RNA的生物合成课件

第十五章RNA的生物合成（转录）

RNABiosynthesis,Transcription主要内容一、什么是转录？二、转录的模板（DNA）三、转录的酶（RNA聚合酶）四、启动子五、原核生物的转录过程六、真核生物的转录过程七、转录后加工七、基因转录调控一、什么是转录？

生物体以DNA为模板合成RNA的过程。转录RNADNA

二、转录的模板5′···GCAGTACATGTC···3′3′···cgtCatgtacag···5′编码链模板链5′···GCAGUACAUGUC···3′mRNAN······Ala·Val·His·Val······C蛋白质转录翻译一些概念DNA双链中按碱基配对规律能指引转录生成RNA的一股单链，称为模板链(templatestrand)。【反义链/负链】与模板链互补配对的另一股DNA单链称为编码链(codingstrand)。【有义链/正链】

DNA分子上转录出RNA的区段，称为结构基因(structuralgene)。转录的模板

不对称转录(asymmetrictranscription)对于一个基因而言，它处在DNA分子双链上某一区段,一股链用作模板指引转录，另一股链不转录；对于不同基因而言，模板链并非全部在同一条DNA单链上。5

3

3

5

模板链编码链编码链模板链转录方向转录方向DNA亚单位

分子量亚单位数目功能α365122决定哪些基因被转录

β1506181与转录全过程有关

β′

1556131结合DNA模板

702631

辨认起始点三、转录的酶1.原核生物RNA聚合酶原核RNA聚合酶结构示意图核心酶

(coreenzyme)全酶

(holoenzyme)

（转录起始阶段）（转录延长阶段）RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合2.真核生物RNA聚合酶RNA聚合酶IRNA聚合酶IIRNA聚合酶III对鹅膏蕈碱的敏感性耐受很敏感中度敏感转录产物rRNA(除5SrRNA)hnRNA(即mRNA的前体)tRNA前体、5SrRNA、snRNA四、启动子(promoter)

RNA聚合酶识别、结合和起始转录的一段特定DNA序列，称为启动子。启动子序列的确定——RNA聚合酶保护法3

开始转录TTGACAAACTGT-35区(Pribnowbox)TATAATPuATATTAPy-10区1-30-5010-10-40-205

3

3

5

RNA-pol辨认位点(recognitionsite)5

RNA聚合酶保护区结构基因5

3

原核生物启动子序列真核生物RNA聚合酶II的启动子序列

TATA盒

CAAT盒

GC盒

增强子

结构基因-GCGC---CAAT---TATA转录起始顺式作用元件五、原核生物的转录过程（一）转录起始：1.RNA聚合酶全酶(

2

)与模板结合2.DNA双链解开3.在RNA聚合酶作用下发生第一次聚合反应，形成转录起始复合物5

-pppG-OH+NTP

5

-pppGpN-OH3

+ppi转录起始复合物RNApol(

2

)-DNA-pppGpN-OH3

（二）转录延长1.

亚基脱落，RNA–pol聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，沿着DNA模板前移；

2.在核心酶作用下，NTP不断聚合，RNA链不断延长。(NMP)n+NTP

(NMP)n+1+PPi转录延长示意图转录延长复合物——转录空泡RNA-pol

(核心酶)····DNA····RNA转录延长（全貌）电子显微镜下转录过程的相片5

3

DNA核糖体RNARNA聚合酶原核生物转录过程中的羽毛状现象（三）转录终止 指RNA聚合酶在DNA模板上停顿下来不再前进，转录产物RNA链从转录复合物上脱落下来。

原核生物有两种转录终止方式：依赖Rho(r)因子的转录终止非依赖Rho因子的转录终止（三）转录终止1.依赖r因子的转录终止模式ATP（三）转录终止2.非依赖r因子的转录终止模式 在转录后期，转录生成的RNA产物可形成特殊的“发夹”结构使RNA聚合酶变构，丧失其RNA聚合酶活性，导致转录终止。RNA5

TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT...3

DNAUUUU...…UUUU...…5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`茎环(stem-loop)/发夹(hairpin)结构"发夹"结构终止转录的机理使RNA聚合酶变构，转录停顿使转录复合物趋于解离，RNA产物释放5´pppG53

35RNA-pol原核生物转录过程总结六、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不直接结合模板，其起始过程比原核生物复杂。 这里重点介绍真核生物RNA-polII的转录过程，即hnRNA（mRNA前体）的合成。1.转录起始位点前的区段——顺式作用元件 真核生物基因中可影响自身基因表达活性的DNA序列，称为顺式作用元件(cis-actingelement)。真核生物聚合酶II转录的基因结构转录起始点TATA盒CAAT盒GC盒

增强子AATAAA切离加尾转录终止点修饰点外显子翻译起始点内含子OCT-1OCT-1：ATTTGCAT八聚体顺式作用元件结构基因2.转录因子(transcriptionalfactors,TF)

能直接、间接辨认和结合真核生物基因中转录上游区段DNA的蛋白质，统称为反式作用因子(trans-actingfactors)，现已发现数百种。 反式作用因子中，直接或间接结合RNA聚合酶的，则称为转录因子。参与RNA-polⅡ转录的TFⅡ

相应于RNA-polI、II、III的转录因子，分别称为TFI、TFII、TFIII。3.顺式作用元件与反式作用因子的相互作用形成转录起始前复合物(pre-initiationcomplex,PIC)由RNA-PolⅡ催化转录的PICPOL-ⅡTFⅡFⅡAⅡBⅡHⅡETBPTAFTFⅡD-ⅡA-ⅡB-DNA复合物TATAⅡAⅡBTBPTAFTATACTD-PPIC组装完成，TFⅡH使CTD磷酸化TFⅡFRNApol-ⅡⅡHⅡE真核转录起始（动画）（二）转录延长 真核生物转录延长过程与原核生物大致相似，但因有核膜相隔，没有转录与翻译同步的现象。

RNA-pol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。转录延长中的核小体移位RNA-PolRNA-Pol核小体RNA-Pol转录方向真核转录延长（动画）（三）转录终止（RNApolII）5------AAUAAA-内切酶复合体-GUGUGUGRNA-polAATAAAGTGTGTG转录终止的修饰点5533RNA-polAATAAAGTGTGTG转录终止的修饰点-GUGUGUG5

------AAUAAA--AAAAAAA······3mRNA3加尾5533（三）转录终止（RNApolII）核酸酶真核转录终止（动画）七、转录后加工

由RNA聚合酶合成的原初转录产物，往往需要经过一系列的结构改造或修饰，这个过程称为RNA的成熟，或称为转录后加工。1.5′端与3′端的切除2.剪接3.特殊结构的形成4.碱基修饰和糖苷键的改变转录后加工包括：3.修饰(modification)

如：Gm7G4.添加(addition)

如添加帽子结构、尾巴结构、氨基酸臂等5.编辑(editing)1.剪接(splicing)2.剪切(cleavage)转录后加工的主要方式真核生物mRNA的转录后加工1.首、尾的修饰5'端形成帽子结构(m7GpppGp—)3'端加上多聚腺苷酸尾巴(polyAtail)mRNA结构示意图“帽子”结构“尾巴”结构“帽子”结构的生成过程5pppGp…5GpppGp…pppG

ppi鸟苷酸转移酶5

m7GpppGp…甲基转移酶SAM5ppGp…磷酸酶Pi图5-9帽子p161

mRNA3´-端的多聚腺苷酸化可被冬虫夏草素

（3´-脱氧胸苷）所阻止；

即冬虫夏草素是多聚腺苷酸化的特异抑制剂。

2、mRNA的甲基化

真核生物mRNA分子中有许多甲基化的碱基，主要是：N6-甲基腺嘌呤（m6A）。3.mRNA前体的剪接 在snRNA的参与下hnRNA剪接为有活性的mRNA。ABCDhnRNAABCD（snRNA）mRNA断裂基因(splitegene) 真核生物结构基因，由若干个编码区和非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，可翻译出由连续氨基酸组成的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。ABCD编码区非编码区外显子(exon)和内含子(intron)外显子：在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟RNA的核酸序列。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。ABCD外显子内含子卵清蛋白基因转录产物(mRNA)与其基因(DNA)杂交后

拍摄到的电子显微镜相片电子显微镜相片示意图鸡卵清蛋白基因及其转录、转录后修饰hnRNA首、尾修饰hnRNA剪接成熟的mRNAmRNA的剪接——剪接体的生成 剪接体（splicesome）是由细胞核小分子核糖核蛋白颗粒（snRNP）与hnRNA结合，使内含子形成套索并拉近上、下游外显子距离的复合体。pG-OH(ppG-OH,pppG-OH)U-OHGpUpGpA第一次转酯反应第二次转酯反应UpAGpU外显子1内含子外显子2G-OHUpUpGpA剪接过程的二次转酯反应内含子的切除（动画）真核mRNA转录后加工（动画）tRNA转录后的加工1.剪切与剪接RNAaseP内切酶剪切剪接2.添加：添加3'氨基酸臂-CCAtRNA核苷酸转移酶、连接酶①②③④3.修饰①甲基化：GmG②还原：U

DHU③脱氨:A

I④转位:U

Ψ稀有碱基结构示意图rRNA转录后的加工1.甲基化：发生于45srRNA2.剪切：45S41S20S18S32S28S—5.8S28S5.8S（真核生物）DNA转录转录45SrRNA剪切18SrRNA5.8S-28SrRNADNA真核rRNA的剪切示意图内含子内含子28S5.8S18SrDNA5.8SrRNA+28SrRNA基因转录调控(P361)

基因通过转录和翻译而产生其蛋白质产物，或者转录后产生其RNA产物的过程，称为基因表达。

在不同时期和不同条件下基因表达的开启或关闭以及基因活性的增加或减弱等，是受到调控的，这种控制被称为基因表达的调控。

原核生物的操纵子模型具有普遍性

原核生物绝大多数基因按功能相关性成簇地串联、密集于同一DNA分子上，共同接受其上游的调控序列（启动序列、操纵序列等）进行转录调节，称为操纵子。调控区CAP结合位点启动序列操纵序列结构基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基转移酶ZYAOPDNA乳糖操纵子转录调控机理

1.乳糖操纵子(lac

operon)的结构阻遏蛋白对乳糖操纵子的负性调控mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时阻遏基因乳糖操纵子mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶CAP对乳糖操纵子的正性调控当环境缺乏葡萄糖，细胞内产生大量的cAMP。

cAMP与CAP结合而激活CAP，使CAP能结合CAP位点。

CAP与CAP位点结合后，使已与P、O序列结合的RNA聚合酶活性显著提高，乳糖操纵子处于高表达状态。无葡萄糖，cAMP浓度高，CAP被cAMP激活可结合CAP位点CAP对乳糖操纵子的正性调控++++

转录ZYAOPDNACAPCAP有葡萄糖，cAMP浓度低，CAP未被激活，不能结合CAP位点CAP色氨酸操纵子——基因表达阻遏调控1.色氨酸操纵子的结构调控区

从5'端开始，含有启动序列P、操纵序列O、前导序列L。在环境有丰富色氨酸时，前导序列L可以形成衰减子结构，导致RNA聚合酶转录终止。结构基因区

含有细菌合成色氨酸所需的酶的五个基因，即E、D、C、B、A基因。色氨酸操纵子的结构EDCBA调控区结构基因trpROP前导序列衰减子区域阻遏蛋白基因当环境缺乏色氨酸时，阻遏蛋白因缺乏色氨酸的激活而没有活性，RNA聚合酶可以顺利通过P、O序列完成结构基因的转录。

当环境有大量色氨酸存在时，阻遏蛋白被激活而能与O序列结合，阻止了RNA聚合酶P、O序列的结合而抑制色氨酸操纵子的转录功能。2.阻遏蛋白对色氨酸操纵子的负调控作用阻遏蛋白对色氨酸操纵子的调控作用Trp

Trp

高时Trp

低时mRNAOPtrpR调节区结构基因

RNA聚合酶

RNA聚合酶阻遏蛋白（无活性）阻遏蛋白（激活）当环境有大量色氨酸存在时，却因某些因素导致阻遏蛋白作用失效，色氨酸操纵子依然处于转录激活状态。此时，L序列的转录产物将形成衰减子结构，使转录提前终止。

衰减子本质上就是一个转录终止子。3.衰减子对色氨酸操纵子的负调控作用UUUU……UUUU……调节区结构基因trpROP前导序列衰减子区域UUUU……前导mRNA1234衰减子结构

14aa前导肽编码区包含序列1:第10、11密码子为trp密码子终止密码子形成发夹结构能力强弱：序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp

密码子

UUUU……衰减子对色氨酸操纵子的调控作用色氨酸操纵子衰减子作用机理高色氨酸浓度时形成衰减子，转录提前终止。低色氨酸浓度时衰减子不能形成，转录继续进行。（一）真核基因顺式作用元件影响基因转录活性启动子真核基因启动子是RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，至少包括一个转录起始点以及一个以上的功能组件。TATA盒GC盒CAAT盒真核细胞基因转录的调节CCAAT盒GC盒TATA盒转录起始点高等真核生物上游激活序列（UAS）TATA盒转录起始点酵母真核基因启动子的典型结构增强子(enhancer)指远离转录起始点、决定基因的时间、空间特异性、增强启动子转录活性的DNA序列。其发挥作用的方式通常与方向、距离无关。

沉默子(silencer)某些基因的负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。（二）反式作用因子是真核细胞中重要的转录调控蛋白转录调节因子分类（按功能特性）基本转录因子(generaltranscriptionfactors)是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种RNA(mRNA、tRNA及rRNA)转录的类别。（RNA聚合酶的亚基）特异转录因子(specialtranscriptionfactors)为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达。转录激活因子转录抑制因子转录调节因子结构DNA结合域转录激活域TF蛋白质-蛋白质结合域（二聚化结构域）谷氨酰胺富含域酸性激活域脯氨酸富含域最常见的DNA结合域：锌指(zincfinger)C——CysH——His常结合GC盒蛋白质分子可有2~9个锌指重复单位。每个单位以其指