第十四章第十四章 RNA的生物合成的生物合成Reverse transcription一、一、DNA指导下指导下RNA的合成的合成转录（Transcription）：以一段DNA的遗传信息为模板，在RNA聚合酶作用下，合成出对应的RNA的过程，或在DNA指导下合成RNA转转录录单单位位：一一个个转转录录事事件件从从起起始始到到终终止止的的DNA区区间间称称一一个个转转录录单单位位（即即从从启启动动子子到到终终止止子子之之间间的的DNA序序列列）一个转录单位可以是一个基因，也可以是多个基因一个转录单位可以是一个基因，也可以是多个基因基因的概念：基因是遗传物质的基因的概念：基因是遗传物质的最小功能单位，一段，一段编码具有功能的生物产物的编码具有功能的生物产物的DNA片段，或者有功能的片段，或者有功能的DNA分子片段分子片段转录产物：mRNA 、rRNA、 tRNA、小RNA反应体系：反应体系：DNA模板，NTP，酶，Mg2+，Zn2+转录特点转录特点不对称转录：DNA片段转录时，双链DNA中只有一条链作为转录的模板，这种转录方式称作不对称转录不对称转录模板链或反意义链模板链或反意义链: :指导RNA合成的DNA链为模板链，又称反意义链。
编码链或有意义链编码链或有意义链：不作为转录的另一条DNA链为编码链，又称有意义链由于基因分布于不同的DNA单链中，即某条DNA单链对某个基因是模板链，而对另一个基因则是编码链合成方向合成方向：53从头合成，5末端的起始核苷酸常为GTP或ATP一）转录的基本特点（一）转录的基本特点（一）转录的基本特点（一）转录的基本特点l RNA链的转录，起始于DNA模板的一个特定位点，并在另一位点终止，此转录区域称为一个转录单位一个转录单位可以是一个基因（真核），也可以是多个基因（原核）l基因的转录是有选择性的，细胞不同生长发育阶段和细胞环境条件的改变，将转录不同的基因l转录的起始由DNA上的启动子区控制，转录的终止由DNA上的终止子控制，转录是通过DNA指导的RNA聚合酶来实现的转录研究的主要问题 RNA聚合酶； 转录过程； 转录后加工； 转录的调控是基本内容，是目前研究的焦点，转录调控是基因调控的核心转录与DNA复制的相同点l都需要模板；都需要模板；l都分为三阶段；都分为三阶段；l合成方向都是合成方向都是5 35 3；l都形成磷酸二酯键；都形成磷酸二酯键；l碱基的加入严格遵循碱基配对原则碱基的加入严格遵循碱基配对原则。
转录与DNA复制的不同点 复制需要引物，转录不需引物 转录时，模板DNA的信息全保留，复制时模板信息是半保留 转录时，RNA聚合酶只有53聚合作用，无53及35外切活性二）DNA指导的RNA聚合酶1、聚合酶的同性l需要模板，模板以需要模板，模板以双链状态双链状态下活性最大下活性最大；l四种核苷三磷酸四种核苷三磷酸（ATP、GTP、CTP、UTP）为为底物底物；l聚合酶聚合酶无校对无校对功能功能；l无需引物，聚合方向无需引物，聚合方向5 3；lMg2+促进转录2 2、大肠杆菌的、大肠杆菌的RNA聚合酶聚合酶 大肠杆菌大肠杆菌RNA聚合酶各亚基的功能聚合酶各亚基的功能亚基亚基 基因基因 Mr 亚基亚基 功能功能 数目数目 rpoA 40,OOO 2 40,OOO 2 酶的装配，与启动子上游酶的装配，与启动子上游 元件和活化因子结合元件和活化因子结合 rpoB 155,000 1 155,000 1 结合核苷酸底物，催化磷结合核苷酸底物，催化磷 酸二酯键形成酸二酯键形成rpoC C 160,000 1 160,000 1 与模板结合与模板结合 rpoD D 32,OOO- 1 32,OOO- 1 识别启动子，促进转录识别启动子，促进转录 9292，000 000 的起始的起始 9,OOO 1 9,OOO 1 未知未知（三）启动子和转录因子l启动子：启动子：RNA聚合酶能识别、结合，开始转聚合酶能识别、结合，开始转录的一段录的一段DNA序列序列。
l转录起始点：转录起始点：转录单位的起点核苷酸为转录单位的起点核苷酸为+1+1，转录起点的左侧为转录起点的左侧为上游，上游，用负的数码表示，用负的数码表示，起点前一个核苷酸为起点前一个核苷酸为-1-1起点后为起点后为下游，下游，即即转录区l转录因子转录因子： RNA聚合酶起始转录需要的聚合酶起始转录需要的辅辅助因子助因子（蛋白质）称为转录因子，作用或是（蛋白质）称为转录因子，作用或是识别其他因子，或是识别识别其他因子，或是识别RNA聚合酶大肠杆菌大肠杆菌RNA聚合酶的启动子聚合酶的启动子 转录起始转录起始位点位点-35 -35 区区-10 -10 区区( (四四) ) 终止子和终止因子终止子和终止因子l终止子终止子：提供转录终止信号的：提供转录终止信号的DNA序列序列称为称为终止子，有两类：依赖终止子，有两类：依赖rho因子因子的终止子和不的终止子和不依赖依赖rho因子的终止子因子的终止子l终止因子：协助终止因子：协助RNA聚合酶识别终止信号的聚合酶识别终止信号的辅助因子辅助因子（或蛋白质）或蛋白质）l通读：通读：RNA聚合酶聚合酶越过终止子越过终止子继续转录的现继续转录的现象称为通读，通读是由于终止子被特异性的象称为通读，通读是由于终止子被特异性的因子抑制产生的。
因子抑制产生的l抗终止因子：引起抗终止因子：引起抗终止作用抗终止作用的蛋白质称为的蛋白质称为抗终止因子抗终止因子依赖依赖r r - -因子因子的终止子的终止子 r r - -因子：因子：含六聚体的含六聚体的寡聚蛋白寡聚蛋白，有，有RNA存在存在时能水解核苷三磷酸，时能水解核苷三磷酸，即具有依赖即具有依赖RNA的的NTPase活力它结合活力它结合于新生于新生RNA上，上，借助于借助于水解水解NTP产生能量推动产生能量推动RNA聚合酶向前移动，聚合酶向前移动，当酶遭遇当酶遭遇终止子终止子时暂停时暂停前进前进，r r - -因子追上酶，因子追上酶，与酶相互作用释放与酶相互作用释放RNA (五)转录过程1 1、起始、起始识别正确的启动位点，识别正确的启动位点，启动子的结构至少由三启动子的结构至少由三部分组成部分组成：-35序列提序列提供了供了RNA聚合酶全酶聚合酶全酶识别的信号识别的信号；-10序列序列是酶的紧密结合位点是酶的紧密结合位点（富含（富含AT碱基，利于碱基，利于双链打开双链打开）；）；第三部分第三部分是是RNA合成的起始点合成的起始点1 1、起始、起始加入的第一个核苷三磷加入的第一个核苷三磷酸常是酸常是GTP或或ATP。
所所形成的形成的启动子、全酶和启动子、全酶和核苷三磷酸复合物称为核苷三磷酸复合物称为三元起始复合物三元起始复合物，第一，第一个核苷三磷酸一旦掺入个核苷三磷酸一旦掺入到转录起始点，到转录起始点，亚基亚基就会被释放脱离核心酶就会被释放脱离核心酶2 2、延长、延长 靠核心酶的催化，核苷酸间通过3,5-磷酸二酯键RNA不断生长 3 3、终止、终止不依赖不依赖不依赖不依赖r r r r - - - -因子的终止子因子的终止子因子的终止子因子的终止子依赖依赖r r - -因子因子的终止子的终止子 r r - -因子：因子：含六聚体的含六聚体的寡聚蛋白寡聚蛋白，有，有RNA存在存在时能水解核苷三磷酸，时能水解核苷三磷酸，即具有依赖即具有依赖RNA的的NTPase活力它结合活力它结合于新生于新生RNA上，上，借助于借助于水解水解NTP产生能量推动产生能量推动RNA聚合酶向前移动，聚合酶向前移动，当酶遭遇当酶遭遇终止子终止子时暂停时暂停前进前进，r r - -因子追上酶，因子追上酶，与酶相互作用释放与酶相互作用释放RNA真核生物转录过程l转录过程与细菌相似，但其RNA聚合酶自身不能识别和结合到启动子上，需要在启动子上由转录因子和RNA聚合酶装配成活性转录复合物才能起始转录。
真核真核真核真核RNARNA聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶和转录因子在启和转录因子在启和转录因子在启和转录因子在启动子上的装配动子上的装配动子上的装配动子上的装配二、RNA的转录后加工l指在细胞内，由指在细胞内，由RNA聚合酶合成的初聚合酶合成的初始始转录产物转录产物需要经过需要经过一系列变化一系列变化才能转才能转变为成熟的变为成熟的RNA分子的过程分子的过程l链的裂解、链的裂解、55与与33端的切除端的切除和和特殊结特殊结构构的形成，以及的形成，以及拼接拼接和和编辑编辑等大多数RNA剪接机制都需要一个RNA催化的两步反应l内含子与外显子；l磷酸二酯键的断裂和再连接；l转酯基反应对于所有四种RNA加工反应， RNA的二级和三级结构提供了所需要的特异性，并在降低能障中起着重要的作用一）（一）rRNA前体的加工前体的加工甲基化甲基化6500个核苷酸个核苷酸核酸内切酶核酸内切酶RNase、P核酸外切酶核酸外切酶ltRNA前体在前体在tRNA剪切酶剪切酶的作用下，切成的作用下，切成一小的一小的tRNA分子；分子；l33末端加上末端加上CCA；l碱基的修饰：甲基化、脱氨和还原作用碱基的修饰：甲基化、脱氨和还原作用。
二）（二）tRNA前体的加工前体的加工（三）真核（三）真核mRNA前体的加工前体的加工l剪接剪接（Splicing） 去除内含子，连接外显子；l55帽端结构的生成；帽端结构的生成；l33端多聚端多聚A（polyA）的附加因发现断裂基因而获因发现断裂基因而获19931993年诺年诺贝尔生理学奖的贝尔生理学奖的Robert and Sharp三、三、RNA的复制（的复制（RNA指导的指导的RNA合成）合成）l 概念：概念：RNA病毒以自身病毒以自身RNA为模板合成与为模板合成与自身自身RNA完全相同完全相同RNA分子的过程称为分子的过程称为 RNA的复制的复制l两个阶段两个阶段三、病毒三、病毒RNA的复制的复制（1 1）病毒）病毒RNA可充当可充当mRNA，利用寄主中的利用寄主中的核糖体合成核糖体合成外壳蛋白外壳蛋白和复制酶的和复制酶的亚基亚基2 2）复制酶的）复制酶的亚基与来自宿主细胞的亚基亚基与来自宿主细胞的亚基 自动装配成自动装配成RNA复制酶复制酶，进行，进行RNA复制，通常以分子中单链复制，通常以分子中单链RNA为模板（正链）为模板（正链），复制出一条新的，复制出一条新的RNA链（负链），然后以链（负链），然后以负链负链为模板复制出大量为模板复制出大量正链正链，再与外壳蛋白，再与外壳蛋白组装成新的噬菌体颗粒。
组装成新的噬菌体颗粒三、三、RNA的复制的复制5 RNA-5 3 3 RNA+释放释放释放释放35 3 3 5 5 RNA+RNA+RNA-vRNA-及及 RNA+的合成方向均为的合成方向均为5 3核酶的发现核酶的发现l19811981年，年，Cech 在研究四膜虫在研究四膜虫rRNA前体拼接前体拼接过程中发现，此类的拼接无需过程中发现，此类的拼接无需蛋白质酶蛋白质酶参与参与作用，它可作用，它可自我催化自我催化完成Cech称具有催化称具有催化功能的功能的RNA为核酶（为核酶（Ribozyme）l核酶的发现改变了核酶的发现改变了酶的化学本质是蛋白质酶的化学本质是蛋白质的的传统观念，被认为是近二十年来生物化学领传统观念，被认为是近二十年来生物化学领域中最令人鼓舞的成就之一域中最令人鼓舞的成就之一核酶的生物学意义核酶的生物学意义lRNA为生物催化剂，具有重要生物学意义l打破了所有酶都是蛋白质的传统观念l在生命起源问题上，为先有核酸提供了依据l为治疗破坏有害基因，肿瘤等疾病提供手段The M1 RNAin ribonucleaseP is catalyticThe intron inthe pre-rRNA ofTetrahemena is self-spliced 因发现核酶而获诺贝因发现核酶而获诺贝因发现核酶而获诺贝因发现核酶而获诺贝尔奖的。