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1、第 十 一 章,RNA的生物合成 （转录） RNA Biosynthesis, Transcription,转录 (transcription) 生物体以DNA为模板合成RNA的过程 。,转录,转录与复制的相同点,都是酶促的核苷酸聚合反应 都以DNA 为模板 都需要依赖DNA的聚合酶 聚合的过程都是磷酸二酯键形成的过程 聚合方向（新链延长方向）都是：5 3 都遵循碱基配对规律,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(RNA polymerase, RNA-pol) 其他蛋白质因子,模板和酶 Template
2、s and Enzymes,第一节,一、转录模板,结构基因：DNA分子上转录出RNA的区段。,5GCAGTACATGTC 3,3 c g t g a t g t a c a g 5,5GCAGUACAUGUC 3,NAla Val His Val C,编码链,模板链,mRNA,蛋白质,转录,翻译,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(template strand)，也称作有意义链或Watson链。 相对的另一股单链是编码链(coding strand)，也称为反义链或Crick链。,不对称转录(asymmetric transcription),在DNA分子双
3、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。,5 3,3 5,模板链,编码链,编码链,模板链,结构基因,二、RNA聚合酶 (RNA-pol),（一）原核生物的RNA聚合酶,DNA dependent RNA polymerase (DDRP),核心酶 (core enzyme),全酶 (holoenzyme),亚基的功能：辨认转录的起始点 核心酶可以进行转录，但不能在特定的起始点上开始转录。,RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合,原核生物的RNA聚合酶都受一类结核菌药物利福平或利福霉素的特异性抑制,亚基,目前发现多种因子 常规基因表达采用的是70（分子
4、量70kD） 热休克反应： 细菌中: 当细菌受到热应激，则由32启动另一套转录，所生成的产物称为热休克蛋白（Hsp），Hsp编码的基因称为热休克基因（hsp） 真核生物中也存在热休克基因只是功能各异。,（二）真核生物的RNA聚合酶,RNA聚合酶II可认为是真核生物中最活跃的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。,启动子(promoter)：RNA聚合酶结合模板DNA的部位,RNA聚合酶保护法,开始转录,T T G A C A A A C T G T,-35 区,(Pr
5、ibnow 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辨认位点 (recognition site),结构基因,-GCGC-CAAT-TATA,真核生物启动子保守序列,转录过程 The Process of Transcription,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,转录起始过程,（二）转录延长,1. 亚基脱落，RNA
6、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(transcription bubble)：,RNA-pol （核心酶） DNA RNA,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,依赖Rho ()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,A T P,1. 依赖 Rho因子的转录终止,Rho因子对RNA上的po
7、ly C 结合能力强 Rho因子有ATP酶活性和解螺旋酶活性,与RNA转录产物结合，使得Rho因子和RNA聚合酶都可发生构象变化，从而使RNA 聚合酶停顿，解螺旋酶活性使得DNA/RNA杂化双链拆离，利于产物从转录复合物中释放,Rho因子转录终止的作用：,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。,5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3,5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGU
8、CACCAGCCUUUUU. 3,RNA,5TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT. 3,DNA,5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3,茎环(stem-loop)/发夹(hairpin)结构,使RNA聚合酶变构，转录停顿； DNA和RNA各自形成自己的局部双链，使杂化链更加不稳定，以致转录复合物趋于解体。 接着的一串寡聚U，则更是促进RNA新链从模板上脱落的促进因素。,茎环结构使转录终止的机理,二、真核生物的转录起始,（一）转录起始,真核
9、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-acting element),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-1,OCT-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-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(transcription
10、al factors, TF)。,参与RNA-pol转录的TF,3. 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。,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,PIC组装完成，TFH使CTD磷酸化,4. 拼板理论(piecing theory),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
11、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-Pol,RNA-Pol,RNA-Pol,核小体,转录延长中的核小体移位,转录方向,（三）转录终止, 和转录后修饰密切相关。,真核生物mRNA带有聚腺苷酸尾巴的结构，这是转录之后加上的。 在模板链读码框架的3端之后，常有一组共同序列AATAAA，再下游还有相当多的GT序列，这些序列称为转录终止的修饰点。,5-AAUAAA-,5 -AAUAAA-,核酸酶,-GUGUGUG,RNA-pol,A
12、ATAAA GTGTGTG,转录终止的修饰点,5,5,3,3,3加尾,AAAAAAA 3 mRNA,真核生物的转录后修饰 Post-transcriptional Modification,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(poly A tail),帽子结构,5 pppGp,帽子结构的生成,加工过程首先是在磷酸酶的作用下，将5-端的磷酸基水解，然后
13、再加上鸟苷三磷酸，形成GpppN的结构，再对G进行甲基化 加帽出现在hnRNA中，说明可能在细胞核中完成，并在剪接之前。,真核生物mRNA中poly A的出现是不依赖于DNA模板的。 加入poly A之前，先由核酸外切酶切去3末端一些过剩的核苷酸，然后加入polyA。 3端修饰也是在细胞核中，在剪接之前进行的。 Poly A的有无与长短，是维持mRNA作为翻译模板的活性，以及增加mRNA本身的稳定性。,加尾(adding tail)：,3端修饰示意图,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
14、裂基因。,断裂基因(splite gene),编码区 A、B、C、D,（二）mRNA的剪接,1. hnRNA 和 snRNA,核内的初级mRNA称为杂化核RNA (hetero-nuclear RNA, hnRNA) snRNA (small nuclear RNA)核内小RNA, hnRNA 剪接的场所,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,
15、鸡卵清蛋白成熟mRNA与DNA杂交电镜图,DNA,mRNA,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,pG-OH (ppG-OH, pppG-OH),剪接过程的二次转酯反应, 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(differential RNA processing)。,5. mRNA的编辑(mRNA editing),二、tRNA的转录后加工,tRNA前体,tRNA核苷酸转移酶、连接酶,ATP,ADP,碱基修饰,丰富基因：染色体上一些相似或完全一样的纵列串联基因单位的重复。 真核细胞的rRNA基因属于丰富基因。 45s的转录产物是三种rRNA的前体，经过剪接后形
