第14章 RNA的生物合成

1、目目 录录第十四章第十四章 RNARNA的生物合成（转录）的生物合成（转录）目目 录录14.1 RNA生物合成的概况转录转录 (transcription)生物体以生物体以DNADNA为模板合成为模板合成RNARNA的过程的过程 。 也就是把也就是把DNADNA的碱基序列抄录成的碱基序列抄录成RNARNA的碱基序的碱基序列。列。转转录录RNADNA 目目 录录在细胞增殖周期的某个阶段在细胞增殖周期的某个阶段转录转录某些特定的某些特定的基因基因（转录有时间和空间上的严格调控）成熟成熟RNA转录的初级转录的初级产物产物剪接和修饰目目 录录原料原料: : NTP (ATP, UTP, GTP, CT

2、P) 模板模板: : DNA酶酶: : RNA聚合酶、聚合酶、其他蛋白质因子其他蛋白质因子1、 DNA指导的指导的 RNA合成合成（转录）（转录）2、 RNA指导的指导的 RNA合成合成（自我复制）（自我复制）目目 录录目目 录录目目 录录14.2 原核生物的转录原核生物的RNA聚合酶含有4种亚基：目目 录录目目 录录原核生物一个转录区段可视为一个转录单原核生物一个转录区段可视为一个转录单位，称为位，称为操纵子操纵子(operon)，包括若干个，包括若干个结构基因结构基因及其上游及其上游(upstream)的的调控序列调控序列。 5 3 3 5 结构基因结构基因调控序列调控序列RNA-polR

3、NA聚合酶结合模板聚合酶结合模板DNA的部位，称为的部位，称为启启动子动子(promoter)。启动子是启动子是RNA合成的特定起合成的特定起始位点。始位点。目目 录录开始转录开始转录T T G A C AA A C T G T-35 区区共有序列共有序列有利于有利于DNA局部解链局部解链T A T A A T Pu A T A T T A Py-10 区区共有序列共有序列1-30-5010-10-40-205 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5 5 RNA聚合酶结合区聚合酶结合区结构基因结构基因3 3 启动子从启动子从-70延伸到延伸到+

4、30二者之间的距离影响转录的效率目目 录录2. -10序列附近的DNA双链局部解开，形成转录泡1. RNA聚合酶全酶与模板结合 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RNApol ( 2) - DNA - pppGpN- OH 3 转录起始复合物转录起始复合物:5 -pppG -OH + NTP 5 -pppGpN - OH 3 + ppi目目 录录 RNA合成的第一个核苷酸：G 或 A 在合成8个以上核苷酸后， 亚基从转录起始复合物中脱落下来。目目 录录1. 亚基脱落，RNApol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

5、断聚合，RNA链不断延长。(NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPi目目 录录拓扑异构酶 消除形成 转录泡随转录过程移动，转录完成部分的DNA重新形成双链。 一但转录泡离开启动子一定距离，另一个RNA聚合酶即可与该启动子结合。目目 录录指指RNA聚合酶在聚合酶在DNA模板上的某一特定模板上的某一特定位置（位置（终止子终止子）停顿下来不再前进，转录产物）停顿下来不再前进，转录产物RNA链从转录复合物上脱离出来。链从转录复合物上脱离出来。 转录终止：转录终止：目目 录录w 因子有因子有ATP酶酶活 力 和 杂 化 双活 力 和 杂 化 双螺 旋 解 螺 旋 酶螺 旋 解 螺 旋 酶

6、活 力 。活 力 。 可 使可 使RNA-DNA杂化杂化双 链 的 短 链 变双 链 的 短 链 变性 ， 从 而 有 利性 ， 从 而 有 利于 转 录 产 物 从于 转 录 产 物 从转 录 复 合 物 中转 录 复 合 物 中释放出来。释放出来。目目 录录目目 录录5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3 5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3 RNA 5 TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACT

7、TTTTAGTCACCAGCCTTTTT. 3 DNA UUUU. UUUU.5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3茎环茎环(stem-loop)/发夹发夹(hairpin)结构结构目目 录录14.3 真核生物的转录真核生物的RNA聚合酶分为三类： 它们都不能直接识别启动子和起始转录，需要反式作用因子的参与。RNA聚合酶II可认为是真核生物中最重要的RNA聚合酶目目 录录羧基末端结构域羧基末端结构域 (carboxyl-terminal domain, CTD)RNARNA聚合酶聚合酶最大亚基的羧基末端有一段共有

8、最大亚基的羧基末端有一段共有序列为序列为( (Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Ser) )的重复序列片的重复序列片段。段。 这一序列在这一序列在RNA RNA 聚合酶聚合酶中是独一无二的。中是独一无二的。 所有真核生物的所有真核生物的RNARNA聚合酶聚合酶都具有都具有CTDCTD，只是共有序列的重复程度不同。只是共有序列的重复程度不同。 在去磷酸化的在去磷酸化的CTDCTD转录起始中发挥作用。转录起始中发挥作用。目目 录录真核生物的转录起始上游区段比原核生物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，多样化，转录起始时，RNA-pol不直接结合模不直接结合模板，其

9、起始过程比原核生物复杂。板，其起始过程比原核生物复杂。 真核生物的转录过程大致分为四个阶段：真核生物的转录过程大致分为四个阶段：装配、起始、延伸和终止装配、起始、延伸和终止 真核生物启动子分为三类：真核生物启动子分为三类：I I类、类、类、类、类类，分别分别控制控制RNARNA聚合酶聚合酶I I类、类、类、类、的转录起始的转录起始。目目 录录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（真核生物（真核生物DNA包括许多参与转录调控的序列）包括许多参与转录调控的序列）转录起始前的上游区段转录起始前的上游区段 AATAAA转录终止点转录终止点 外显子外

10、显子 翻译起始点翻译起始点内内含含子子 OCT-1 OCT-1：ATTTGCAT八聚体八聚体目目 录录 转录因子转录因子 能直接、间接辨认和结合转录上游区段DNA的蛋白质，现已发现数百种，统称为反式作用因子(trans-acting factors)。 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(transcriptional factors, TF)。 目目 录录参与参与RNA-pol转录的转录的TF 目目 录录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不与不与DNA分子直接结分子直接结合，而需

11、依靠众多的转录因子。合，而需依靠众多的转录因子。 目目 录录由由RNA-Pol 催化转录的催化转录的PIC POL-TFFHEABTBPTAFTFD-A-B-DNA复合物复合物TATAPOL-TFFABTBPTAFTATAHECTD-PPIC组装完成组装完成目目 录录真核生物转录延长过程与原核生物大致相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，似，但因有核膜相隔，没有转录与翻译同步的没有转录与翻译同步的现象现象。 RNA-pol前移处处都遇上核小体。转录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。延长过程中可以观察到核小体移位和解聚现象。 真核生物转录的终

12、止机制目前尚不明确真核生物转录的终止机制目前尚不明确。 目目 录录RNA-PolRNA-PolRNA-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目目 录录转录与复制的相似之处转录与复制的相似之处w 都以都以DNA为模板为模板w 需要核苷酸作原料，从需要核苷酸作原料，从5到到3延长；生成磷延长；生成磷酸二酯键以连接核苷酸酸二酯键以连接核苷酸w 都遵从碱基配对规律都遵从碱基配对规律w 都需要依赖都需要依赖DNA的聚合酶的聚合酶w 产物都是很长的多核苷酸产物都是很长的多核苷酸目目 录录转录和复制的区别转录和复制的区别目目 录录14.5 转录的选择性抑制目目 录录1

13、4.6 转录产物的加工目目 录录目目 录录主要存在于线粒体、叶绿体及某些低等真核生物的 rRNA基因目目 录录套索样中间体也发现于线粒体、叶绿体，转录产物是mRNA目目 录录 通过同样的套索机制进行剪接，只是需要特殊的剪接体(RNA-蛋白复合物)发挥作用。大多数mRNA基因有此类内含子。 需要消耗ATP，由内切核酸酶水解内含子两端的磷酸二酯键，将两个外显子相连起来。是tRNA基因及其初级转录产物中的内含子属于此类。目目 录录 原核生物rRNA基因经转录后形成30S的前体rRNA，经切割形成rRNA和tRNA前体，然后经特异酶的切割，释放出成熟的有功能的rRNA和tRNA。哺乳动物基因转录：+不

14、同生物的rRNA前体大小不同（1）原核生物tRNA前体的加工含有附加序列的含有附加序列的tRNA前体前体RNA polTGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNARNaseP、切除附加序列（1 1）（1 1）（3 3）（2 2）（4 4）目目 录录（2）真核生物tRNA前体的加工真核生物tRNA基因数目比原核生物多转录出的都是tRNA前体真核生物tRNA前体的加工需要切除内含子目目 录录 原核生物转录出的mRNA无需加工，在转录尚未完成时就能进行翻译。 真核生物核内转录的初级mRNA称为杂化核RNA (hnRNA)，需要经过加工才能生成成熟的mRNA。鸡卵清蛋白鸡卵清蛋白基因基因hnRN

15、A首、尾修饰首、尾修饰hnRNA剪接剪接成熟的成熟的mRNA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 GpppGpGTP ppi鸟苷酸转鸟苷酸转移酶移酶5 m7GpppGp甲基转移酶甲基转移酶SAM5 ppGp磷酸酶磷酸酶 Pi（1）帽子结构的生成帽子结构可提高mRNA的稳定性加帽出现在加帽出现在hnRNA中，说明可能在细胞核中完成，并在剪接之前。中，说明可能在细胞核中完成，并在剪接之前。5 pppGphnRNA初级转录本初级转录本 加入加入poly A之前，先由核之前，先由核酸外切酶切去酸外切酶切去3末端一些末端一些过剩的核苷酸，然后加入过剩的核苷酸，然后加入p

16、olyA。 3端修饰也是在细胞核中，端修饰也是在细胞核中，在剪接之前进行的。在剪接之前进行的。 poly A的有无与长短，是的有无与长短，是维持维持mRNA作为翻译模板作为翻译模板的活性，以及增加的活性，以及增加mRNA本身的稳定性。本身的稳定性。（2）多聚A尾的生成 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。 snRNP与与hnRNA结合成为拼接体结合成为拼接体目目 录录（3）mRNA的剪接snRNA与蛋白质结合形成的小分与蛋白质结合形成的小分子细胞核内核蛋白颗粒子细胞核内核蛋白颗粒GU-AG规则UACUAAC - AGUGU4U5U6E1E2U1U2U1、U4无

17、活性的剪接体UACUAAC - AGUGU6E1E2有活性的剪接体U5分支点保守序列剪剪接接过过程程的的二二次次转转酯酯反反应应外显子外显子1外显子外显子2内含子内含子第一次转酯反应第一次转酯反应第二次转酯反应第二次转酯反应 选择性剪接：同一个初级转录物，通过不同方式的剪接，可得到不同的mRNA产物。（4）选择性剪接和反式剪接选择性剪接主要类型：外显子跨越（缺失）外显子延长内含子保留外显子交替 一般转录后，加工主要进行顺式剪接，即发生在同一个RNA前体分子内部的剪接。 少数生物体内发生反式剪接，即发生在两种RNA前体分子之间的剪接。 RNA编辑作用说明，基因的编码序列经过转录后加工，编辑作用说

18、明，基因的编码序列经过转录后加工，是可有多用途分化的，因此也称为分化加工。是可有多用途分化的，因此也称为分化加工。人类载脂蛋白基因（人类载脂蛋白基因（apo B） mRNA（14500个核苷酸）个核苷酸）肝脏肝脏apo B100（分子量为（分子量为500 000）肠道细胞肠道细胞apo B48（分子量为（分子量为240 000）mRNA编辑编辑 RNA编辑：指mRNA转录后，通过碱基替换、插入或缺失改变遗传信息，从而表达出不同蛋白质的过程。目目 录录14.7 RNA复制目目 录录u含有(+)RNA，进入宿主细胞后，首先合成RNA聚合酶和相关蛋白，后以(+)RNA为模板复制，最后由病毒RNA和蛋白质组装成病毒颗粒。例如：噬菌体Q目目 录录u(-)