第四章 RNA的生物合成

1、第第 四四 章章 RNA的生物合成的生物合成 （转录）（转录） RNA Biosynthesis, Transcription 转录转录 ( (transcription) 生物体以生物体以DNA为模板合成为模板合成RNA的过程的过程 。 转录转录 RNADNA DNA指导的指导的RNA合成合成 -转录体系转录体系 第一节第一节 DNA模板模板 原料原料: : NTP (ATP, UTP, GTP, CTP) 模板模板: : DNA( (模板链模板链) ) 酶酶: : RNA聚合酶聚合酶( (RNA polymerase, , RNA-pol) 其他蛋白质因子其他蛋白质因子 (NMP)n +

2、NTP (NMP)n+1 + PPi 一、一、RNA聚合酶聚合酶 ( (RNA-pol) ) DNA dependent RNA polymerase (DDRP) （一）原核生物的（一）原核生物的RNA聚合酶聚合酶 全酶全酶 (holoenzyme) 亚基的功能：亚基的功能：辨认转录的起始点辨认转录的起始点; ; 核心酶核心酶可以进行转录，但不能在特定的起可以进行转录，但不能在特定的起 始点上开始转录。始点上开始转录。 36512 决定哪些基因被转录决定哪些基因被转录 150618 催化功能催化功能 155613 结合结合DNA模板模板 70263 辨认起始点辨认起始点 亚亚 基基分分 子子

3、 量量功功 能能 大肠杆菌大肠杆菌RNA聚合酶的组成及功用聚合酶的组成及功用 （二）真核生物的（二）真核生物的RNA聚合酶聚合酶 ( 1 ) 分类分类: RNA聚合酶聚合酶 I、 II、 III RNA-pol I：位于细胞核仁，：位于细胞核仁， 转录转录 45S rRNA ( (经加工产生经加工产生5.8S; 18S5.8S; 18S和和28S rRNA)28S rRNA) RNA-pol II: 位于细胞核内，位于细胞核内， 转录转录 mRNA前体前体和和 大多数核内小大多数核内小RNA（snRNA） RNA-pol III: 位于位于细胞核内细胞核内， 转录转录 tRNA前体、前体、 5

4、S rRNA、 胞质小胞质小RNA（scRNA）等）等 Mt-RNA-pol: 真核生物细胞的真核生物细胞的线粒体内线粒体内的的RNA-pol 真核生物的真核生物的RNA聚合酶聚合酶* * RNA聚合酶聚合酶II II是真核生物中最活跃的是真核生物中最活跃的RNA聚合酶聚合酶 二、转录的模板二、转录的模板 Templates of Transcription DNA双链中按碱基配对规律能指引转录双链中按碱基配对规律能指引转录 生成生成RNA的一股单链，称为的一股单链，称为模板链模板链 ( (template strand)。 相对的另一股单链是相对的另一股单链是编码链编码链 ( (coding

5、 strand)。 结构基因结构基因* *：DNA分子上转录出分子上转录出RNA的区段。的区段。 5G C A G 5G C A G T T A C A A C A T T G G T T C3 C3 3c g t c a t g t a c a g53c g t c a t g t a c a g5 DNADNA 5G C A G 5G C A G U U A C A A C A U U G G U U C3 C3mRNAmRNA N Ala Val His Val CN Ala Val His Val C 多肽链多肽链 转录转录 翻译翻译 编码链编码链 模板链模板链 5 5 3 3 3 3

6、 5 5 模板链模板链编码链编码链 编码链编码链模板链模板链 结构基因结构基因 转录方向转录方向 转录方向转录方向 不对称转录不对称转录* *(asymmetric transcription) 在在DNA分子双链上某一区段分子双链上某一区段,一股链用一股链用 作模板指引转录，另一股链不转录作模板指引转录，另一股链不转录 ； 模板链并非永远在同一条单链上。模板链并非永远在同一条单链上。 5 3 3 5 结构基因结构基因调控序列调控序列 RNA-pol RNA聚合酶结合模板聚合酶结合模板DNA的部位，称为的部位，称为启动子启动子 转录单位转录单位= =启动子启动子+ +结构基因结构基因+ +终止

7、区终止区 TTGACA盒盒 TATA盒盒 启动子区启动子区 结构基因结构基因 -10bp-10bp+1+1转录转录 初级转录产物初级转录产物RNARNA -35bp-35bp 终止区终止区 RNA聚合酶保护法聚合酶保护法 开始转录开始转录 T T G A C A A A C T G T -35 区区 (Pribnow box) T A T A A T Pu A T A T T A Py -10 区区 1-30-5010-10-40-20 5 3 3 5 原核生物启动子保守序列原核生物启动子保守序列 RNA-pol辨认位点辨认位点 (recognition site) 5 5 RNA聚合酶保护区

8、聚合酶保护区结构基因结构基因 3 3 原核生物启动子结构及其功能区原核生物启动子结构及其功能区 核心酶核心酶 因子因子 RNA聚合酶聚合酶 +1 TTGACATATAAT AACTGTATATTA -10 (Pribnow box) 下游下游 上上 游游 结合部位结合部位 TATA盒盒 CAAT盒盒 GC盒盒 增强子增强子 顺式作用元件顺式作用元件 结构基因结构基因 -GCGC-CAAT-TATA 转录起始转录起始 真核生物启动子保守序列真核生物启动子保守序列 真核生物的启动子真核生物的启动子 被被转录因子转录因子而不是而不是 RNA聚合酶所识聚合酶所识 别别 （二）（二）终止子终止子 (te

9、rminator) 提供转录停止信号的提供转录停止信号的DNA序列序列称为称为终止子终止子. 两类终止子两类终止子 不依赖不依赖Rho因子的终止子因子的终止子 富含富含GC的回文及的回文及 3-端系列端系列U结构结构 依赖依赖Rho因子的终止子因子的终止子 原核生物终止子：原核生物终止子： 转录过程转录过程 The Process of Transcription 第二节第二节 （一）转录起始（一）转录起始 转录起始需解决两个问题：转录起始需解决两个问题： RNA聚合酶必须准确地结合在转录模聚合酶必须准确地结合在转录模 板的起始区域。板的起始区域。 1. DNA双链解开，使其中的一条链作为双链

10、解开，使其中的一条链作为 转录的模板。转录的模板。 一、原核生物的转录过程一、原核生物的转录过程 RNApol ( 2) - DNA - pppGpN- OH 3 因子辨认启动子的因子辨认启动子的识别部位识别部位 核心酶与核心酶与TATA盒盒结合结合 因子脱落。因子脱落。 RNA-pol全酶全酶( 2)与模板结合与模板结合 DNA双链局部构象改变，解开约双链局部构象改变，解开约17bp17bp长度长度 RNA聚合酶与模板结合后，聚合酶与模板结合后，GTP(ATP)加入，加入， 第一个磷酸二酯键生成第一个磷酸二酯键生成, 形成形成转录起始复合物：转录起始复合物： RNA聚合酶全酶在转录起始区的结

11、合聚合酶全酶在转录起始区的结合 RNApol ( 2) - DNA - pppGpN- OH 3 转录起始复合物转录起始复合物 转录过程中的模板识别、起始和延伸转录过程中的模板识别、起始和延伸 （二）转录延长（二）转录延长 亚基脱落，亚基脱落，RNApol聚合酶核心酶变构，聚合酶核心酶变构， 与模板结合松弛，沿着与模板结合松弛，沿着DNA模板前移；模板前移； 2. 2. 在在核心酶核心酶作用下，作用下，NTP不断聚合，不断聚合， RNA链不断延长。链不断延长。 (NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPi 编码链编码链 模板链模板链 RNA-DNA杂交链杂交链 转录空泡转录空泡

12、转录的延长转录的延长 双链重新双链重新 形成形成 pppGpN- 5 3 RNA pol 转录复合物：转录复合物：酶酶- -DNA-RNA：转录空泡转录空泡 RNA 5 3 DNA 原核生物转录过程中的羽毛状现象原核生物转录过程中的羽毛状现象 核糖体核糖体 RNA RNA聚合酶聚合酶 （三）（三）原核生物的转录终止原核生物的转录终止 指指RNA聚合酶在聚合酶在DNA模板上停顿下模板上停顿下 来不再前进，转录产物来不再前进，转录产物RNA链从转录复链从转录复 合物上脱落下来。合物上脱落下来。 1. 1. 依赖依赖因子的转录终止因子的转录终止 2. 2. 不依赖不依赖因子的转录终止因子的转录终止

13、因子因子 1. 1. 识别结合识别结合富含富含C C的的RNA链链 功能功能 2. 2. ATPase活性活性 3. 3. 解螺旋酶活性解螺旋酶活性 Rho具有具有ATP酶酶 和解旋酶的活性和解旋酶的活性 构象发构象发 生改变生改变 1. 1. 依赖依赖 Rho因子的转录终止因子的转录终止 2. 2. 非依赖非依赖 Rho因子的转录终止因子的转录终止 DNA模板上靠模板上靠 近终止处，有些特近终止处，有些特 殊的碱基序列，转殊的碱基序列，转 录出录出RNA后，后，RNA 产物产物形成特殊的结形成特殊的结 构来终止转录。构来终止转录。 5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCU

14、GGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3 5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3 RNA 5 TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT. 3 DNA UUUU. UUUU. 5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3 茎环茎环(stem-loop)/发夹发夹(hairpin)结构结构 使使RNA聚合酶变构，转录停顿；聚合酶变构，转录停顿； DNA

15、和和RNA各自形成自己的局部双链，使杂化链各自形成自己的局部双链，使杂化链 更加不稳定，以致转录复合物趋于解体。更加不稳定，以致转录复合物趋于解体。 33端一连串端一连串U，UA配对最不稳定，易从模板上脱配对最不稳定，易从模板上脱 落。落。 5 5 pppGpppG 5 5 3 3 3 3 5 5 RNA-polRNA-pol 茎环结构使转录终止的机理茎环结构使转录终止的机理 二、真核生物的转录过程二、真核生物的转录过程 （一）转录起始（一）转录起始 真核生物的转录起始上游区段比原核真核生物的转录起始上游区段比原核 生物多样化，生物多样化，其起始过程比原核生物复其起始过程比原核生物复 杂。杂。

16、 转录起始时，转录起始时，RNA-pol不直接识别、不直接识别、 结合模板，结合模板，而是需要众多而是需要众多转录因子转录因子的帮的帮 助。助。 含有共同序列：含有共同序列：TATA序列序列 (Hogness 盒）盒） (-25bp区区) CAAT盒盒 （-75bp区区) GC盒盒 等等 由由 顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element)组成组成 转录起始点前的上游区段转录起始点前的上游区段 转录起始部位转录起始部位 转录起始点转录起始点 TATA盒盒 CAAT盒盒 GC盒盒 增强子增强子 顺式作用元件顺式作用元件( (cis-acting element) 1. 1. 转

17、录起始前的上游区段转录起始前的上游区段 AATAAA 切离加尾切离加尾 转录终止点转录终止点 修饰点修饰点 外显子外显子 翻译起始点翻译起始点 内内 含含 子子 OCT-1 OCT-1：ATTTGCAT八聚体八聚体 2. 2. 转录因子转录因子 能直接、间接辨认和结合转录上游能直接、间接辨认和结合转录上游 区段区段DNA的蛋白质，现已发现数百种，的蛋白质，现已发现数百种， 统称为统称为反式作用因子反式作用因子(trans-acting (trans-acting factors)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聚合酶的，则称为聚合酶的，则

18、称为转录因子转录因子 (transcriptional factors, TF)(transcriptional factors, TF)。 参与参与RNA-pol转录的转录的TF 蛋蛋白白激激酶酶活活性性，使使CTD磷磷 酸酸化化 TFH ATPase57（ ） 34（ ）TFE 解解螺螺旋旋酶酶30，74TFF 促促进进RNA-pol结结合合及及作作 为为其其他他因因子子结结合合的的桥桥梁梁 33TFB 稳稳定定TFD-DNA复复合合物物12，19，35TFA 辅辅助助TBP-DNA结结合合TAF* 结结合合TATA盒盒TBP* 38TFD 功功能能亚亚基基组组成成，分分子子量量(kD)转

19、转录录因因子子 蛋蛋白白激激酶酶活活性性，使使CTD磷磷 酸酸化化 TFH ATPase57（ ） 34（ ）TFE 解解螺螺旋旋酶酶30，74TFF 促促进进RNA-pol结结合合及及作作 为为其其他他因因子子结结合合的的桥桥梁梁 33TFB 稳稳定定TFD-DNA复复合合物物12，19，35TFA 辅辅助助TBP-DNA结结合合TAF* 结结合合TATA盒盒TBP* 38TFD 功功能能亚亚基基组组成成，分分子子量量(kD)转转录录因因子子 3. 3. 转录起始前复合物转录起始前复合物 ( (pre-initiation complex, PIC) ) 真核生物真核生物RNA-pol不与不

20、与DNA分子直接结分子直接结 合，而需依靠众多的转录因子。合，而需依靠众多的转录因子。 三类转录因子（对应于三类三类转录因子（对应于三类RNA-pol）：）： TF I、 TF II、 TF III TF（ A、B、D、E、F、H ) 转录因子转录因子和和转录前起始复合物转录前起始复合物(PIC) RNA-pol II借助借助 TF（A、B、D、E、F、H ) 之间及之间及 TF与顺式作用元件之间的相互识别、结与顺式作用元件之间的相互识别、结 合，与模板形成合，与模板形成 转录起始前复合物（转录起始前复合物（PIC） TFD 首先与首先与 模板的模板的TATA 盒盒结合，结合， 各种各种 TF

21、之间相互识别、结合之间相互识别、结合.。 RNA-pol加入，逐步形成加入，逐步形成 PIC： A D B E F 转录前起始复合物转录前起始复合物(PIC)的形成的形成 RNA-pol II DNA TATA PIC TF II DTF II BTF II ARNA-pol II / TF II FTF II E/H TATA H POL- TFF A B 由由RNA-Pol 催化转录的催化转录的PIC POL- TFF H E TBP TAF TFD-A-B-DNA复合物复合物 TATA A B TBP TAF TATA H E CTD-P PIC组装完成，组装完成，TFH使使CTD磷酸化

22、磷酸化 4. 4. 拼板理论拼板理论(piecing theory)(piecing theory) 一个真核生物基因的转录需要一个真核生物基因的转录需要3 3至至5 5 个转录因子。个转录因子。 转录因子之间互相结合，生成有活转录因子之间互相结合，生成有活 性，有专一性的复合物性，有专一性的复合物 再与再与RNA聚合酶搭配而有针对性聚合酶搭配而有针对性 地结合、转录相应的基因。地结合、转录相应的基因。 （二）转录延长（二）转录延长 真核生物转录延长过程与原核生物大真核生物转录延长过程与原核生物大 致相似，但因有致相似，但因有核膜相隔核膜相隔，没有转录与翻，没有转录与翻 译同步的现象。译同步的

23、现象。 RNA-pol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转录延长过程中可以观察到核小体移核小体移 位和解聚位和解聚现象。现象。 RNA-Pol RNA-Pol RNA-Pol 核小体核小体 转转 录录 延延 长长 中中 的的 核核 小小 体体 移移 位位 转录方向转录方向 （三）转录终止（三）转录终止 和转录后修饰密切相关。和转录后修饰密切相关。 5 -AAUAAA- 5 -AAUAAA- 核酸酶核酸酶 -GUGUGUG RNA-pol AATAAA GTGTGTG 转录终止的修饰点转录终止的修饰点 5 5 3 3 3 3 加尾加尾 AAAAAAA 3 mR

24、NA 真核生物转录终止和转录后修饰密切相关真核生物转录终止和转录后修饰密切相关 RNA的转录后加工的转录后加工 Post-transcriptional Modification 第三节第三节 几种主要的修饰方式几种主要的修饰方式 1. 1. 剪接剪接(splicing)(splicing) 2. 2. 剪切剪切(cleavage)(cleavage) 3. 3. 修饰修饰(modification)(modification)4. 4. 添加添加(addition)(addition) 5. 5. 编辑编辑(editing)(editing) ( (一一) )mRNA的转录后加工的转录后加工

25、* * (“(“穿靴、戴帽穿靴、戴帽”、切除内含子）、切除内含子） 1.1.首、尾的修饰首、尾的修饰 5 5 端形成端形成 帽子结构帽子结构( (m7m7GpppGp )GpppGp ) 3 3 端加上端加上多聚腺苷酸尾巴多聚腺苷酸尾巴( (poly A tail) ) 一、真核生物一、真核生物RNA的转录后加工的转录后加工 5 pppGp 5 GpppGp pppG ppi 鸟苷酸鸟苷酸 转移酶转移酶 5 m7GpppGp 甲基转移酶甲基转移酶 SAM 帽帽 子子 结结 构构 的的 生生 成成 5 ppGp 磷酸酶磷酸酶 Pi 5 3 AAUAAA 核酸内切酶核酸内切酶(RAaseIII)

26、5 OH3 AAUAAA （ATP）n nPPi PolyA聚合酶聚合酶 5 AAA(A)nOH3 AAUAAA 3 -polyA尾结构的生成尾结构的生成 终止修饰点终止修饰点 2、3 -polyA尾巴尾巴 增加增加mRNA的稳定性的稳定性 体外分离体外分离mRNA的分子基础的分子基础 1、5 端端( m7Gppp-帽子结构帽子结构 避免避免mRNA降解降解 帽子结合蛋白（帽子结合蛋白（CBP）辨认）辨认mRNA，与翻译，与翻译 起始相关起始相关 mRNA首尾修饰的生物学意义及应用：首尾修饰的生物学意义及应用： 真核生物结构基因，由若干个编码真核生物结构基因，由若干个编码 区和非编码区互相间隔

27、开但又连续镶嵌区和非编码区互相间隔开但又连续镶嵌 而成，这种基因称为而成，这种基因称为断裂基因断裂基因。 (1)(1)断裂基因断裂基因(splite gene)(splite gene) C CA AB BD D 编码区编码区 A A、B B、C C、D D 非编码区非编码区 2 2.mRNA的剪接的剪接 (2) (2) 外显子外显子(exon)(exon)和内含子和内含子(intron)(intron) 外显子外显子 在断裂基因及其初级转录产物上出现，在断裂基因及其初级转录产物上出现， 并表达为成熟并表达为成熟RNARNA的核酸序列。的核酸序列。 内含子内含子 在断裂基因及其初级转录产物上出

28、现，在断裂基因及其初级转录产物上出现， 而在剪接过程中被除去的核酸序列。而在剪接过程中被除去的核酸序列。 (3) (3) hnRNA 和和 snRNA 核内的初级核内的初级mRNAmRNA称为核不均一称为核不均一RNA RNA (hetero-nuclear RNA,(hetero-nuclear RNA, hnRNAhnRNA) ) snRNA snRNA (small nuclear RNA)(small nuclear RNA)核内小核内小RNARNA 核内的蛋白质核内的蛋白质 小分子核糖核酸蛋白体小分子核糖核酸蛋白体 （并接体（并接体, splicesome, splicesome）

29、snRNAsnRNA hnRNA hnRNA 剪接的场所剪接的场所 (4)(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，将外显子连接。 snRNA与与hnRNA结合成为并接体结合成为并接体 外显子外显子 内含子内含子 转录转录 形成套索形成套索RNARNA，外显子靠近，外显子靠近剪接体剪接体 去除套索去除套索RNARNA，外显子连接，外显子连接 成熟成熟mRNAmRNA mRNA的剪接的剪接 hnRNA 剪接作用（二次转酯反应）剪接作用（二次转酯反应） 剪接部位的结构特点：剪接部位的结构特点：（GU-AG规则）规则） 内含子末端的特殊序列起始为内含子末端的

30、特殊序列起始为GU，终止于，终止于AG。 （剪接接口剪接接口） 2050bp 5剪接点剪接点 3剪接点剪接点 分支点分支点 上游外显子上游外显子AGAAGUA（Py)n NCG下游外显子下游外显子 内含子内含子 二次转酯反应二次转酯反应 鸡卵清蛋白鸡卵清蛋白 基因基因 hnRNAhnRNA 首、尾修饰首、尾修饰 hnRNAhnRNA剪接剪接 成熟的成熟的mRNAmRNA 鸡鸡 卵卵 清清 蛋蛋 白白 基基 因因 及及 其其 转转 录、录、 转转 录录 后后 修修 饰饰 (5)(5)mRNA的编辑的编辑 在生成在生成mRNAmRNA后后, ,通过添加、删除或置换核苷酸，从而使遗通过添加、删除或置换核苷酸，从而使遗 传信息发生改变。传信息发生改变。 结果：由一个基因产生不止一种蛋白。结果：由一个基因产生不止一种蛋白。 人类人类apo Bapo B基因基因 mRNAmRNA（1450014500个核苷酸）个核苷酸） 肝脏肝脏 apo B100apo B100 （分子量为（分子量为500000500000） 肠道细胞肠道细胞 apo B48apo B48 （分子量为（分子量为240000240000） mRNAmRNA编辑编辑 mRNAmRNA前体中前体中 第第21532153位的位的 密码子密码子CAACAA 中