNA-pol 的特异性抑制剂
真核生物的转录过程
• （一）转录起始
• • • 真核生物的转录起始上游区段比原核生物 多样化，转录起始时，RNA-pol不直接结 多样化，转录起始时， 不直接结 合模板DNA，而是借助众多转录因子，其 合模板 ，而是借助众多转录因子， 起始过程比原核生物复杂。 起始过程比原核生物复杂。
•
RNA-Pol
核小体
转录方向
RNA-Pol
RNA-Pol
（三）转录终止
• 终止过程： 酶停止添加底物 终止过程： 酶停止添加底物→→释放 释放RNA 释放 链→→酶解离 酶解离 • 终止反应 杂合双链的氢键断裂， 终止反应…杂合双链的氢键断裂 杂合双链的氢键断裂， • …重新形成双螺旋，酶的解离。 重新形成双螺旋， 重新形成双螺旋 酶的解离。 • 终止子（terminator）：在转录的过程中， 终止子（ ）：在转录的过程中 ）：在转录的过程中， 提供转录终止信号的RNA序列 提供转录终止信号的 序列 • 真正起终止作用的是 真正起终止作用的是RNA序列，与启动子 序列， 序列 不同
4. mRNA的剪接 的剪接
• —— 除去 除去hnRNA中的内含子，将外显子连接。 中的内含子， 中的内含子 将外显子连接。 • snRNP与hnRNA结合成为并接体。 结合成为并接体。 与 结合成为并接体 • （1）剪接接口（边界序列） —— 内含子 末端 ）剪接接口（边界序列） 内含子5`-末端 末端AG，也即 GU…… ……AG-OH 3` 。 的GU和3`-末端 和 末端 ，也即5` …… • （2）剪接体（splicesome）—— 由snRNP与 ）剪接体（ ） 与 hnRNA结合的复合体。其功能：致内含子形成套 结合的复合体。 结合的复合体 其功能： 并使上、下游外显子靠近的。 索，并使上、下游外显子靠近的。
L 1 2 3 4 5 6 7
A
B C D
E
F
G
非编码区 A~G
编码区1~7 编码区
2. 外显子 外显子(exon)和内含子 和内含子(intron) 和内含子
• 外显子
– 在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达 在断裂基因及其初级转录产物上出现， 为成熟RNA的核酸序列。 的核酸序列。 为成熟 的核酸序列
（二）转录延长 • 真核生物转录延长过程与原核生物大致相 但因有核膜相隔， 似，但因有核膜相隔，没有转录与翻译同 步的现象。 步的现象。 • RNA-pol前移处处都遇上核小体。 前移处处都遇上核小体。 前移处处都遇上核小体 • 转录延长过程中可以观察到核小体移位和 解聚现象。 解聚现象。
转 录 延 长 中 的 核 小 体 移 位
• 内含子
– 隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的 核酸序列。 核酸序列。
鸡 卵 清
鸡卵清蛋 白基因
蛋 白 基 因 及 其 转 录 、 转 录 后 修 饰
hnRNA
首、尾修饰
hnRNA剪接 剪接
成熟的mRNA 成熟的
3. 内含子的分类
I：主要存在于线粒体、叶绿体及某些低等真核生物 ：主要存在于线粒体、 基因； 的 rRNA基因； 基因 II：也发现于线粒体、叶绿体，转录产物是mRNA； ：也发现于线粒体、叶绿体，转录产物是 ； III：是常见的形成套索结构后剪接，大多数mRNA基 ：是常见的形成套索结构后剪接，大多数 基 因有此类内含子； 因有此类内含子； IV：是tRNA基因及其初级转录产物中的内含子，剪 ： 基因及其初级转录产物中的内含子， 基因及其初级转录产物中的内含子 接过程需酶及ATP。 。 接过程需酶及
TFⅡA Ⅱ TFⅡB Ⅱ TFⅡቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ Ⅱ TFⅡE Ⅱ TFⅡH Ⅱ
3. 转录起始前复合物 (pre-initiation complex, PIC)
•
• 真核生物 真核生物RNA-pol不与 不与DNA分子直接结合， 分子直接结合， 不与 分子直接结合 而需依靠众多的转录因子。 而需依靠众多的转录因子。
引自《Advanced Molecular Biologiy:A Concise Reference》tabl 27.1，Richard M .Twyman,BIOS Scintific publishers limited,1998
一、mRNA的转录后加工 的转录后加工 (一)首尾的修饰 一 首尾的修饰 1. 5´-端加帽：m7GpppG—— ´ 端加帽 端加帽： 2. 3´-端加尾：多聚腺苷酸 (poly A) ´ 端加尾 端加尾： 3. 剪接 ：外显子和内含子、断裂基因 外显子和内含子、 (interrupted gene) 4.编辑 编辑