分子生物学-浅谈RNA转录

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1、分子生物学结课论文谈 生 物 信 息 传 递 第 一 步RNA 转 录生 物 工 程 学 院生 物 制 药 专 业天津科技大学 分子生物学结课论文1 / 9执行生命功能、表现生命特征的主要物质是蛋白质分子。DNA 贮存着决定生物特征的遗传信息，遗传信息的表达对于从低等到高等生物都具有至关重要的意义，是细胞分化、细胞生长调节、组织形成等生命过程的基础。DNA 序列是遗传信息的贮存者，它通过自主复制得到永存，并通过转录生成信使 RNA，翻译生成蛋白质两个过程来控制生命现象。其中，转录是指以 DNA 为模板，合成一条与 DNA 链序列完全相同（除了 TU 之外）的 RNA 单链的过程，是基因表达的第

2、一阶段，对它的调控是生命体最有效的调节方式，因此有着重要的意义。RNA 主要以单链形式存在于生物体内，其高级结构很复杂，它们既担负着贮藏及转移遗传信息的功能，又能作为核酶直接在细胞内发挥代谢功能。生物体内拥有三类 RNA：编码特定蛋白质序列的 mRNA；能特异性解读 mRNA 中的遗传信息并将其转化成相应氨基酸后加入多肽链中的 tRNA；直接参与核糖体中蛋白质合成的 rRNA。无论是原核还是真核细胞，转录的基本过程都包括：模板识别、转录起始、通过启动子及转录的延伸和终止，转录完成之后，还要进行 RNA 的剪切、编辑、再编码和修饰。图 1.RNA 转录过程示意1. 模板识别：该阶段主要指 RNA

3、 聚合酶与启动子 DNA 双链相互作用并与之相结合的过程。真核生物 RNA 聚合酶不能直接识别基因的启动子区，需要一些被称为转录调控因子的辅助蛋白质按特定顺序结合于启动子上，RNA 聚合酶才能与之相结合并形成复杂的前起始复合物，以保证有效地起始转录。2. 转录起始、通过启动子：转录起始是基因表达的关键阶段。转录起始前，启动子附近的 DNA 双链分开形成转录泡以促使底物核糖核苷酸与模板 DNA 的碱基配对。这一阶段是 RNA聚合酶与启动子的相互作用，启动子的结构影响了它与 RNA 聚合酶的亲和力，从而影响了基因表达的水平。大部分启动子都存在位于10 bp 处的 TATA 区和天津科技大学 分子生

4、物学结课论文2 / 935 bp 处的 TTGACA 区的两段共同序列，它们是 RNA 聚合酶与启动子的结合位点。转录起始就是 RNA 链上第一个核苷酸键的产生。转录起点是指与新生 RNA 链第一个核苷酸相对应 DNA 链上的碱基，通常为嘌呤。把起点 5末端的序列称为上游，而把其 3末端的序列称为下游。起点为+1，下游方向依次为+2、+3等，上游方向依次为1、2、3等。转录起始后直到形成 9 个核苷酸短链是通过启动子阶段，此时 RNA 聚合酶一直处于启动子区，新生的 RNA 链与 DNA 模板链的结合不够牢固，很容易从DNA 链上掉下来并导致转录重新开始。一旦 RNA 聚合酶成功地合成 9 个

5、以上核苷酸并离开启动子区，转录就进入正常的延伸阶段。一般说来，通过启动子的时间越短，该基因转录起始的频率也越高。从启动子开始至终止子结束的 DNA序列叫做转录单元。图 2. RNA 合成的起始3. 转录延伸:RNA 聚合酶离开启动子，沿 DNA 模板 53方向不停地移动，并使新生天津科技大学 分子生物学结课论文3 / 9RNA 链不断伸长的过程就是转录的延伸。随着 RNA 聚合酶的移动，DNA 双螺旋持续解开，暴露出新的单链 DNA 模板，新生 RNA 链的 3末端不断延伸，在解链区形成 RNA-DNA 杂合物。4. 转录的终止2:当 RNA 链延伸到转录终止位点时，RNA 聚合酶不再形成新的

6、磷酸二酯键，RNA-DNA 杂合物分离，转录泡瓦解，DNA 恢复双链状态，而 RNA 聚合酶和 RNA 链都被从模板上释放出来，这就是转录的终止。图 3. 原核生物转录的终止信号DNA 模板上的转录终止信号有两种:一类是不依赖于蛋白质因子而实现的终止作用，另一类是依赖蛋白质辅因子 因子才能实现终止作用。 因子是一个相对分子质量为 2.0105的六聚体蛋白，它通过催化 NTP 的水解促使新生RNA 链从三元转录复合物中解离。两类终止信号有共同的序列特征:在转录终止之前有一段回文结构，回文序列是一段方向相反，碱基互补的序列，在这段互补序列之间由几个碱基隔开。不依赖 因子的终止序列中富含 GC 碱基

7、对，其下游 6-8 个 A。由富含GC 碱基的二重对称区，转录产生的 RNA 容易形成发卡式结构。在终止位点前面有一段由 4-8 个 A 组成的序列，所以转录产物的 3端为寡聚 U，这种结构特征的存在决定了转录的终止。而依赖 因子的终止序列中 GC 碱基对含量较少，其下游也没有因固定的特征。RNA 合成起始以后， 因子即附着在新生的 RNA 链上，靠 ATP 水解产生的能量，沿着 53方向朝 RNA 聚合酶移动，到达 RNA 的 3-OH 端后取代了暂停在终止位点上的 RNA 聚合酶，使之从模板 DNA 上释放 mRNA，完成转录过程。天津科技大学 分子生物学结课论文4 / 9除 DNA 模板

8、本身的终止信号外，在噬菌体中，发现一些蛋白质有协助 RNA聚合酶跨越终止部位的作用，叫做抗转录终止蛋白，例如入噬菌体的 N 基因产物。转录后 RNA 的剪切、编辑、再编码和修饰3：由 DNA 转录生成的原始转录产物核不均-RNA，是 mRNA 的前体，经过5加 “帽”和 3酶切加多聚腺苷酸，再经过 RNA 的剪接，编码蛋白质的外显子部分就连接成为一个连续的可译框，通过核孔进入细胞质，作为蛋白质合成的模板。下面依次谈谈 mRNA、tRNA、rRNA 的剪切、编辑再编码和修饰过程。（一）mRNA 的加工修饰原核生物中转录生成的 mRNA 为多顺反子，即几个结构基因，利用共同的启动子和共同终止信号经

9、转录生成一条 mRNA，所以此 mRNA 分子编码几种不同的蛋白质。例如乳糖操纵子上的 Z、Y 及 A 基因，转录生成的 mRNA 可翻译生成三种酶，即半乳糖苷酶，透过酶和乙酰基转移酶。原核 生物中没有核模，所以转录与翻译是连续进行的，往往转录还未完成，翻译已经开始了，因此原核生物中转录生成的 mRNA 没有特殊的转录后加工修饰过程。真核生物转录生成的 mRNA 为单顺反子，即一个 mRNA 分子只为一种蛋白质分子编码。真核生物 mRNA 的加工修饰，主要包括对（1）5端加帽、（2）3端加尾、（3）对中间部分进行剪切拼接。（1）在 5端加帽成熟的真核生物 mRNA，其结构的 5端都有一个 m7

10、G-PPNmN 结构，该结构被称为甲基鸟苷的帽子。如图 1 所示。鸟苷通过 5-5焦磷酸键与初级转录物的 5端相连。当鸟苷上第 7 位碳原子被甲基化形成 m7G-PPNmN 时，此时形成的帽子被称为“帽 0”，如果附 m7G-PPNmN 外，这个核糖的第“2”号碳上也甲基化，形成 m7G-PPNm，称为“帽 1”，如果 5末端 N1 和 N2 中的两个核糖均甲基化，成为 m7G-PPNmPNm2，称为“帽 2”。从真核生物帽子结构形成的复杂可以看出，生物进化程度越高，其帽子结构越复杂。真核生物 mRNA 5端帽子结构的重要性在于它是 mRNA 做为翻译起始的必要的结构，对核糖体对 mRNA的识

11、别提供了信号，这种帽子结构还可能增加 mRNA 的稳定性，保护 mRNA 免遭5外切核酸酶的攻击。（2）在 3端加尾大多数的真核 mRNA 都有 3端的多聚尾巴（A)，多聚（A)尾巴大约为200bp。多聚（A)屠巴不是由 DNA 编码的，而是转录后在核内加上去的。受polyA 聚合酶催化，该酶能识别，mRNA 的游离 3-OH 端，并加上约 200 个 A残基。近年来已知，在大多数真核基因的 3一端有一个 AATAA 序列，这个序天津科技大学 分子生物学结课论文5 / 9列是 mRNA 3-端加 polyA 尾的信号。靠核酸酶在此信号下游 10-15 碱基外切断磷酸二酯键，在 polyA 聚合

12、酶催化下，在 3-OH 上逐一引入 100-200 个 A 碱基。关于 polyA 尾巴的功能问题尽管经过极其广泛的探索，但还不完全清楚。有人推测 polyA 可能与 mRNA 从细胞核转送到细胞质有关，但是相当数量，的没有 polyA 屠巴的 mRNA 如组蛋白 mRNA，也照样通过核膜进入细胞质。还有人认为这种结构对真核 mRNA 的翻译效率具有某种作用，并能稳定 mRNA 结构，保持一定的生物半衰期。（3） mRNA 前体的剪切和拼接原核生物的结构基因是连续编码序列，而真核生物基因往往是断裂基因，即编码一个蛋白质分子的核苷酸序列被多个插入片断所隔开，一个真核生物结构基因中内含子的数量，往

13、往与这个基因的大小有关，例如胰岛素是一个很小的蛋白质，它结构基因只有两个内含子，而有些很大的蛋白质，它的结构基因中可以有几十个内含子。经过复杂的过程后，切去内元，将有编码意义的核苷酸片段（外显子）连接起来。真核生物的结构的基因中具有可表达活性的外显子，也含有无表达活性的内含子，但内含子序列下是无意义的，越来越多的实验证明有许多基因中的内含子参与基因表达调控，在转录时，外显子及内含子均转录到 hnRNA 中。在细胞核中 hnRNA 进行剪接作用，首先在核酸内切酶作用下剪切掉内含子；然后在连接酶作用下，将外显子各部分连接起来，而变为成熟的 mRNA，这就是剪接作用。（二）rRNA 转录后加工原核生

14、物 rRNA 转录后加工，包括以下几方面：（1）rRNA 前体被大肠杆菌RNase,RNaseE 等剪切成一定链长的 rRNA 分子；（2）rRNA 在修饰酶催化下进行碱基修饰；（3）rRNA 与蛋白质结合形成核糖体的大、小亚基。真核生物 rRNA 前体比原核生物大，rRNA 前体中含有插入顺序，rRNA 前体要形成成熟的 rRNA，需要经过拼接反应。例如，四膜虫的 rRNA 前体的拼接是一种无酶催化的自动拼接过程。起始过程是 GTP 在插入顺序 5端发生亲核反应，同时 GMP 与 5端切点的切除段形成磷酸二酯键并使原 RNA 断开。第二步是 5切点的外元 3-OH 与 3切点的外元 5-P

15、共价连接，获得成熟的rRNA，被切除部分最后环化，形成一个环状结构，同时从 5端去掉一个 15 核苷酸啐片。剩余部分连接成 399 核苷酸的环状产物，再经过几步，最后切下一个 19 个核苷酸的线性内含子序列即 L-19，它具有催化活性，上面的剪接作用，是由内含子本身的催化性质决定的（三）tRNA 转录后的加工修饰原核生物和真核生物刚转录生成的 tRNA 前体一般无生物活性，都需要进行天津科技大学 分子生物学结课论文6 / 9（1）剪切和拼接、 （2）碱基修饰、 （3）3-OH 连接-ACC 结构。(1) tRNA 前体在 tRNA 剪切酶的作用下，切成一定在小的 tRNA 分子。大肠杆菌 RN

16、ase P 可特异剪切 tRNA 前体的 5旁顺序，因此，该酶被称为tRNA5成熟酶。除了 RNaseP 外，tRNA 前体的剪切尚需要一个 3-核酸内切酶，这可将 tRNA 前体 3端的一段核苷酸序列切下来。此外 RNaseD 是 tRNA3端成熟酶。近年来的研究表明大肠杆菌 RNaseP 是一种非常特殊的酶分子，它是由RNA 和蛋白质组成，最近发现 RNAaseP 分子中的 RNA 部分在某些条件下，可以单独地催化 tRNA 前体的加工成熟，这个发现和四膜虫 tRNA 能自我拼接被认为是近十年来生化领域内最令人鼓舞的发现之一。说明 RNA 分子确具有酶的催化活性。经过剪切后的 tRNA 分子还要在拼接酶作用下，将成熟 tRNA 分子所需的片段拼起来。(2) 成熟的 tRNA 分子中有许多的稀有碱基，因此 tRNA 在甲基转移酶催化下，某些嘌呤生成甲基嘌呤如 AmA