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1、第14章,RNA的生物合成 RNA Biosynthesis ( Transcription ),转录 (transcription) 是生物体以DNA为模板合成RNA的过程。,转录,第一节 RNA生物合成的概况,一、什么是转录？,二、参与转录的物质：,原料: NTP (ATP, UTP, GTP, CTP) 模板: DNA 酶 : RNA聚合酶(RNA polymerase, RNA-pol) 其他蛋白质因子,（一）转录模板,（一）转录模板,DNA的两条链中只有一条可转录，可作为模板按碱基配对规律指引转录生成RNA，称为模板链，也称作有反义链或Watson链或负链。,1、模板链 (templ
2、ate strand),2、编码链(coding strand),与模板链相对的另一条互补链称编码链，也称为有义链或Crick链或正链。,60年代以前的表示方法与此相反),不对称转录：DNA分子上一条链可转录，另一条链不转录；模板链并非永远在同一单链上。 结构基因(structural gene)：能转录出mRNA然后指导蛋白质合成的区段。其余的DNA可能转录(rRNA, tRNA)，也可能不转录。,3、不对称转录 (asymmetric transcription),5 3,3 5,模板链,编码链,编码链,模板链,结构基因,以大肠杆菌为例 全酶：分子量为480 kD，由五种亚基组成2 ， 去
3、掉亚基称为核心酶 亚基的功能还不清楚。,一、原核生物RNA聚合酶,第二节 原核生物的转录 （识别、起始、延长和终止）,核心酶(core enzyme),全酶(holoenzyme),转录起始阶段,转录延长阶段, 用于转录的起始 依靠空间结构与DNA模板结合 (亚基与核心酶结合后引起的构象变化) 专一性地与DNA序列(启动子)结合,全酶（Holo Enzyme）, 作用于转录的延伸过程（终止） 依靠静电引力与DNA模板结合（蛋白质中碱性基团与DNA的磷酸根之间） 非专一性的结合（与DNA的序列无关）,核心酶（Core Enzyme）,RNA聚合酶各亚基的功能,原核生物RNA聚合酶结合到DNA的启
4、动区开始转录，靠亚基辨认启动区，启动RNA的合成。 启动子（promoter，也称启动基因）是指RNA聚合酶能识别、结合和开始转录的一段DNA序列。启动区具有共有的序列称为保守序列或一致性序列。,二、转录的起始,（一）模板的识别,RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合:,开始转录,T T G A C A A A C T G T,-35 区,(Pribnow box),T A T A A T Pu A T A T T A Py,-10 区,原核生物启动子保守序列,RNA-pol识别位点,原核生物中转录起始区的共同序列,（1）RNA聚合酶全酶(2)与模板DNA上启动子的-35区域结合，即形成了闭合转录
5、复合体(closed trancription complex) ；,（二）转录的起始,（2）DNA双链局部解开，形成开放转录复合体(open transcription complex) ；,（二）转录的起始,加入的第一个核苷三磷酸常是GTP或ATP。,（3）在RNA聚合酶(亚基)作用下发生第一次聚合反应，形成转录起始复合物：RNA pol (2) -DNA-pppGpN-OH-3,E. coli的转录起始,亚基脱落，核心酶构象改变，与模板结合松弛，沿着DNA模板前移； 在核心酶作用下，NTP不断聚合，RNA链不断延长。 RNA的5 端伸展在转录空泡之外 模板为A，转录产物相应为U,三、转录
6、的延伸,转录空泡(transcription bubble)：,RNA-pol （核心酶） DNA RNA形成的三元复合物,转录延长：,5,3,DNA,原核生物转录过程中的羽毛状现象,核糖体,RNA,RNA聚合酶,在同一DNA模板上，有多个转录同时在进行； 转录尚未完成，翻译已在进行。,这种形状说明：,四、转录终止（termination）,终止子：指能提供转录停止信号的DNA序列,转录终止指RNA聚合酶在DNA模板上不再前进，转录产物RNA链从转录复合物上脱落下来。,终止过程： 酶停止添加底物释放RNA链酶解离 终止反应：杂合双链的氢键断裂， 重新形成双螺旋，酶的解离。,终止因子：指协助RN
7、A聚合酶识别终止子的辅助因子（蛋白质），如因子,原核生物的终止子分为两类 不依赖因子的终止子：强终止子 依赖因子的终止子：弱终止子,终止子（terminator）：在转录的过 程中 ，提供转录终止信号的核酸序列。,1、不依赖因子的终止子,结构特征: 在终止点之前具有富含G-C的回文区域，形成 一个发夹结构 富含G-C的区域之后是一连串的dA碱基序列，它们转录的RNA链的末端为一连串U（连续68个）。,具有内在终止子,茎部富含GC,不依赖 因子的终止子结构,因子是由相同亚基组成的六聚体蛋白质，亚基分子量46kD。 因子能结合RNA，对polyC的结合力最强。 因子还有NTP酶活性和解螺旋酶(he
8、licase)的活性。,2、依赖因子的转录终止,因子：,a、因子与RNA结合（终止子上游的某一处）,b、因子沿RNA从53移动（NTP水解供能）,c、因子与RNApol相互作用而造成转录的终止,因子对终止子的作用,无连续 U串,G/C含量较少,因子：水解各种核苷三磷酸促使新生RNA链从三元转录复合物中解离出来，从而终止转录。,结合上来追赶RNApol,追赶上来（暂停）,与RNApol相互作用使杂交链解链,第三节、真核生物的转录过程,真核生物的转录过程比原核复杂。二者的转录起始过程有较大区别，转录终止也不相同。,真核生物具有3种不同的RNA聚合酶:,RNA聚合酶（RNA Pol） RNA聚合酶（
9、RNA Pol） RNA聚合酶（RNA Pol ）,三种RNA聚合酶专一地转录不同的基因，其转录过程和产物各不相同。三种RNA聚合酶对鹅膏蕈碱的敏感性反应不同。,一、真核生物的RNA聚合酶,真核生物的RNA聚合酶,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。,二、转录起始,转录起始需要启动子 、RNA聚合酶和转录因子的参与，不同RNA聚合酶有其特异的启动子及特定的转录因子。,真核生物启动子的结构,核心启动子（core promoter） 上游启动子元件（upstream promoter element，UPE）,核心启动子:
10、指保证RNA聚合酶转录正常起始所必需的、最少的DNA序列，包括转录起始位点及转录起始位点上游TATA区,作用：选择正确的转录起始位点，保证精确起始,TATA 常在-25bp左右，相当于原核的-10序列,一个典型的真核生物基因上游序列:,5,3,调控序列,TATA盒,Inr,YYAN YY,T A,-30,+1,TATAAA,转录起始点,TATA盒,CAAT盒,GC盒,增强子,顺式作用元件(cis-acting element),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-1,OCT-1：ATTTGCAT八聚体,转录因子,能直接、间接辨认
11、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-acting factors)。 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(transcriptional factors, TF)。,参与RNA-pol转录的TF,转录起始前复合物,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，形成转录前起始复合物(pre-initiation complex, PIC) 。,TFF,A,B,由RNA-Pol 催化转录的PIC,H,E,TBP,TAF,TFD-A-B-DNA复合物,TATA,A,B,TBP,TAF,TATA,H,E,P
12、IC组装完成，TFH使CTD磷酸化,三、延伸,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-Pol,RNA-Pol,RNA-Pol,核小体,转录延长中的核小体移位,转录方向,真核生物的转录终止，和转录后修饰同时进行。 真核生物mRNA有聚腺苷酸(poly A)尾巴结构，是转录后才加进去的。 转录不是在poly A的位置上终止，而是超出数百个乃至上千个核苷酸后才停顿。已发现，在读码框架的下游，常有一组共同序列AATAAA，再下游还有相当多的GT序列。这些序列称为转录
13、终止的修饰点。,四、终止,复制和转录的异同点总结,第三节 转录后加工（修饰）,由转录生成的RNA分子是初级RNA转录产物(primary RNA transcript)，几乎所有的初级RNA转录物都要经过加工，才能成为具有功能的成熟的RNA。 加工主要在细胞核中进行。,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、mRNA的转录后加工,原核生物mRNA转录后大多不需要加工，一经转录即可进行直接翻译。只有少数多顺反子RNA需经过核酸内切酶切成较小的单位，再进行翻译。,真核生物mRN
14、A前体：hnRNA,（一）真核生物mRNA转录后加工,大多数真核mRNA的5-末端有7-甲基鸟嘌呤的帽结构 (m7GpppG)，由三磷酸酶、鸟苷酸转移酶（加帽酶）和甲基转移酶催化生成。 意义：可以保护mRNA免遭核酸酶的水解；也能与蛋白质结合，促进mRNA与核糖体的结合，启动蛋白质的生物合成。,1、 5-帽子结构的生成,5 pppGp,帽子结构的生成,5 ppGp,磷酸酶,Pi,2、3 多聚腺苷酸(polyA)尾,核内的初级mRNA称为核内杂化RNA 或核内不均一RNA(hetero-nuclear RNA, hnRNA),polyA的附加是在多聚A聚合酶即RNA末端腺苷酸转移酶催化下在核内完
15、成的。 polyA尾巴同样可以和特定蛋白质结合，具有保护mRNA不被核酸酶水解的作用。,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。,（1）断裂基因(splite gene),编码区 A、B、C、D,3、真核生物mRNA前体的剪接,（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。,二、tRNA的转录后加工,tRNA前体,RNAaseP、内切酶,5-端：一段前导序列 反密码子环：一段插入序列 3端：UU碱基,1、切除部分序列:,tRNA核苷酸转移酶、连接酶,ATP,ADP,2、3-端CCA-OH的生成,tRNA核苷酸转移酶,3、碱基修饰,原核生物：16S、23S和5S rRNA都来自于一个30S rRNA前体，前体两端及各rRNA之间的间隔RNA需在加工中除去。 真核生物：18S、28S和5.8S rRNA都由45S的前核糖体RNA经过转录后加工形成的，绝大多数5S rRNA是独立转录的。,三、rRNA的转录后加工,
