《生物化学》本科课件11章 RNA的合成

1、 RNA的生物合成 RNA Biosynthesis(Transcription)RNA与DNA区别RNA中核甘酸戊糖成分是核糖 （不是脱氧核糖）RNA中嘧啶为胞嘧啶和尿嘧啶 （无胸腺嘧啶）RNA结构以单链为主 （DNA为双链）RNA碱基组成无严格的A-U、G-C间等量关系 （ DNA：A-T、 G-C ）1. mRNA 的结构和功能hnRNAmRNA外显子 1外显子 2外显子 3内含子 1内含子 2外显子 1外显子 2外显子 3真核生物的 mRNA 的成熟过程外显子 1外显子 2外显子 3内含子 1内含子 2外显子：真核细胞基因 DNA中能编码蛋白质的序列。内含子：真核细胞基因 DNA中的间

2、插序列，不编码蛋白质。DHU 环反密码环TC 环额外环 (可变的)tRNA 的二级结构 三叶草形反密码子氨基酸臂tRNA 的三级结构 倒 L 形tRNA 的功能 活化搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。Reverse transcription中心法则 (Central Dogma)Replication转录（transcription） 生物体以DNA为模板合成RNA的过程 。 转录RNADNA 本章教学要求转录的特点真核生物RNA聚合酶及转录因子转录的过程转录后的加工原核生物的转录特点RNA的生物合成原核生物的转录真核生物的转录转录起始阶段RNA链的延长转录的终止阶段一、转录的概念5-G

3、 C A G T A C A T G T C-3 3 -C G T C A T G T A C A G-5 DNAmRNA5-G C A G U A C A U G U C-3转录 转录:以DNA为模板,RNA聚合酶催化下，按碱基互补原则，以四种核苷酸为原料合成一条与模板DNA互补的RNA 的过程。转录从DNA模板特定位点开始，并在一定的位点终止。此转录区域为一个转录单位。启动子（promoter) 终止子(terminator)模板链（templatte strand） 反意义链(antisense strand)有意义链(sense strand) 二、参与RNA生物合成的物质 1.DNA

4、模板 2.NTP底物 （ATP, UTP, GTP, CTP） 3.RNA聚合酶（RNA polymerase, RNA-pol） 4.二价阳离子Mg2+、Mn2+ 5.蛋白质因子-转录因子（真核） 6.蛋白质因子-终止蛋白（原核）三、转录模板5-G C A G T A C A T G T C-3 3 -C G T C A T G T A C A G-5 DNAmRNA5-G C A G U A C A U G U C-3N-Ala-Val-His-Val-C肽链翻译转录模板链编码链结构基因(structural gene): DNA分子上转录出RNA的区段模板链：反意义链（antisense

5、，(-)链） 以该链中的DNA碱基顺序指导RNA的合成即被转录的那条DNA链。编码链：有意义链（sense，（+）链）不被转录的那条DNA链，但其碱基顺序除T代替U外，其余与mRNA相同。四、转录的特点RNA聚合酶不需引物RNA聚合酶无较读作用转录的不对称性只有基因区段转录RNA聚合酶不需引物P-P-P-O-CH2HHP-P-P-O-CH2DNA 模板链DNA 模板链转录的不对称性55335353基因tRNA基因rRNA基因结构基因 不对称转录(asymmetric transcription) 在DNA分子双链上某一区段，一股链可转录，另一股链不转录；模板链并非永远在同一单链上。转录与复制的

6、相同处 转录 / 复制 都需要以DNA为模板 都需要依赖DNA的聚合酶 都需要三磷酸核苷为底物 新链延伸方向 5-3 形成磷酸二酯键 遵循碱基配对原则 五、转录与复制的区别 转录 复制模板DNA 只模板链转录 两股链均复制原料 NTP dNTP 酶 RNA聚合酶 DNA聚合酶引物 不需要 需要产物 RNA DNA 碱基配对 A-U A T加工修饰 真核生物需要 不需要原核生物的转录 1. 原核生物的RNA聚合酶E.coli的RNA聚合酶是由四种亚基组成的六聚体（ 2 ）一、原核生物的RNA聚合酶(E.coli)全酶（480kD）核心酶各亚基的功能；： 决定那些基因被转录： 具有起始和催化作用：

7、与DNA模板结合， 兼有解链作用： 辨认起始点，协助核 心酶与模板结合。 （一旦转录开始，便与 核心酶脱离）（1）全酶(holoenzyme) 由4种(5个)亚基2组成（2）核心酶(core enzyme) 2 ，参与转录的全过程（3）亚基 亦称因子（ factor)转录辅助因子 识别启动子，不参与转录过程 原核生物（ E. coli ）RNA聚合酶组分亚基分子量功 能36512决定哪些基因被转录150618催化功能155613结合DNA模板70263辨认起始点 原核生物的 RNA聚合酶都受一类抗结核药利福平或利福霉素的特异性抑制。这类药物能与RNA聚合酶亚基特异结合，从而影响酶的活性。RNA

8、聚合酶全酶在转录起始区的结合 原核生物一个转录区段可视为一个转录单位，称为操纵子(operon)，包括若干个结构基因及其上游(upstream)的调控序列。 RNA聚合酶结合模板DNA的部位称启动子(promoter)。是调控转录的关键部位。原核生物的启动子序列启动子（promoter）1、概念:转录开始时能与RNA全酶结合的DNA顺序（双链）2、原核生物启动子的特点:(1)DNA序列在转录起始点的5端区(上游区)(2)-10bp处 -TATAAT- (Pribnow box)(3)-35bp处 -TTGACA-原核生物多种启动子区同源序列3.原核生物的启动子的共有序列编码链AACTGTATA

9、TTAN58N模板链TTGACATATAATN58N35转录起始点Pribnow盒启动子RNA+1-10区-35区转录区535区是RNA-pol对转录起始的辨认位点-10区主要供RNA-pol结合。因子识别位点：启动子-35区、-10区 原核生物启动子35区：一致性序列为TTGACA是RNA-pol的辨认位点10区：一致性序列为TATAAT又叫Pribnow盒是RNA-pol的结合位点起始阶段RNA链的延长转录终止三、转录过程转录过程 (起始、延长、终止) 一、转录的起始1、原核生物的起始RNA聚合酶(全酶)与DNA模板(启动子)结合结合过程： 闭和的启动子复合体开放的启动子复合体 （一）转录

10、的起始转录起始是指RNA-pol辨认、结合启动子,并前移形成第一个3，5-磷酸二酯键的过程启动子区5335RNApppG结合过程： 闭和的启动子复合体RNA聚合酶（全酶）中的因子在DNA双链上迅速、随机滑动，寻找到启动子-35区，形成疏松的复合物，DNA双链未解开。开放的启动子复合体RNA聚合酶（全酶）移向-10区和转录起始点在-20区DNA双链解开12-17bp时的启动子复合体。（一）RNA链的延长-因子与核心酶脱离，核心酶沿模板链向前移动RNA链不断延长启动子区5335RNApppGRNApppG35转录（空）泡二、延长（1）RNA聚合酶（核心酶）与DNA模板紧密结合，沿3 5方向移动解旋

11、作用：DNA解开17 bp聚合功能（不具外切酶功能） （2）杂交螺旋 RNA-DNA形成12bp长的杂交螺旋 转录产物RNA沿5 3方向延长 RNA延长速度：40个核苷酸/秒/每分子酶核心酶图13-7三. 终止 转录至模板某一位置 停止形成磷酸二酯键 RNADNA杂交链解开 DNA解链的部分重新形成双螺旋 RNA聚合酶离开DNA不依赖-因子的终止DNA模板上有终止信号转录出来的RNARNA聚合酶遇此结构 即停止工作。DNA和RNA（dA：rU） 稳定性下降GC富含和AT富含区的 回文结构自身互补形成发夹状结构（hairpin）3尾端有4个UDNA恢复双链，释放转录产物发夹结构环茎多个U DNA

12、模板 35终止的方式 依赖-因子的终止-因子的结构六个亚基组成的 蛋白质ATP酶活性与单链RNA结合-因子的作用与新生RNA结合ATP供能 -因子沿新生的RNA单链推进 新生的RNA单链从DNA模板上分离下来四.转录的抑制作用与DNA模板作用与RNA聚合酶作用原核生物真核生物放线菌素D-插入dG*dC间低浓度-(-)RNA延长高浓度-(-)RNA起始 (-)DNA复制利福平/利福霉素和原核生物RNA聚合酶 亚基结合-(-)转录起始鹅膏蕈碱 -(-)RNA聚合酶(四)转录后加工5353电镜下观察原核生物的转录现象rRNA基因转录前rRNA 23S 23S rRNA前rRNA16S16S rRNA

13、剪刀原核生物rRNA转录后的加工真核生物的转录真核生物RNA聚合酶转录因子转录过程一、真核生物RNA聚合酶 种 类 型 型 型 Mt型分子量 5.5105 6 105 6 105 （6.46.8） 105分布 核仁 核质 核质 线粒体产物 rRNA前体 mRNA前体 tRNA前体 线粒体RNA （5.8S、 18S、28S） 5s-rRNA snRNA对鹅膏蕈碱的反应 不敏感 极敏感 中度敏感RNA聚合酶依赖DNA的RNA聚合酶（DNA-dependent RNA polymerase,DDRP） 以DNA为模板，催化2个游离的NTP形成3，5-磷酸二酯键 RNA聚合酶、都由多个亚基组成。有些

14、亚基是三种酶所共有。mRNA是各种RNA中寿命最短、最不稳定的，需经常重新合成。因此RNA聚合酶是三种酶中最活跃的。二、转录因子(transcriptionactor,TF） -直接或间接与RNA聚合酶相互作用的蛋白因子转录因子 分子量（kD） 功 能 TFA 12，19，35 稳定TFD结合 TFB 33 促进RNA- pol 结合 TFD 38 辨认TATA盒 TFE 34（ ）57（ ） ATP酶（ATPase） TFF 30,74 解旋酶参与RNA- pol 转录的TF三、转录过程The Process of Transcription（一）转录的基本过程起始阶段(initiation

15、)RNA链的延长(elongation)转录终止(termination)GC框：调节转录的活动。CAAT框增强子尾部区 真核基因的分子结构人类珠蛋白基因结构图内含子1（I1）内含子2（I2）外显子 3（E3）105 146外显子 2 （E2）31 10453 转录起始点 TATA框RNA聚合酶结合决定转录起始点CAAT框RNA聚合酶结合控制转录频率外显子 1 （E1）1 30AATAAA 回文顺序 结构基因编 码 区非编码区调 控 区外显子：具有编码意义内含子：无编码意义（ 5GT、 3AG； GT -AG法则）前导区启动子终止子TATA框mRNA裂解信号(AATAAA)回文结构GC框 GC

16、框 转录终止信号结构基因(structure gene)： DNA分子中能转录出RNA的区段。真核生物的起始复杂 顺式作用元件 (启动子/增强子) 转录因子 RNA聚合酶所需的转录因子 -转录因子 （TF）（1）启动子（promotor）:位于结构基因上游，供RNA聚合酶辨认结合，并启动转录的特异DNA序列。每个基因都有自己特定的启动子。结构基因CAAT盒（-110区）GC盒（-40区）TATA盒（-25区）转录加工hnRNA成熟mRNApromoterDNA某些真核一些启动子TATA保守序列兔 -珠蛋白小鼠 -珠蛋白启动子序列分析：-TATA盒、GC盒、CAAT盒等鸡卵清蛋白 - TATAT

17、ATT N24A+1-晚期腺病毒 - TATAAAAG N23A+1-兔珠蛋白 - CATAAAAA N23A+1小鼠珠蛋白 - ATATAAGG N23A+1-转录起点TATA盒（-25区）顺式作用元件(cis-acting element) ： 可影响自身基因表达活性的DNA序列。反式作用因子(trans-acting factors)：能直接或间接辨认、结合顺式作用元件并反式激活另一基因转录的蛋白质。 转录因子 反式作用因子中，直接或间接结合RNA聚合酶的蛋白因子，则称为转录因子(trans-criptional factors, TF)。 参与RNA-pol 转录的TF 转录因子亚基和

18、(或)分子量（kDa）功能TFDTBP，38结合TATA盒TAF辅助TBP-DNA结合TFA12，19，35稳定D-DNA复合物TFB33促进RNA-pol结合TFF30，74解螺旋酶TFE57()，34()ATPaseTFH蛋白激酶，使CTD磷酸化1.转录起始阶段-RNA聚合酶、转录因子与启动子相互作用，结合在转录模板起始区，形成转录泡- DNA双链解开，以一条链为模板，产生3，5 -磷酸二酯键，启动转录过程转录起始前复合物(pre-initiation complex, PIC) 真核生物RNA-pol不与DNA分子直接结合，而需依靠众多的转录因子。 起始过程-转录前起始复合物的形成拼板理

19、论(piecing theory) 真核生物转录起始复合物的组装启动子TATA盒+ TFD +D-A复合物(TFD+ TFA) + TFB +(RNA聚合酶+ TFF)复合物 +TFE 、TFJ +TFH（解旋酶、蛋白激酶）DNA解旋、RNA聚合酶C-端Ser磷酸化 从起始点向下游移动*转录因子与启动子结合 -RNA聚合酶 才能识别结合启动子-使DNA分子的双链解开 转录就从此起点开始。POL-TFFAB由RNA-Pol 催化转录的PIC Pol-TFFHETBPTAFTFD-A-B-DNA复合物TATAABTBPTAFTATAHECTD-PPIC组装完成，TFH使CTD磷酸化TBPTAF T

20、F II H转录泡解链17bp模板链3-OHPPPRNA链的第一个碱基常为GA2.RNA链的延长-RNA聚合酶沿DNA模板不断移动，DNA不断解链，RNA链不断延长，转录后的DNA单链不断重新形成双链RNA链的延长（elongation）（A) RNA聚合酶复合物识别DNA上启动子序列并结合。（B）RNA聚合酶在转录因子辅助下，将双链DNA解开一段，形成转录泡。在聚合酶作用下以NTP为底物，与模板链碱基互补合成RNA。（C）RNA聚合酶继续合成RNA，以U替代T，A-U、C-G配对。（D）RNA聚合酶沿着模板链滑动，直到遇到终止信号。DNA双螺旋重新形成。RNA链的延长-OH-OH-OHPPP

21、PPPPPPbc da. RNA链的合成方向： 5 3 -OHPPPPPP12bp17bp-OHPPP3.转录的终止-当RNA聚合酶移行到特殊的DNA序列转录终止信号时(终止信号DNA多存在着向重复顺序),易形成发夹结构，有助于转录终止。 酶、RNA链和模板DNA相脱离，转录终止。 5-GCCGCCAG-CTGGCGGC-3 3-CGGCGGTC-GACCGCCG-5 DNA 反向重复顺序.PPP12bp17bpGPP53P（二）几种RNA的合成特点-mRNA 的合成：RNA-pol 催化-rRNA 的合成RNA-pol 催化-tRNA的合成RNA-pol 催化 mRNA转录 真核细胞mRNA

22、转录需要RNA聚合酶 II DNA双链转录成RNA的过程是 全保留式的 即转录产生一条单链RNA DNA仍保留原来的双链结构。起始阶段RNA聚合酶 II 和启动子结合？启动子是DNA链上一段特定核苷酸序列转录起点即位于其中。RNA聚合酶 II 本身不能和启动子结合mRNA延长解开的DNA双链只一条链可当转录模 RNA聚合酶 II 沿模板链 由3 5移行1、使DNA链陆续解开2、将和模板DNA互补的核苷酸连接 形成53的RNARNA聚合酶只能在DNA3-OH连接核苷酸-mRNA分子按53方向延长说明了为什么DNA两条链中只一条可作为模板转录终止当RNA聚和酶沿模板链移行到DNA上的终点序列后，R

23、NA聚合酶即停止工作新合成的RNA陆续脱离模板DNA 游离于细胞核中 （2）转录终止阶段RNA-pol模板链5-TTATTT- CACACAC编码链3-AATAAA- GTGTGTGAAUAAAmRNA-GUGUGUG模板链5-TTATTT- CACACAC编码链3-AATAAA- GTGTGTGRNA-pol修饰点序列终止点序列AAUAAA-GUGUGUGmRNA加工点核酸酶解螺旋酶2. rRNA的合成rRNA 的合成RNA-pol 催化RNA-pol 位于核仁-rRNA 合成在特定核仁进行需转录因子TFI参与 每一个转录单位包括28S，5.8S及18S rRNA。 RNA 聚合酶I识别启动

24、子，其序列大约位于-40到+10和-150到-110。首先TFI结合到启动子,导致RNA 聚合酶I识别启动子。当RNA聚合酶I达到下一个转录单位的启动子时，转录便在非转录间隔区终止。 2. rRNA的合成1)rRNA基因的结构特点18S5.8S28S转录单位间隔顺序间隔顺序: RNA-pol 结合序列 转录因子TFI结合序列 2）rRNA转录的起始 RNA-pol I转录单位间隔顺序核心启动子（-40+10）上游控制元件（-150-110）选择性因子1上游结合因子1RNA-pol TFB TFC3. tRNA和5S rRNA 的合成1)tRNA基因的结构特点及转录起始TGGCNNAGTGCGG

25、TTCGANNCC+12) 5SrRNA 转录的起始+1+47+96+121TFIIIA+47+1+96+121RNA聚合酶IIITFIIIA第 四 节 （真核生物）转录后产物加工修饰一、mRNA的转录后加工修饰（一）剪接和编辑（二） 5端加“帽”和3加“尾”（三）甲基化修饰真核生物的mRNA转录后加工步骤：加帽加尾mRNA前体的剪接5端：m7GpppGpN作用:稳定mRNA 5端 和翻译的起始有关3端: polyA尾巴作用：稳定mRNA 和翻译模板活性有关剪除内含子，连接外显子5端加“帽”和3加“尾” 发生在细胞核里5端帽状结构具有稳定mRNA及有助于翻译起始的作用3端具有维持mRNA翻译模

26、板的活性帽子结构5 pppGp5 GpppGppppG PPi鸟苷酸转移酶5 m7GpppGp甲基转移酶SAM帽子结构的生成5 ppGp磷酸酶 Pi（2）甲基化修饰CH3CH3CH3加帽过程外显子内含子DNA hnRNA（3）真核生物mRNA转录后加工剪接剪接：切除内含子连接外显子真核生物结构基因，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。 断裂基因(splite gene)非编码区 AG编码区17外显子(exon)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(intron) 隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列。 hnRNA 和 snRNA 核内的初级mRNA称为杂化核RNA (hetero-nuclear RNA, hnRNA)snRNA (small nucl