第十二章 RNA的生物合成

1、第十 二章 RNA的生物合成 (转录)Chapter 11 RNA Biosynthesis, Transcription转录转录(transcription)(transcription)： 以以DNADNA单链为模板，单链为模板，NTPNTP为原料，为原料，在在DNADNA依赖的依赖的RNARNA聚合酶催化下合成聚合酶催化下合成RNARNA链的过程。链的过程。第一节第一节RNA合成的模板、酶类与因子合成的模板、酶类与因子General Survey of DNA General Survey of DNA ReplicationReplication模板：模板：酶：酶：原料：原料：产物：产

2、物：配对：配对：方向：方向：引物：引物：DNA(不对称转录）不对称转录）RNA聚合酶聚合酶NTPmRNA,tRNA,rRNA，小，小RNAA-U,T-A,G-C5 3不需要不需要转转 录录 的的 条条 件件一、转录的模板（一、转录的模板（template）结构基因结构基因(structure gene): (structure gene): 能转录出能转录出RNARNA的的DNADNA区段。区段。 含义：含义：在在DNADNA双链上，一股链用作模板指引转录，双链上，一股链用作模板指引转录，另一股链不转录。另一股链不转录。1.1. 模板链并非总在同一单链上。模板链并非总在同一单链上。转录的不对称

3、性转录的不对称性（assmmetric transcriptionassmmetric transcription） 能够转录能够转录RNARNA的那条的那条DNADNA链称为链称为模板链模板链(template (template strand) strand) ，也称作，也称作有意义链有意义链或或WatsonWatson链链。 与模板链互补的另一条与模板链互补的另一条DNADNA链称为链称为编码链编码链(coding (coding strand)strand)，也称为，也称为反义链反义链或或CrickCrick链链。 模板链模板链编码链编码链5533555 5 3 3 3 3 5 5 模

4、板链模板链编码链编码链编码链编码链模板链模板链转录方向转录方向转录方向转录方向模板链和编码链的相对性模板链和编码链的相对性5GCAGTACATGTC 33 c g t g a t g t a c a g 5编码链编码链模板链模板链mRNA5GCAGUACAUGUC 3转录转录NAla Val His Val C蛋白质蛋白质翻译翻译模板链、编码链与转录及翻译的关系模板链、编码链与转录及翻译的关系二、二、DNA指导的指导的RNA聚合酶聚合酶 (DNA directed RNA polymerase, DDRP)模板：双链模板：双链DNADNA中的一条链中的一条链底物：四种核糖核苷三磷酸（底物：四种

5、核糖核苷三磷酸（ATPATP、GTPGTP、CTPCTP和和 UTPUTP）反应条件：二价金属离子，如反应条件：二价金属离子，如MgMg2+2+和和MnMn2+2+。 n(NTP) pppN(pN)n-1 + (n-1)PPi RNA聚合酶聚合酶 原核生物中的原核生物中的RNARNA聚合酶全酶由五个亚基聚合酶全酶由五个亚基构成，即构成，即 2 2 。 亚基亚基与与转录起始点的识别转录起始点的识别有关，在转录有关，在转录合成开始后被释放；余下的部分（合成开始后被释放；余下的部分（ 2 2 ）被称为被称为核心酶核心酶，与与RNARNA链的聚合链的聚合有关。有关。 （一）原核生物的（一）原核生物的R

6、NARNA聚合酶聚合酶核心酶核心酶 (core enzyme)全酶全酶 (holoenzyme) 原核生物原核生物RNARNA聚合酶的核心酶和全酶聚合酶的核心酶和全酶 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 量量功功 能能原核生物原核生物RNARNA聚合酶亚基的功能聚合酶亚基的功能（二）真核生物的（二）真核生物的RNARNA聚合酶聚合酶n真核生物具有真核生物具有3 3种不同的种不同的RNARNA聚合酶聚合酶: : RNARNA聚合酶聚合酶（RNA PolRNA

7、Pol） RNARNA聚合酶聚合酶（RNA PolRNA Pol） RNARNA聚合酶聚合酶（RNA Pol RNA Pol ）种类种类对鹅膏蕈碱对鹅膏蕈碱的反应的反应45S-rRNAhnRNA5S-rRNAtRNAsnRNA耐受耐受极敏感极敏感中度敏感中度敏感转录产物转录产物真核生物的真核生物的RNARNA聚合酶聚合酶（三）真核生物转录因子（三）真核生物转录因子转录因子（转录因子（transcription factorstranscription factors，TF)TF)：能结能结合到合到DNADNA的特殊序列并且与的特殊序列并且与RNARNA聚合酶结合聚合酶结合, ,促进转促进转录的

8、一类蛋白因子。录的一类蛋白因子。分类：分类：I I 型转录因子（型转录因子（TF lTF l）：能够促进）：能够促进RNARNA聚合酶聚合酶 l l 转录。转录。 Il Il 型转录因子（型转录因子（TF llTF ll）：促进）：促进RNARNA聚合酶聚合酶 ll ll转录。转录。 包括：包括：TFIIATFIIA，B B，D D，E E，F F，H H等。等。III III 型转录因子（型转录因子（TFIIITFIII）：促进）：促进RNARNA聚合酶聚合酶III III 转录转录 。（四）复制和转录的异同（四）复制和转录的异同 概念：概念： 复制复制以以DNADNA为模板合成为模板合成D

9、NADNA的过程；的过程； 转录转录以以DNADNA为模板合成为模板合成RNARNA的过程。的过程。2. 相同点：相同点： 都是酶促核酸聚合过程；都是酶促核酸聚合过程； 都以都以DNADNA为模板；为模板； 合成方向都是合成方向都是5-35-3； 核苷酸之间都以磷酸二酯键相连；核苷酸之间都以磷酸二酯键相连； 服从碱基互补配对规律；服从碱基互补配对规律； 都是依赖都是依赖DNADNA的聚合酶。的聚合酶。3. 不同点：不同点： 复复 制制二股链均复制二股链均复制dNTPA-T、G-CDNA聚合酶聚合酶子代双链子代双链DNA需要需要RNA引物引物 转转 录录模扳链转录模扳链转录NTPA-U、T-A、

10、G-CRNA聚合酶聚合酶mRNA/tRNA/rRNA不需要引物不需要引物模板模板原料原料碱基配对碱基配对聚合酶聚合酶产物产物引物引物第二节 真核生物的转录过程Section 2 The Process of RNA Biosynthesis一、一、mRNAmRNA的合成的合成 mRNAmRNA的合成时在核内有的合成时在核内有RNARNA聚合酶聚合酶IIII催化的。催化的。 RNARNA聚合酶聚合酶IIII： 有有1212个亚基组成。其中最大亚基个亚基组成。其中最大亚基的羧基末端结构域（的羧基末端结构域（caroxyl-terminal domaincaroxyl-terminal domain

11、，CTDCTD），富含丝氨酸残基。），富含丝氨酸残基。（一）起始阶段（一）起始阶段 转录开始时，转录开始时，RNARNA聚合酶聚合酶IIII结合于结合于DNADNA模板模板的特定部位，此部位称启动子区。的特定部位，此部位称启动子区。 启动子（启动子（promoterpromoter）时）时DNADNA上的特殊的序列，上的特殊的序列，包括一些保守顺序。包括一些保守顺序。真核生物启动子结构：真核生物启动子结构： GC BoxGC Box：位于位于-80 -80 -110-110区，有区，有GGGCGGGGGCGG保守序列，保守序列，结合转录因子调节转录。结合转录因子调节转录。 CAAT BoxCA

12、AT Box：位于位于-70 -70 -80-80区，有区，有GGNCAATCTGGNCAATCT保守序保守序列，决定转录起始的频率。列，决定转录起始的频率。 TATA BoxTATA Box：位于位于-25 -25 -30-30区，有区，有TATA(A/T)(A/T)ATATA(A/T)(A/T)A保守序列，能保证转录起始位置的精确性。又称保守序列，能保证转录起始位置的精确性。又称Hogness BoxHogness Box。 转录起始位点：转录起始位点：合成合成RNARNA链中第一个核苷酸的位点。链中第一个核苷酸的位点。真核生物启动子结构真核生物启动子结构2. 2. 转录因子转录因子III

13、I及转录前起始复合物的形成及转录前起始复合物的形成真核生物真核生物RNA-polRNA-pol不与不与DNADNA分子直接结合，而分子直接结合，而需依靠众多的转录因子，形成需依靠众多的转录因子，形成转录起始复合物转录起始复合物(pre-initiation complex, PIC) (pre-initiation complex, PIC) 。 nPIC的形成的形成DNADNA解开解开17 bp17 bp；RNA-DNARNA-DNA形成形成12bp12bp长的杂交螺旋长的杂交螺旋（二）（二）RNA链的延长链的延长 转录空泡转录空泡(transcription bubble)(transcr

14、iption bubble)的形成的形成5 -AAUAAA-5 -AAUAAA-核酸酶核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAA 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 mRNA（三）（三）RNA链的终止链的终止 二、二、rRNArRNA的合成的合成合成部位：合成部位： 核仁核仁酶：酶： RNA RNA 聚合酶聚合酶 I I转录单位：转录单位： 包括包括28 S28 S，5.8 S5.8 S及及18 S rRNA18 S rRNA基因。基因。 几百个转录单位串联排列在染色体几百个转录单位串联排列在染色体 上，中间有间隔序列隔开。上

15、，中间有间隔序列隔开。转录因子：转录因子： TF ITF I转录产物：转录产物： 28 S28 S，5.8 S5.8 S，18 S rRNA18 S rRNA三、三、5S rRNA5S rRNA和和tRNAtRNA的合成的合成合成部位：合成部位： 核浆核浆酶：酶： RNA RNA 聚合酶聚合酶 IIIIII转录因子：转录因子： TF IIITF III转录产物：转录产物： 5 S rRNA5 S rRNA，tRNAtRNA，snRNAsnRNA第三节第三节真核生物真核生物RNARNA转录后的加工转录后的加工RNA ProcessingRNARNA转录后加工（转录后加工（RNA processi

16、ngRNA processing）: : 以以DNADNA为模板转录生成的为模板转录生成的RNARNA链经过修饰、切链经过修饰、切除、连接等反应，去除非编码序列，形成成熟的除、连接等反应，去除非编码序列，形成成熟的具有功能的具有功能的RNARNA分子的过程。分子的过程。 mRNAmRNA可直接作为翻译的模板可直接作为翻译的模板 rRNArRNA 转录产物要加工、修饰转录产物要加工、修饰 tRNAtRNA真核生物真核生物RNARNA转录后的加工：转录后的加工：一、真核生物一、真核生物mRNA的转录后加工的转录后加工（一）首尾修饰（一）首尾修饰1. 51. 5端加帽端加帽55端：端：m7GpppG

17、pNm7GpppGpN（甲基化三磷酸双鸟苷）（甲基化三磷酸双鸟苷）部位：细胞核部位：细胞核作用作用: 1: 1）使）使mRNAmRNA免受磷酸酶和核酸酶的攻击，免受磷酸酶和核酸酶的攻击， 稳定稳定mRNAmRNA分子的一级结构；分子的一级结构； 2 2）提供核蛋白体识别位点，促进翻译起）提供核蛋白体识别位点，促进翻译起 始复合物形成，增强始复合物形成，增强mRNAmRNA翻译效率；翻译效率； 3 3）有利于）有利于mRNAmRNA前体的剪接。前体的剪接。55帽子结构帽子结构5 5 pppGp pppGp5 5 GpppGp GpppGppppGpppG ppippi鸟苷酸鸟苷酸转移酶转移酶5

18、5 m m7 7GpppGpGpppGp甲基转移酶甲基转移酶SAMSAM5 5 ppGp ppGp磷酸酶磷酸酶 Pi Pi帽子结构的生成帽子结构的生成2. 32. 3端加端加尾尾33端：端：100-200100-200个腺苷酸残基个腺苷酸残基部位：细胞核部位：细胞核作用作用: 1: 1）维持）维持mRNAmRNA的稳定；的稳定； 2 2）增加翻译效率；）增加翻译效率； 3 3）与）与mRNAmRNA运输有关。运输有关。步骤步骤1步骤步骤2作用位置作用位置33端加端加polyApolyA尾尾（二）真核生物（二）真核生物mRNA的剪接的剪接断裂基因（断裂基因（splite genesplite g

19、ene）：）：真核生物的结构基真核生物的结构基因由若干编码区和非编码区相互间隔但连续镶嵌因由若干编码区和非编码区相互间隔但连续镶嵌而成，编码一个完整的蛋白质，成为断裂基因。而成，编码一个完整的蛋白质，成为断裂基因。外显子（外显子（exonexon）：）：真核结构生物基因中的编码序真核结构生物基因中的编码序列。列。内含子（内含子（intronintron）：）：真核生物结构基因中的非编真核生物结构基因中的非编码区。码区。exonABCintron 核不均一核不均一RNARNA（heterogeneous-nuclear RNA,heterogeneous-nuclear RNA,hnRNAhnR

20、NA）：）： 细胞核内的初级转录产物。需要经过剪接细胞核内的初级转录产物。需要经过剪接才能成为成熟的才能成为成熟的mRNAmRNA。 核内小型核内小型RNARNA（small nuclear RNA, small nuclear RNA, snRNAsnRNA）：）： 在细胞核内与蛋白质组成核糖核酸蛋白体，在细胞核内与蛋白质组成核糖核酸蛋白体，即并接体（即并接体（splicesomesplicesome），结合在），结合在hnRNAhnRNA的内含的内含子区段，使之弯曲，有利于剪接。子区段，使之弯曲，有利于剪接。1. mRNA 1. mRNA 剪接（剪接（mRNA splicingmRNA s

21、plicing）：）： 真核生物结构基因转录时，外显子和内含子真核生物结构基因转录时，外显子和内含子同时被转录，产物为同时被转录，产物为hnRNAhnRNA，而后切除，而后切除hnRNAhnRNA中的中的内含子，将外显子连接的过程成为内含子，将外显子连接的过程成为mRNAmRNA剪接。剪接。剪接类型：剪接类型：snRNAsnRNA剪接方式剪接方式剪接位点：作为内含子起始和结束的剪接位点：作为内含子起始和结束的GUGU、AGAG剪接剪接 点序列成为剪接位点。点序列成为剪接位点。UpAGpU外显子外显子1内含子内含子外显子外显子2pG-OH(ppG-OH, pppG-OH)U-OHGpUpGpA第

22、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G-OHUpUpGpA剪接过程的二次转酯反应剪接过程的二次转酯反应2. mRNA 编辑（编辑（mRNA editing）：）： DNA DNA在转录成在转录成hnRNAhnRNA后，通过插入、删除后，通过插入、删除或碱基替换而改变或碱基替换而改变DNADNA模板原来的某些遗传信模板原来的某些遗传信息。息。 通常是个别碱基的更换使一个基因表达通常是个别碱基的更换使一个基因表达出多个氨基酸序列不同的蛋白质。出多个氨基酸序列不同的蛋白质。 是对生物学中心法则的补充，扩大了是对生物学中心法则的补充，扩大了mRNAmRNA遗传信息容量。遗传信息容量。

23、第第2153位位谷氨酰胺谷氨酰胺终止子终止子二、核糖体二、核糖体RNA（rRNA）的转录后加工）的转录后加工内含子内含子基因间隔基因间隔18S5.8S28S每个重复单位每个重复单位45S转录物转录物3种种 rRNA前身前身剪接剪接18SrRNA5.8S/28S rRNArRNA转录后转录后的加工的加工和与核和与核糖体的糖体的装配同装配同时进行时进行三、转移三、转移RNA（tRNA）的转录后加工）的转录后加工碱碱 基基 修修 饰饰（1 1）甲基化）甲基化 A AmA Am（2 2）还原）还原 U DHUU DHU（3 3）核苷酸内的转位反应）核苷酸内的转位反应 U U （4 4）脱氨反应）脱氨反

24、应 A IA I第四节 原核生物的转录过程开始转录开始转录(Pribnow box)T A T A A T Pu A T A T T A Py-10 区区1-30-5010-10-40-205 3 3 5 原核生物启动子的保守序列原核生物启动子的保守序列T T G A C AA A C T G T-35 区区RNA-pol辨认位点辨认位点(recognition site) 5 5 RNA聚合酶保护区聚合酶保护区结构基因结构基因3 3 一、原核生物一、原核生物RNARNA转录的起始转录的起始原核生物转录起始区的一致性序列原核生物转录起始区的一致性序列 被被RNARNA聚合酶辨认的区段就是位于转

25、录起始点聚合酶辨认的区段就是位于转录起始点- -3535区区的的TTGACATTGACA序列序列。 RNARNA聚合酶与该区结合后，即滑动至聚合酶与该区结合后，即滑动至-10-10区区的的TATAATTATAAT序列序列（PribnowPribnow盒），并启动转录。盒），并启动转录。 RNARNA聚合酶全酶在转录起始区的结合聚合酶全酶在转录起始区的结合 DNA DNA局部双链解开。局部双链解开。 RNA RNA聚合酶全酶聚合酶全酶( ( 2 2) )与模板结合。与模板结合。 在在RNARNA聚合酶作用下发生第一次聚合反应，形聚合酶作用下发生第一次聚合反应，形成转录起始复合物。成转录起始复合物

26、。RNApol (RNApol ( 2 2) - DNA - pppGpN- OH 3) - DNA - pppGpN- OH 3 转录起始复合物转录起始复合物: :5 5 -pppG -OH + -pppG -OH + NTPNTP 5 5 -pppGp-pppGpN N - OH 3- OH 3 + ppi + ppi 转录的起始过程：转录的起始过程： 第一个磷酸二酯键生成后，第一个磷酸二酯键生成后，亚基即从亚基即从转录起始复合物上脱落，核心酶连同四转录起始复合物上脱落，核心酶连同四磷酸二核苷酸，继续结合于磷酸二核苷酸，继续结合于DNADNA模板上，模板上，酶沿酶沿DNADNA链前移，进入

27、延长阶段。链前移，进入延长阶段。 因子从全酶上脱离，余下的核心酶继续沿因子从全酶上脱离，余下的核心酶继续沿DNADNA链移动，按照碱基互补原则，不断聚合链移动，按照碱基互补原则，不断聚合RNARNA。 1. 1. 亚基脱落，亚基脱落，RNApolRNApol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DNADNA模板前移；模板前移；2. 2. 在在核心酶核心酶作用下，作用下，NTPNTP不断聚合，不断聚合，RNARNA链不链不断延长。断延长。(NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPi二、原核生物二、原核生物RNARNA转录的延长阶段转录的延长阶段

28、RNARNA转录的延长转录的延长转录空泡转录空泡(transcription bubble)(transcription bubble)的形成的形成RNA链的延伸图解链的延伸图解3 5 RNA-DNA杂交螺旋杂交螺旋聚合酶的移动方向聚合酶的移动方向新生新生RNA复链复链解链解链有义链有义链模板链（反义链）模板链（反义链）延长部位延长部位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 RNARNA转录合成的终止机制有两种：转录合成的终止机制有两种： 1 1依赖依赖RhoRho因子的转录终止：因子的转录终止：由终止因子（由终止因子（ 因子）识别特异的终止信因子）识别特异的终止信号，并

29、促使号，并促使RNARNA的释放。的释放。三、原核生物三、原核生物RNARNA转录终止转录终止 原核生物中的终止因子原核生物中的终止因子 蛋白蛋白是一是一种六聚体的蛋白质，亚基的分子种六聚体的蛋白质，亚基的分子量为量为46kd46kd。 蛋白蛋白能识别转录终止信号，并与能识别转录终止信号，并与RNARNA紧密结合，导致紧密结合，导致RNARNA的释放。的释放。（1 1）依赖依赖RhoRho（）因子的转录终止）因子的转录终止 因子是由相同亚基组成的六聚体蛋因子是由相同亚基组成的六聚体蛋白质，亚基分子量白质，亚基分子量46kD46kD。 因子能结合因子能结合RNARNA，又以对，又以对poly C

30、poly C的结的结合力最强。合力最强。 因子还有因子还有ATPATP酶活性酶活性和和解螺旋酶解螺旋酶(helicase)(helicase)的活性。的活性。n因子：因子： 依赖依赖因子的转录终止因子的转录终止 目前认为，目前认为，因子终止转录的作用是：与因子终止转录的作用是：与RNARNA转录产物结合，结合后转录产物结合，结合后因子和因子和RNARNA聚聚合酶都可发生构象变化，从而使合酶都可发生构象变化，从而使RNARNA聚合聚合酶停顿，解螺旋酶的活性使酶停顿，解螺旋酶的活性使DNA/RNADNA/RNA杂化杂化双链拆离，利于产物从转录复合物中释双链拆离，利于产物从转录复合物中释放放 。模板模板DNADNA链在接近转录链在接近转录终止点处存在相连的富终止点处存在相连的富含含GCGC和和ATAT的区域，使的区域，使RNARNA转录产物形成寡聚转录产物形成寡聚U U及发夹形的二级结构，及发夹形的二级结构，引起引起RNARNA聚合酶变构及聚合酶变构及移动停止，导致移动停止，导致RNARNA转转录的终止。录的终止。(2)(2)非依赖非依赖RhoRho的转录终止：的转录终止：5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUU