第二章RNA的生物合成

第二章RNA生物合成（转录）

（RNA

Biosynthesis）

从DNA到RNARNA生物合成过程的实质

RNA的生物合成过程实质上是一个酶促反应过程，将贮存于DNA双链中的遗传信息，按照碱基互补配对原则转化为单链RNA分子的过程。mRNA的特征

1、原核生物mRNA的特征；1）半衰期短；2）多以多顺反子的形式存在；3）其他特征：2、真核生物mRNA的特征；1）以单顺反子形式存在；2）5´有帽子结构；3）3´有poly（A）序列。RNA聚合酶

1、原核生物RNA聚合酶：1）只有一种，能合成所有的mRNA，rRNA和tRNA分子。2）组成及功能：2、真核生物RNA聚合酶：有三种。转录的特点真核生物RNA聚合酶及转录因子转录过程：起始：（启动子），延长，终止转录后的加工：剪切，添加及修饰原核生物基因的转录第一节参加RNA合成的酶类与蛋白因子

一．DNA指导的RNA聚合酶

（DNAdirectedRNApolymerase，DDRP）是RNA合成中最主要的酶类,RNA聚合酶催化如下反应：1.

双链DNA中的一条链作为RNA合成的模板。2．四种核糖核苷三磷酸（即ATP、GTP、CTP和UTP）是该酶的底物。3．

需要二价金属离子，如Mg2+和Mn2+。n(NTP)pppN(pN)n+(n-1)PPi

DNARNA聚合酶2、真核生物RNA聚合酶的种类和性质

种类I型（或A）II型（或B）III型（或C）线粒体（Mt型）分子量5.5×1056×1056×1056.4～6.8×104分布核仁核质核质线粒体转录产物5.8S、18S、mRNA前体tRNA前体线粒体RNA28SrRNA前体5SrRNA对利福平不敏感不敏感不敏感敏感的敏感性对鹅膏蕈碱不敏感非常敏感敏感不敏感的敏感性

3．转录因子

分类I型转录因子（transcriptionfactorsI，TFl）能够促进RNA聚合酶l参与的转录过程。

Il型转录因子（TFll）促进RNA聚合酶ll参与的转录过程.包括TFIIA，B，D，E，F，H等。III型转录因子（TFIII）促进RNA聚合酶III参与的转录过程。

真核生物基因转录过程还需要一些蛋白质因子参与，这些因子能结合到DNA的特殊序列并且与RNA聚合酶结合,促进转录,这些蛋白因子称转录因子（transcriptionfactors)三．终止蛋白

终止蛋白能与RNA聚合酶结合，阻止RNA聚合酶越过终止信号而使转录终止。

第二节真核生物基因的转录过程

一．转录的特点RNA的合成与DNA的合成有相似之处，其合成的方向均为5’→3’,聚合反应均是通过核苷酸之间形成的3’,5’-磷酸二酯键，使核苷酸链延长，同时释放出焦磷酸。RNA链中3’,5’-磷酸二酯键的形成RNA合成不同于DNA合成之处主要有：

1.RNA聚合酶不需要引物。2.RNA聚合酶没有核酸酶的活性，在RNA合成过程 不起校对作用。3．转录是不对称的，即仅用DNA双链中某一条链作 为模板进行转录。有时是这条链的某区段，有时是另一条链的某区段具有模板作用。通常将模板链称为反意义链，将其互补链称为有意义链或编码链。4．转录后DNA模板成分无改变。5.对于一个基因组来讲，转录只发生在一部分基因，而且每一个基因的转录都受到相对独立的控制。二、真核生物基因的转录过程

（一）转录的基本过程转录过程可分为四个阶段：启动子的选择、转录起始、RNA链的延长和终止。1．起始阶段（initiation）

启动子（promoter）是DNA上的特殊的序列，它包括一些保守顺序，其中最重要的顺序称TATA(box)盒子。

转录起点

转录起点是指与新生RNA链第一个核苷酸相对应的DNA链上的碱基，研究证实通常为一个嘌呤。RNA聚合酶从转录起点开始沿着模板前进，直到终止子为止，转录出一条RNA链。启动子(promoter)：与RNA聚合酶结合的模板DNA上的部位，称为启动子(promoter)。真核启动子区示意图转录起始点以“+1”表示，在其上游的核苷酸序列以“—”表示。启动子区框内表示与转录有关的保守顺序。

CAAT盒子GC盒子TATA盒子启动子区结构基因25bp+1转录初级转录物RNA加工m7GpppAAAAn成熟的mRNA增强子真核生物的一些启动子顺序增强子增强子(enhancer)是能强化转录起始的DNA序列。

增强子不是启动子的一部分，但能增强或促进转录的起始。当除去增强子时,会大大降低基因的转录水平；将增强子插入到DNA分子的任何部位,都能保持基因的正常转录。转录单元转录单元是一段从启动子开始至终止子结束的DNA序列。2.RNA链的延长（elongation）

（A)

RNA聚合酶复合物识别DNA模板上的启动子序列，并与其结合。（B）

RNA聚合酶在转录因子的辅助下，将双链DNA解开一段，形成转录泡。在聚合酶的作用下以NTP为底物，与模板链的碱基互补开始合成RNA。（C）

RNA聚合酶继续合成RNA，以U替代T，A-U、C-G配对。（D）

随着RNA链的延长，RNA聚合酶沿着模板链不断滑动，直到遇到终止信号合成则停止。DNA双螺旋重新形成。图13-4RNA链的延长-OH-OH-OHPPPPPPPPPbcda3.RNA合成的终止（termination）

RNA生成后，暂时与DNA模板链形成DNA-RNA杂交体（长度约12个碱基对），此杂交体结合不紧密，RNA很容易从模板DNA上脱落。于是，DNA模板链与编码链又重新形成双链。DNA模板上的终止信号是由于DNA特殊的结构而起作用，此处DNA多存在着反向重复顺序。此区域容易形成发夹形结构，有助于转录的终止。5`-----GCCGCCAG-------CTGGCGGC------3`3`-----CGGCGGTC-------GACCGCCG------5`

DNA反向重复顺序

（二）几种RNA的合成特点

1．mRNA的合成

BEHAFRNA聚合酶IITATATFIID45bp+1+30bpDNAmRNA转录前起始复合体RNA聚合酶II与其转录因子组成转录前起始复合物。深色的大圆表示RNA聚合酶II与DNA模板相结合，其它小圆表示各种II型转录因子。按其组成顺序排列为：D、A、B、F、Pol（pol代表RNA聚合酶II）、E、H。覆盖DNA模板大约70bp.2.rRNA的合成

rRNA基因位于染色体的特殊区域称核仁组织者（nucleolarorganizer）。每一个转录单位包括28S，5.8S及18SrRNA。RNA聚合酶I识别位于非转录间隔区上的启动子，其序列大约位于-40到+10和-150到-110。TFI结合到启动子上，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，前一转录便在非转录间隔区终止。

3.tRNA的合成

+1+47+47+1+96+96+121+121RNA聚合酶IIITFIIIATFIIIA

RNA聚合酶III与其转录因子转录因子IIIA（TFIIIA）首先与DNA模板的特定部位相结合。然后RNA聚合酶III与该因子结合，并启动转录。图上的数字为聚合酶及转录因子与DNA模板结合的核苷酸的位置。第三节转录后核糖核酸的加工过程

几乎所有真核生物RNA转录的初级产物都需经过一系列变化后才能生成具有生物活性的RNA分子。这一系列变化过程称为转录后的RNA加工(RNAprocessing)。加工过程包括核苷酸部分水解、连接反应、末端核苷酸“戴帽”、“接尾”，以及核苷的修饰。1.剪接(splicing)2.剪切(cleavage)3.修饰(modification)4.添加(addition)RNA转录后的加工的几种主要的加工方式：一、信使RNA的加工

真核生物mRNA的前体是核不均一RNA（heterogenousnuclearRNA,hnRNA），其核苷酸顺序中约有50～75%不出现在成熟的mRNA中。此部分在转录产物的加工过程中被切除。被切除的部分称为内含子（intron）。内含子是不编码蛋白质的核苷酸序列。末被切除的部分称外显子(exon)，是编码蛋白质的部分。

mRNA的拼接机制

一些小核核蛋白（snRNP）与RNA前体形成拼接体（spliceosome）。U1RNA和U2RNA分别为snRNP的组份。U1RNA的核苷酸序列与mRNA前体内含子中的GU顺序（称连接供体位点）相配对。U2RNA识别内含子3`端连接受体位点。拼接体利用ATP做能量，除去内含子。

拼接体U1U2PPPG3mPPPG3mUCCAUACAUAAUGAUGUAGRNA5'3'5‘供体连接处3‘受体连接处外显子外显子内含子UACUACAAGGUAUGUmRNA5’帽端的结构5‘端第一个核苷酸是7-甲基鸟嘌呤核苷三磷酸,第二个和第三个核苷酸的核糖2’羟基甲基化。mRNA加工:5’端帽子结构DNA转录单位RNA聚合酶IIm7Gpppm7Gpppm7Gpppm7Gpppm7Gppp剪切及加入3’多聚AAAAnAAAnAAAnAAAnCH3CH3甲基化修饰RNA拼接转移到胞浆成熟mRNA细胞核细胞浆外显子1内含子外显子2RNA初级转录物成熟的mRNAmRNA的加工过程示意图二.核糖体RNA的加工核糖体RNA基因转录及甲基化前rRNA45S28S5.8S18S3

5切割前rRNA41S前rRNA32S前rRNA20S切割切割28SrRNA5.8SrRNA18SrRNArRNA的加工过程示意图内含子编码区3’外切核酸酶PPP5

3

-OH3’RNA酶PDNA内含子初级转录物3端加CCA-OHCCA-OH3

P除去内含子（内切核酶与连接酶）CCA-OH3

P成熟tRNA5

转录

tRNA的加工示意图tRNA的初级转录物被RNaseP和3’外切核酸酶切除部分核苷酸。CCA-OH末端是由tRNA核苷酸转移酶催化加入的。内含子被内切酶除去后，经连接酶连接为成熟的tRNA。三.转移RNA的加工核苷酸转移酶一.原核生物RNA聚合酶

原核生物RNA聚合酶是多亚基的酶。从大肠杆菌提取的RNA聚合酶有六个亚基组成，分子量为500KD。两个α亚基，一个β亚基，和一个β’亚基组成核心酶（coreenzyme），核心酶（α2ββ’ω）能进行转录，但是没有RNA合成的特异性。第六个蛋白质亚基称σ因子，这六种亚基构成全酶（holoenzyme）,在体内及体外只有全酶（α2ββ’σω）才能特异的合成RNA。σ因子参与识别特异的启动子。原核生物RNA聚合酶能被利福平（rifampicin）所抑制。利福平与β亚基相结合，从而抑制酶的活性。第四节原核生物的转录亚基组成：a2bb'ws=a2bb'w+s

全酶核心酶

核心酶：解开前方的DNA双螺旋、RNA链的延伸、恢复后面的DNA双螺旋s亚基：识别DNA上转录的起始部位，从而引导全酶结合上去此外，每个RNA聚合酶还含有2个Zn离子。原核生物RNA聚合酶

编码链AACTGTATATTA模板链TTGACATATAAT3’5’DNA转录起始点Probnow盒子启动子3510+1转录区5’3’RNA原核生物转录的启动子二.原核生物的转录过程原核生物启动子的两个保守区域转录起始需要解决的两个问题：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。2.DNA双链解开1.RNA聚合酶全酶(2ω)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(

2ω)-DNA-pppGpN-OH3

转录起始复合物:5

-pppG-OH+

NTP

5

-pppGpN

-OH3

+ppi转录起始过程：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原核生物RNA转录过程图示转录泡:是指RNA聚合酶在σ亚基引导下识别并结合到启动子上,然后DNA双链被局部解开,形成的解链区。

依赖Rho(ρ)因子的转录终止非依赖Rho(ρ)因子的转录终止转录终止指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RNA转录的终止(

因子不依赖性的)A：DNA模板有特殊的序列，富含GC和AT区，反转重复顺序（阴影所示）。B：RNA转录物可形成茎、环结构。

ABRNA聚合酶PPPPPP5

因子ATPADP＋Pi

转录终止因子的作用ρ因子是由6个亚基组成的蛋白质，它具有ATP酶和解螺旋酶的活性，能将RNA-DNA杂交双链解开，使RNA脱离模板，从而终止RNA转录。起始位点PPPPPP终止位点RNADNA3

5

3

5

NTPPPPPPP酶酶酶酶酶酶

的释放与循环

识别起始位点3

5

5

3

与酶结合RNA聚合酶NTPPPPPPP转录开始RNA链延长

与RNA结合RNA、

及酶的释放PPPPPP

原核RNA的转录过程(循环过程）圆圈表示RNA聚合酶的核心酶部分（α2ββ’）。σ因子参与识别特异的启动子，它与核心酶一起结合到DNA模板的起始位置上。以NTP为原料，全酶催化RNA的合成。当RNA链延长到大约10核苷酸时，σ因子从全酶上脱离，参与另外一次循环。核心酶沿着D