生物化学：第十一章 RNA的生物合成（转录）

第十一章RNA的生物合成（转录）RNABiosynthesis,Transcription转录(transcription)生物体以DNA为模板合成RNA的过程。

转录RNADNA

复制和转录的区别参与转录的物质原料:

NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)模板:

DNA酶:

RNA聚合酶(RNApolymerase,RNA-pol)其他蛋白质因子模板和酶TemplatesandEnzymes第一节一、转录模板DNA分子上转录出RNA的区段，称为结构基因(structuralgene)。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)，相对的另一股单链是编码链(codingstrand)。5′···GCAGTACATGTC···3′3′···cgtgatgtacag···5′5′···GCAGUACAUGUC···3′N······Ala·Val·His·Val······C编码链模板链mRNA蛋白质转录翻译5

3

3

5

模板链编码链编码链模板链结构基因转录方向转录方向不对称转录(asymmetrictranscription)

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；模板链并非永远在同一条单链上。二、RNA聚合酶（一）原核生物的RNA聚合酶核心酶(coreenzyme)全酶(holoenzyme)

RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合（二）真核生物的RNA聚合酶三、模板上酶的辨认、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。

5

3

3

5

结构基因调控序列RNA-polRNA聚合酶结合模板DNA的部位，称为启动子(promoter)。RNA聚合酶保护法目录开始转录TTGACAAACTGT-35区(Pribnowbox)TATAATPuATATTAPy-10区1-30-5010-10-40-205

3

3

5

原核生物启动子保守序列RNA-pol辨认位点(recognitionsite)5

5

RNA聚合酶保护区结构基因3

3

TATA盒CAAT盒GC盒

增强子

顺式作用元件

结构基因-GCGC---CAAT---TATA转录起始真核生物启动子保守序列转录过程TheProcessofTranscription

第二节（一）转录起始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板的起始区域。DNA双链解开，使其中的一条链作为转录的模板。一、原核生物的转录过程2.DNA双链解开1.RNA聚合酶全酶(2)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-OH3

转录起始复合物:5

-pppG-OH+

NTP

5

-pppGpN

-OH3

+ppi转录起始过程（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转录空泡(transcriptionbubble)：RNA-pol（核心酶）

····DNA

····RNA目录目录5

3

DNA原核生物转录过程中的羽毛状现象核糖体RNARNA聚合酶依赖Rho(ρ)因子的转录终止非依赖Rho因子的转录终止（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。分类ATP1.依赖Rho因子的转录终止2.非依赖Rho因子的转录终止DNA模板上靠近终止处，有些特殊的碱基序列，转录出RNA后，RNA产物形成特殊的结构来终止转录。5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`

RNA5

TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT...3

DNAUUUU...…UUUU...…5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`茎环(stem-loop)/发夹(hairpin)结构茎环结构使转录终止的机理

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二、真核生物的转录起始（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。转录起始点TATA盒CAAT盒GC盒

增强子顺式作用元件(cis-actingelement)1.

转录起始前的上游区段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2.

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-actingfactors)。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(transcriptionalfactors,TF)。参与RNA-polⅡ转录的TFⅡ

3.转录起始前复合物(pre-initiationcomplex,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。POL-ⅡTFⅡFⅡAⅡB由RNA-PolⅡ催化转录的PICPOL-ⅡTFⅡFⅡHⅡETBPTAFTFⅡD-ⅡA-ⅡB-DNA复合物TATAⅡAⅡBTBPTAFTATAⅡHⅡECTD-PPIC组装完成，TFⅡH使CTD磷酸化4.模板理论(piecingtheory)一个真核生物基因的转录需要3至5个转录因子。转录因子之间互相结合，生成有活性，有专一性的复合物，再与RNA聚合酶搭配而有针对性地结合、转录相应的基因。

（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。RNA-PolRNA-PolRNA-Pol核小体转录延长中的核小体移位转录方向5

------AAUAAA-5

------AAUAAA--核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAAGTGTGTG转录终止的修饰点5

5

3

3

3加尾AAAAAAA······3mRNA（三）转录终止——

和转录后修饰密切相关。真核生物的转录后修饰Post-transcriptionalModification第三节几种主要的修饰方式1.剪接(splicing)2.剪切(cleavage)3.

修饰(modification)4.

添加(addition)一、真核生物mRNA的转录后加工（一）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)帽子结构5pppGp…5GpppGp…pppGppi鸟苷酸转移酶5

m7GpppGp…甲基转移酶SAM帽子结构的生成5ppGp…磷酸酶Pi（二）mRNA的剪接1.

hnRNA

和snRNA核内的初级mRNA称为核不均一RNA(hetero-nuclearRNA,hnRNA)snRNA(smallnuclearRNA)核内的蛋白质小分子核糖核酸蛋白体（并接体,splicesome）snRNA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(splitegene)CABD编码区A、B、C、D非编码区2.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。鸡卵清蛋白基因hnRNA首、尾修饰hnRNA剪接成熟的mRNA鸡卵清蛋白基因及其转录、转录后修饰目录鸡卵清蛋白成熟mRNA与DNA杂交电镜图DNAmRNA目录3.

内含子的分类根据基因的类型和剪接的方式，通常把内含子分为4类。I：主要存在于线粒体、叶绿体及某些低等真核生物的rRNA基因；II：也发现于线粒体、叶绿体，转录产物是mRNA；III：是常见的形成套索结构后剪接，大多数mRNA基因有此类内含子；IV：是tRNA基因及其初级转录产物中的内含子，剪接过程需酶及ATP。4.mRNA的剪接——除去hnRNA中的内含子，将外显子连接。snRNP与hnRNA结合成为并接体①目录②③UACUACA-AGUGU4U5U6E1E2U1U2UACUACA-AGUGU6E1E2U1、U4、U5pG-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

(twicetransesterification)

•RNA编辑作用说明，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(differentialRNAprocessing)。5.mRNA的编辑(mRNAediting)人类apoB基因mRNA（14500个核苷酸）肝脏apoB100（分子量为500000）肠道细胞apoB48（分子量为240000）mRNA编辑二、tRNA的转录后加工tRNA前体RNApolⅢTGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNA目录RNAaseP、内切酶目录tRNA核苷酸转移酶、连接酶ATPADP目录碱基修饰（2）还原反应如：UDHU

（3）核苷内的转位反应如：Uψ（4）脱氨反应如：A

I

如：AAm（1）甲基化（1）（1）（3）（2）（4）目录三、rRNA的转录后加工转录45S-rRNA剪接18S-rRNA5.8S和28S-rRNArDNA内含子内含子28S5.8S18S四、核酶具有酶促活性的RNA称为核酶。核酶(ribozyme)四膜虫rRNA内含子的二级结构四膜虫rRNA的剪接采用自我剪接方式5´-端核苷酸序列最简单的核酶二级结构——槌头状结构(hammerheadstructure)底物部分通常为60个核苷酸左右同一分子上包括有催化部份和底物部份催化部份和底物部份组成锤头结构除rRNA外，tRNA、mRNA的加工也可采用自我剪接方式。核酶研究的意义核酶的发现，对中心法则作了重要补充；核酶的发现是对传统酶学的挑战；利用核酶的结构设计合成人工核酶。人工设计的核酶粗线表示合成的核酸分子细线表示天然的核酸分子X表示一致性序列箭头表示切断点目录基因转录的调控

一、基因表达的概念*基因组(genome)一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。*基因表达(geneexpression)基因表达是受调控的目录二、基因表达的时间性及空间性（一）时间特异性按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性(temporalspecificity)。目录（二）空间特异性在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的空间特异性(spatialspecificity)。目录三、基因表达的方式按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：（一）组成性表达某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因(housekeepinggene)。无论表达水平高低，管家基因较少受环境因素影响，而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。区别于其他基因，这类基因表达被视为组成性基因表达(constitutivegeneexpression)。（二）诱导和阻遏表达在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因。可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为诱导(induction)。

如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是可阻遏基因。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏(repression)。四、基因表达调控的生物学意义（一）适应环境、维持生长和增殖（二）维持个体发育与分化

原核细胞转录水平的调节RegulationofProkaryoticGeneTranscription转录水平的调控(controloftranscription)操纵子(operon)：原核基因组中，由几个功能相关的调控结构基因及其调控区（启动子和操纵基因）组成一个基因表达的协同单位。操纵子模型的提出

—莫洛(Monod)和雅各布(Jacob)

获1965年诺贝尔生理学和医学奖操纵子的结构与功能操纵子(operon):结构基因(structuralgene)、启动子(promoter,P)和操纵基因(operator,O)。阻遏物基因(inhibitor,i),产生阻遏物(repressor)。一、乳糖操纵子调节机制（一）乳糖操纵子(lacoperon)的结构

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ZYAOPDNAmRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时（二）阻遏蛋白的负性调节阻遏基因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的正性调节

（PositiveControlofCAP）CAP(cataboliteactivatorprotein)—分解代谢基因激活蛋白同二聚体DNA结合区cAMP结合位点CAP

：当它特异地结合在启动子上游时，能促进RNA聚合酶与启动子结合，促进转录，称为正调控方式。

但游离的CAP是不能与启动子结合，必须在细胞内有足够的cAMP时,CAP首先与cAMP形成复合物,此复合物才能与启动子相结合。因此CAP也称做cAMP受体蛋白。++++转录无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时（三）CAP的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP协调调节(coordinateregulation)负性调节与正性调节协调合作阻遏蛋白封闭转录时，CAP不发挥作用如没有CAP加强转录，即使阻遏蛋白从P上解聚仍无转录活性葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌优先利用葡萄糖葡萄糖可降低cAMP浓度，阻碍其与CAP结合从而抑制转录色氨酸操纵子------阻遏操纵子（tryptophaneoperon，trp）

色氨酸操纵子是由调节基因、启动基因、操纵基因及为合成色氨酸的5个酶E、D、C、B、A编码的结构基因组成。TrpTrp高时Trp低时mRNA

OPtrpR调节区结构基因

RNA聚合酶

RNA聚合酶

?转录衰减色氨酸操