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1、生物化学与分子生物学,第十六章,RNA的生物合成 RNA Biosynthesis ( Transcription ),在生物界，RNA合成有两种方式,一是DNA指导的RNA合成，也叫转录，此为生物体内的主要合成方式，也是本章介绍的主要内容。 另一种是RNA指导的RNA合成(RNA-dependent RNA synthesis)，也叫RNA复制(RNA replication), 由RNA依赖的RNA聚合酶(RNA-dependent RNA polymerase)催化，常见于病毒，是逆转录病毒以外的RNA病毒在宿主细胞以病毒的单链RNA为模板合成RNA的方式。,转录 (transcript
2、ion) 是生物体以DNA为模板合成RNA的过程 。,转录产物除mRNA、rRNA 和tRNA外，在真核细胞内还有snRNA、miRNA等非编码RNA。,转录的知识是理解许多生物学现象和医学问题所必需的。 对于RNA生物过程的调节可以导致蛋白质合成速率的改变，以及由此而引发的一系列代谢变化， 因此，了解RNA代谢的基本原理就甚为重要。这些原理既关系到所有生物是如何适应环境变化的，也关系到细胞结构和功能的分化机制。,复制和转录的区别,原核生物转录的模板和酶 Templates & Enzymes in prokaryotic transcription,第一节,参与转录的物质：,原料: NTP
3、(ATP, UTP, GTP, CTP) 模板: DNA 酶 : RNA聚合酶(RNA polymerase, RNA-pol) 其他蛋白质因子及Mg2+和Mn2+等,合成方向53， 核苷酸间的连接方式为 3，5-磷酸二酯键。,一、原核生物转录的模板,DNA分子上转录出RNA的区段，称为结构基因(structural gene)。 转录的这种选择性称为不对称转录(asymmetric transcription)，它有两方面含义：在DNA分子双链上，一股链用作模板指引转录，另一股链不转录；其二是模板链并非总是在同一单链上。,5GCAGTACATGTC 3,3 c g t g a t g t a
4、 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。,5 3,3 5,模板链,编码链,编码链,模板链,结构基因,不对称转录,二、 RNA聚合酶催化RNA合成,（一）RNA聚合酶能从头启动RNA链的合成,DNA依赖的RNA聚合酶催化合成RNA； RNA合成的化学机制与DNA依赖的DNA聚合酶催化DN
5、A合成相似。,( NMP )n + NTP ( NMP ) n+1 + PPi,RNA,延长的RNA,DNA依赖的RNA聚合酶催化RNA合成的机制,DNA聚合酶在启动DNA链延长时需要引物存在，而RNA聚合酶不需要引物就能直接启动RNA链的延长。 RNA聚合酶和双链DNA结合时活性最高，但是只以双链DNA中的一股DNA链为模板。 RNA聚合酶和DNA的特殊序列启动子(promoter)结合后，就能启动RNA合成。,（二）RNA聚合酶由多个亚基组成,核心酶 (core enzyme),全酶 (holoenzyme),转录起始阶段,转录延长阶段,RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合,大肠杆菌内有一些
6、不同的RNA pol全酶，其差异是亚基的不同。目前已发现多种亚基，并用其分子量命名区别，最常见的是70（分子量70 kDa）。70是辨认典型转录起始点的蛋白质，大肠杆菌中的绝大多数启动子可被含有70因子的全酶所识别并激活。 但有些基因的启动子，如热激蛋白（heat shock proteins, Hsp）也为另外的亚基（32 ）识别。,三、RNA聚合酶结合到DNA的启动子上启动转录,转录是不连续、分区段进行的。 每一转录区段可视为一个转录单位，称为操纵子(operon)。操纵子包括若干个结构基因及其上游(upstream)的调控序列。,调控序列中的启动子是RNA聚合酶结合模板DNA的部位，也是
7、控制转录的关键部位。原核生物以RNA聚合酶全酶结合到DNA的启动子上而起动转录，其中由亚基辨认启动子，其他亚基相互配合。 对启动子的研究，常采用一种巧妙的方法即RNA聚合酶保护法。,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,(Pribnow box),T A T A A T Pu A T A T T A Py,-10 区,RNA-pol辨认位点 (recognition site),RNA聚合酶保护法研究转录起始区,原核生物的转录过程 The Process of Transcription in Prokaryote,第二节,原核生物的转录过程
8、可分为转录起始、转录延长和转录终止三个阶段。,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、转录起始需要RNA聚合酶全酶,转录起始需解决两个问题：,2. DNA双链打开，形成开放转录复合体(open transcription complex) ；DNA分子接近-10区域的部分双螺旋解开后转录开始。 DNA双链解开的范围只在17 bp左右，这比复制中形成的复制叉小得多。,1. RNA聚合酶全酶(2)识别并结合启动子，形成闭合转录复合体（closed transcription comple）；,3. 在RNA聚合酶作用下发生第一次聚合反应
9、，形成第一个磷酸二酯键：,RNApol (2) - DNA - pppGpN- OH 3,转录起始复合物:,5-pppG -OH + NTP 5-pppGpN - OH 3 + ppi,转录起始过程：,E.coli的转录起始和延长,第一个磷酸二酯键生成后，转录复合体的构象发生改变， 亚基即从转录起始复合物上脱落，核心酶连同四磷酸二核苷酸，继续结合于DNA模板上，酶沿DNA链前移，进入延长阶段。,二、 RNA pol核心酶独立延长RNA链,1. 亚基脱落，RNApol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
10、+ NTP (NMP) n+1 + PPi,大肠杆菌的转录泡局部结构示意,转录空泡(transcription bubble)：,RNA-pol （核心酶） DNA RNA,转录延长以下特点, 核心酶负责RNA链延长反应； RNA链从5-端向3 -端延长，新的核苷酸都是加到3-OH上； 对DNA模板链的阅读方向是3-端向5-端，合成的RNA链与之呈反向互补，即酶是沿着模板链的3向5方向或沿着编码链的5向3方向前进的； 合成区域存在着动态变化的8 bp 的RNA-DNA杂合双链； 模板DNA的双螺旋结构随着核心酶的移动发生解链和再复合的动态变化。,转录过程中DNA的超螺旋结构变化,转录过程中DN
11、A的超螺旋结构变化,三、原核生物转录延长与蛋白质的翻译同时进行,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。,依赖因子的转录终止 非依赖因子的转录终止,四、原核生物转录终止分为依赖因子与非依赖因子两大类,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。,依据是否需要蛋白质因子的参与，原核生物转录终止分为：,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，又以对poly C的结合力最强，但对poly dC/dG组成的DNA的结合能力就低得多。 因子还有ATP酶活性和解螺旋酶(helicase)的
12、活性。,（一）依赖因子的转录终止,因子：,因子的作用原理：,（二） 非依赖 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。,茎环结构使转录终止的机制,使RNA聚合酶变构，转录停顿； 局部RNA/DNA杂化短链的碱基配对是最不稳定的。RNA链上的多聚U也是促使RNA链从模板上脱落的重要因素。,真核生物RNA的生物合成 The Biosynthesis of Eukaryote RNA,第三节,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。,一、 真核生物有三种DNA依赖的RNA聚合酶,真核生物具有3
13、种不同的RNA聚合酶:,RNA聚合酶（RNA Pol） RNA聚合酶（RNA Pol） RNA聚合酶（RNA Pol ）,真核生物的RNA聚合酶,真核生物RNA聚合酶的结构比原核生物复杂，所有真核生物的RNA聚合酶都有两个不同的大亚基和十几个小亚基. RNA pol在核内转录生成核不均一RNA（hnRNA），然后加工成mRNA并输送给胞质的蛋白质合成体系。mRNA是各种RNA中寿命最短、最不稳定的，需经常重新合成。RNA pol还催化合成一些具有重要的基因表达调节作用的非编码RNA，如长链非编码RNA（lncRNA）、微RNA（miRNA）和piRNA（与Piwi蛋白相作用的RNA）的合成。,
14、RNA聚合酶由12个亚基组成，其最大的亚基称为RBP1。 RNA聚合酶最大亚基的羧基末端有一段共有序列(consensus sequence)为Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Ser的重复序列片段，称为羧基末端结构域(carboxyl-terminal domain, CTD)。 CTD对于维持细胞的活性是必需的。 RNA pol是真核生物中最活跃、最重要的酶，故本章叙述的真核生物的转录主要以RNA pol所催化的转录反应为例。,二、转录因子在真核生物转录起始中具有重要作用,真核生物的基因转录过程，同样可以分为3个阶段：起始阶段（RNA pol和通用转录因子形成转录起始复合体）
15、、延长阶段和转录终止。 与原核生物的显著不同是，起始和延长过程都需要众多相关的蛋白质因子参与，这些因子被称为转录因子（transcriptional factors, TF）或反式作用因子（trans-acting factors）。,（一）转录前起始复合体的形成,不同物种、不同细胞或不同的基因，转录起始点上游都有不同的特异DNA序列，包括启动子、增强子等，统称为顺式作用元件(cis-acting element)。,转录起始点,TATA盒,CAAT盒,GC盒,增强子,顺式作用元件(cis-acting element),AATAAA,切离加尾,转录终止点,修饰点,外显子,翻译起始点,内含子,
16、OCT-1,OCT-1：ATTTGCAT八聚体,真核生物转录起始也需要RNA pol对起始点上游DNA序列进行辨认和结合，生成转录前起始复合体（preinitiation complex, PIC）。 转录起始时，真核生物的RNA pol不直接识别和结合模板的起始区，而是依靠转录因子识别并结合起始序列，故其起始复合体的装配过程比原核生物复杂的多。,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，则称为通用转录因子（general transcription factor）或基本转录因子（
