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1、Chapter 12 Nucleic Acid Biosynthesis第十二章第十二章 核酸生物合成核酸生物合成基因信息的传递DNA是由四种脱氧核糖核酸所组成的长链大分子，是遗传信息的携带者。生物体的遗传信息就贮存在DNA的四种脱氧核糖核酸的排列顺序中。 DNA通过复制将遗传信息由亲代传递给子代；通过转录和翻译，将遗传信息传递给蛋白质分子，从而决定生物的表现型。DNA的复制、转录和翻译过程就构成了遗传学的中心法则。在RNA病毒中，其遗传信息贮存在RNA分子中。因此，在这些生物体中，遗传信息的流向是RNA通过复制，将遗传信息由亲代传递给子代，通过反转录将遗传信息传递给DNA，再由DNA通过转录
2、和翻译传递给蛋白质，这种遗传信息的流向就称为反中心法则。DNA dependent DNA polymeraseDDDPDNA dependent RNA polymeraseDDRPRNA dependent RNA polymeraseRDRPRNA dependent DNA polymeraseRDDPDNA复制（复制（DDDP）转录（转录（DDRP）RNA蛋白质蛋白质翻译翻译RNA复制（复制（RDRP）反转录（反转录（RDDP）Section 1 DNA Biosynthesis， Replication第一节第一节 DNADNA的生物合成的生物合成( (复制）复制）1.1 1.1
3、复制的基本规律复制的基本规律1.1 Basic Rules of DNA Replication一、半保留复制一、半保留复制复制复制亲代亲代DNA子代子代DNADNA半保留复制示意图半保留复制示意图DNA在复制时，以亲代DNA的每一股作模板，合成完全相同的两个双链子代DNA，每个子代DNA中都含有一股亲代DNA链，这种现象称为DNA的半保留复制(semi-conservative replication)。 DNA以半保留方式进行复制，是在1958年由M. Meselson 和 F. Stahl 所完成的实验所证明。该实验首先将大肠杆菌在含15N的培养基中培养约十五代，使其DNA中的碱基氮均转
4、变为15N。然后将大肠杆菌移至只含14N的培养基中同步培养一代、二代、三代。分别提取DNA，作密度梯度离心，将具有不同密度的DNA分离开。DNA半保留复制的实验证明半保留复制的实验证明DNADNA半保留复制研究实验结果示意图半保留复制研究实验结果示意图n按半保留复制方式，子代DNA与亲代DNA的碱基序列一致，即子代保留了亲代的全部遗传信息，体现了遗传的保守性。n遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，但不是绝对的。半保留复制的意义半保留复制的意义DNA在复制时，需在特定的位点起始，这是一些具有特定核苷酸排列顺序的片段，即复制起始点(origin) 。在原核生物中，复制起始点通常为一个，而在真核生
5、物中则为多个。二、有一定的复制起始点二、有一定的复制起始点细菌和酵母菌中细菌和酵母菌中DNADNA复制起始点的碱基序列复制起始点的碱基序列习惯上把两个相邻DNA复制起始点之间的距离（或DNA片段）定为一个复制子(replicon) 。复制子是独立完成复制的功能单位。DNA复制时，局部双螺旋解开形成两条单链，这种叉状结构称为复制叉。53oriorioriori535533553复制子复制子3复制起始点与复制子示意图复制起始点与复制子示意图复制起始点、复制子与复制叉（动画演示）复制起始点、复制子与复制叉（动画演示）参与DNA复制的DNA聚合酶，必须以一段具有3端自由羟基（3-OH）的RNA作为引物
6、(primer) ，才能开始聚合子代DNA链。RNA引物的大小，在原核生物中通常为50 100个核苷酸，而在真核生物中约为10个核苷酸。RNA引物的碱基顺序，与其模板DNA的碱基顺序相配对。 三、需要引物DNA复制时，以复制起始点(origin)为中心，向两个方向进行解链，形成两个延伸方向相反的复制叉，称为双向复制(bidirectional replication)。但在低等生物中，也可进行单向复制（如滚环复制）。复制中的放射自显影图象复制中的放射自显影图象四、双向复制四、双向复制orioriterterA B CA. 环状双链环状双链DNA及复制起始点及复制起始点B. 复制中的两个复制叉复
7、制中的两个复制叉C. 复制接近终止点复制接近终止点(termination, ter)DNADNA的双向复制示意图的双向复制示意图DNA聚合酶只能以53方向聚合子代DNA链，即模板DNA链的方向必须是35。由于DNA分子中两条链的走向相反，因此当分别以两条亲代DNA链作为模板聚合子代DNA链时，子代链的聚合方向也是不同的。五、半不连续复制五、半不连续复制35353535解链方向领头链领头链(leading strand)随从链随从链(lagging strand)DNADNA的半不连续复制的半不连续复制35以35方向的亲代DNA链作模板的子代链在复制时基本上是连续进行的，其子代链的聚合方向为5
8、3，这一条链被称为领头链(leading strand)。以53方向的亲代DNA链为模板的子代链在复制时则是不连续的，其链的聚合方向也是53，这条链被称为随从链(lagging strand)。领头链连续复制而随从链不连续复制，就是复制的半不连续性。 由于亲代DNA双链在复制时是逐步解开的，因此，随从链的合成也是一段一段的。DNA在复制时，由随从链所形成的一些子代DNA短链称为冈崎片段(Okazaki fragment)。冈崎片段的大小，在原核生物中约为10002000个核苷酸，而在真核生物中约为100个核苷酸。 2.2 Factors for DNA Replication2.2 DNA2.
9、2 DNA复制的条件复制的条件 以四种脱氧核糖核酸(deoxynucleotide triphosphate)为底物，即dATP，dGTP，dCTP，dTTP。一、底物一、底物(substrate) (substrate) (dNMP)n + dNTP (dNMP)n+1 +PPiDNADNA复制过程中脱氧核糖核苷酸的聚合反应复制过程中脱氧核糖核苷酸的聚合反应DNA复制是模板依赖性的，必须要以亲代DNA链作为模板。亲代DNA的两股链解开后，可分别作为模板进行复制。 二、模板(template)引物酶(primerase)本质上是一种依赖DNA的RNA聚合酶（DDRP），该酶以DNA为模板，聚合
10、一段RNA短链引物(primer)，以提供自由的3-OH，使子代DNA链能够开始聚合。引物酶需组装成引发体才能催化RNA引物的合成。三、引发体和三、引发体和RNARNA引物引物在E. coli中，含有解螺旋酶(DnaB蛋白) 、DnaC蛋白、引物酶(DnaG蛋白)和DNA复制起 始 区 域 的 复 合 结 构 被 称 为 引 发 体(primosome) 。 Dna A Dna B Dna CDNA拓扑异构酶引物酶SSB3535含有解螺旋酶(DnaB蛋白)、DnaC蛋白、引物酶和DNA复制起始区域的复合结构称为引发体。 引发体的组装形成引发体的组装形成3 HO53535引物酶催化合成短链引物酶
11、催化合成短链RNARNA引物分子引物分子 引物引物引物酶四、四、DNADNA聚合酶聚合酶全称：依赖DNA的DNA聚合酶 ( DNA-dependent DNA polymerase, DDDP )简称：DNA-pol活性：1. 53 的聚合酶活性 2. 核酸外切酶活性5 A G C T T C A G G A T A 3 | | | | | | | | | | |3 T C G A A G T C C T A G C G A C 5 3 5外切酶活性 5 3外切酶活性?能切除突变的 DNA片段。能辨认错配的碱基对，并将其水解。 DNADNA聚合酶的核酸外切酶活性聚合酶的核酸外切酶活性 在原核生
12、物中，目前发现的DNA聚合酶有三种，分别命名为DNA聚合酶（pol ），DNA聚 合 酶 （ pol ） ， DNA聚 合 酶（pol ），这三种酶都属于具有多种酶活性的多功能酶。参与DNA复制的主要是pol 和pol 。（一）种类和生理功能：（一）种类和生理功能：pol 为具有三种酶活性的单一肽链的大分子蛋白质，可被特异的蛋白酶水解为两个片段，其中的大片段保留了两种酶活性,即 53聚 合 酶 和35外切酶活性，通常被称为Klenow fragment。 Klenow片段的分子结构片段的分子结构pol 由十种亚基组成不对称异源二聚体结构，其中亚基具有53聚合DNA的酶活性，具有复制DNA的功能
13、；而亚基具有35外切酶的活性，与DNA复制的校正功能有关。 原核生物中的三种DNA聚合酶在在真核生物真核生物中，目前发现的中，目前发现的DNA聚合酶有五种聚合酶有五种:DNA-pol 起始引发，有引物酶活性。起始引发，有引物酶活性。参与低保真度的复制参与低保真度的复制 。DNA-pol 在在线粒体线粒体DNA复制中起催化作用。复制中起催化作用。DNA-pol g g延长子链的主要酶，有解螺旋酶活性。延长子链的主要酶，有解螺旋酶活性。DNA-pol d d在复制过程中起校读、修复和填补缺在复制过程中起校读、修复和填补缺口的作用。口的作用。DNA-pol e e真核生物的真核生物的DNADNA聚合
14、酶聚合酶为了保证遗传的稳定，DNA的复制必须具有高保真性。DNA复制时的保真性主要与下列因素有关： 1遵守严格的碱基配对规律； 2DNA聚合酶在复制时对碱基的正确选择； 3对复制过程中出现的错误及时进行校正。 （二）（二）DNADNA复制的保真性复制的保真性(fidelity)(fidelity)：DNA-DNA-polpol的核酸外切酶活性和及时校读的核酸外切酶活性和及时校读A：DNA-pol的外切酶活性切除错配碱基；并用其聚合酶活性掺入正确配对的底物。B：碱基配对正确， DNA-pol不表现外切酶活性。DNA连接酶(DNA ligase)可催化两段DNA片段之间磷酸二酯键的形成，从而把两段
15、相邻的DNA链连接成一条完整的链。五、DNA连接酶DNA连接酶连接酶ATPATP（NADNAD+ +）ADP+PiADP+Pi（NMNNMN+ +AMP+AMP）HOHO5 53 35 53 33 35 55 53 3DNADNA连接酶的连接作用连接酶的连接作用DNA连接酶催化的条件是： 需一段DNA片段具有3-OH，而另一段DNA片段具有5-Pi基； 未封闭的缺口位于双链DNA中，即其中有一条链是完整的； 需要消耗能量，在原核生物中由NAD+供能，在真核生物中由ATP供能。DNA连接酶在复制中起最后接合缺口的作用。连接酶在复制中起最后接合缺口的作用。在在DNA修修复复、重重组组及及剪剪接接中
16、中也也起起缝缝合合缺缺口口作作用。用。是基因工程的重要工具酶之是基因工程的重要工具酶之一。DNA连接酶的作用连接酶的作用解螺旋酶(helicase) ，又称解链酶或rep蛋白，是用于解开DNA双链的酶蛋白。每解开一对碱基，需消耗2分子ATP。六、解螺旋酶六、解螺旋酶单链DNA结合蛋白（single strand binding protein, SSB），又称螺旋反稳蛋白(HDP)，是一些能够与单链DNA结合的蛋白质因子。七、单链七、单链DNADNA结合蛋白结合蛋白SSB的生理作用的生理作用使解开双螺旋后的DNA单链能够稳定存在，即稳定单链DNA，便于其作为模板复制子代DNA；保护单链DNA，
17、避免核酸酶的降解。八、DNA拓扑异构酶人类拓扑异构酶人类拓扑异构酶的分子结构的分子结构能够松解能够松解DNA超螺旋结构的酶。超螺旋结构的酶。1010 8 8 局部解链后DNADNA复制过程中正超螺旋的形成复制过程中正超螺旋的形成解链过程中正超螺旋的形成解链过程中正超螺旋的形成拓扑异构酶的作用特点拓扑异构酶的作用特点既能水解 、又能连接磷酸二酯键 拓扑异构酶 拓扑异构酶分分 类类拓扑异构酶切断切断DNA双链中双链中一股一股链，使链，使DNA解链旋转不致打结；适当时候封解链旋转不致打结；适当时候封闭切口，闭切口，DNA变为松弛状态变为松弛状态。反应反应不需不需ATP。拓扑异构酶切断切断DNA分子分
18、子两股两股链，断端通过链，断端通过切口旋转使超螺旋松弛。切口旋转使超螺旋松弛。利用利用ATP供能，连接断端，供能，连接断端， DNA分子进入负超螺旋状态。分子进入负超螺旋状态。DNA拓扑异构酶的作用机制拓扑异构酶的作用机制 3.3 DNA3.3 DNA生物合成过程生物合成过程3.3 The Process of DNA BiosynthesisDNA复制的起始阶段，由下列两步构成。 1解旋解链，形成复制叉：由拓扑异构酶和解链酶作用，使DNA的超螺旋及双螺旋结构解开，碱基间氢键断裂，形成两条单链DNA。单链DNA结合蛋白（SSB）四聚体结合在两条单链DNA上，形成复制叉。一、复制的起始一、复制的
19、起始2引发体组装和引物合成：由解螺旋酶(DnaB蛋白) 、DnaC蛋白、引物酶(DnaG蛋白)和DNA复制起始区域形成引发体；在引物酶的催化下，以DNA为模板，合成一段短的RNA片段，从而获得3端自由羟基（3-OH）。 二、复制的延长二、复制的延长 复制的延长指在DNA聚合酶催化下，以35方向的亲代DNA链为模板，从53方向聚合子代DNA链。其化学本质是dNTP以dNMP的方式逐个加入引物或延长中的子链上，磷酸二酯键不断生成。 在原核生物中，参与DNA复制延长的是DNA聚合酶；而在真核生物中是DNA聚合酶。 55 3355dATPdGTPdTTPdCTPdTTPdGTPdATPdCTPOH 3
20、3 3DNA-polDNADNA复制的延长过程复制的延长过程DNA复制过程简图复制过程简图三、复制的终止三、复制的终止 在复制过程中形成的RNA引物，需由RNA酶来水解去除；RNA引物水解后遗留的缺口，由DNA聚合酶（原核生物）或DNA聚合酶（真核生物）催化延长缺口处的DNA，直到剩下最后一个磷酸酯键的缺口。（一）去除引物，填补缺口：（一）去除引物，填补缺口：在DNA连接酶的催化下，生成最后一个磷酸酯键，将冈崎片段连接起来，形成完整的DNA长链。 （二）连接冈崎片段：（二）连接冈崎片段：555RNA酶OH P5DNA-pol dNTP55PATP ADP+Pi55DNA连接酶 随从链上不连续性
21、片段的连接随从链上不连续性片段的连接D DN NA A复复制制的的过过程程4.4 DNA4.4 DNA的损伤（突变）与修复的损伤（突变）与修复 4.4 DNA Damage （Mutation）and Repair由自发的或环境的因素引起DNA一级结构的任何异常的改变称为DNA的损伤，也称为突变（mutation）。常见的DNA的损伤包括碱基脱落、碱基修饰、交联，链的断裂，重组等。 一、突变的意义一、突变的意义（一）突变是进化、分化的分子基础（二）突变导致基因型改变（三）突变导致死亡（四）突变是某些疾病的发病基础（一）自发因素： 1.自发脱碱基：由于N-糖苷键的自发断裂，引起嘌呤或嘧啶碱基的脱
22、落。每日可达近万个核苷酸残基。 2.自发脱氨基：胞嘧啶自发脱氨基可生成尿嘧啶，腺嘌呤自发脱氨基可生成次黄嘌呤。每日可达几十到几百个核苷酸残基。 3.复制错配：由于复制时碱基配对错误引起的损伤，发生频率较低。 二、引起突变的因素二、引起突变的因素由紫外线、电离辐射、X射线等引起的DNA损伤。其中，X射线和电离辐射常常引起DNA链的断裂，而紫外线常常引起嘧啶二聚体的形成，如TT，TC，CC等二聚体。这些嘧啶二聚体由于形成了共价键连接的环丁烷结构，因而会引起复制障碍。 （二）物理因素：（二）物理因素：嘧啶二聚体的形成嘧啶二聚体的形成 UV1.脱氨剂：如亚硝酸与亚硝酸盐，可加速C脱氨基生成U，A脱氨基
23、生成H。 （三）化学因素：（三）化学因素：2.烷基化剂：这是一类带有活性烷基的化合物，可提供甲基或其他烷基，引起碱基或磷酸基的烷基化，甚至可引起邻近碱基的交联。3.DNA加合剂：如苯并芘，在体内代谢后生成四羟苯并芘，与嘌呤共价结合引起损伤。4.碱基类似物：如5-FU，6-MP等，可掺入到DNA分子中引起损伤或突变。5.断链剂：如过氧化物，含巯基化合物等，可引起DNA链的断裂。 三、突变的分子改变类型三、突变的分子改变类型DNA分子上单一碱基的改变称分子上单一碱基的改变称点突变点突变(point mutation)。发生在同型碱基之间，即嘌呤代替另一嘌呤，或嘧啶代替另一嘧啶。 1. 转换发生在异
24、型碱基之间，即嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤。 2. 颠换镰形红细胞贫血病人Hb (HbS) 亚基N-val his leu thr pro val glu C 肽链CAC GTG基因正常成人Hb (HbA)亚基N-val his leu thr pro glu glu C 肽链CTC GAG基因血红蛋白血红蛋白-亚基的点突变亚基的点突变3. 缺失：一个碱基或一段核苷酸链从DNA大分子上消失。4. 插入：原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插入到DNA大分子中间。框移突变是指三联体密码的阅读方式改变，造成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变。 缺失或插入都可导致框移突变。谷 酪 蛋 丝5 G C A G U A
25、C A U G U C 丙 缬 组 缬正常5 G A G U A C A U G U C 缺失C缺失引起的框移突变缺失引起的框移突变5.5.重排重排 DNA分子内较大片段的交换，称为重分子内较大片段的交换，称为重组或重排。组或重排。由基因重排引起的两种地中海贫血基因型四、四、DNADNA损伤的修复损伤的修复DNA损伤修复损伤修复(repair) ：是对已发生分子改变的是对已发生分子改变的补偿措施，使其尽可能回复为原有的天然状态。补偿措施，使其尽可能回复为原有的天然状态。光修复光修复(light repair)切除修复切除修复(excision repair)重组修复重组修复(recombina
26、tion repair)SOS修复修复 修复的主要类型：修复的主要类型：无差错修复无差错修复有差错倾向修复有差错倾向修复这是一种广泛存在的修复作用，能够修复任何嘧啶二聚体的损伤。修复过程由光修复酶(photolyase)催化完成。（一）光修复（一）光修复（light repairlight repair）：）：光修复酶的光修复酶的分子结构分子结构光光其修复过程为：1.光修复酶(photolyase)识别嘧啶二聚体并与之结合形成复合物。2.在300600nm可见光照射下，酶获得能量，将嘧啶二聚体的丁酰环打开。3.光修复酶从DNA上解离。 这也是一种广泛存在的修复机制，可适用于多种DNA损伤的修复
27、。切除修复机制的基本过程是将受损的DNA片段切除，然后再以对侧链为模板，重新合成新链进行修复。（二）切除修复（二）切除修复(excision repair)(excision repair)：在原核生物中，与DNA切除修复有关的蛋白质包括UvrA、UvrB、UvrC，以及DNA pol 和DNA连接酶。UvrA和UvrB主要起辨认和结合受损部位的作用；而UvrC则主要与受损片段的切除有关。原核生物原核生物DNADNA切除修复的机制切除修复的机制真真核核生生物物X XP P切切除除修修复复系系统统1.1.识别识别3.3.切除切除4.4.修复修复2.2.组装组装这是DNA的复制过程中所采用的一种有
28、差错的修复方式。 修复时，利用重组蛋白RecA的核酸酶活性，将另一股健康亲链与损伤缺口相互交换。 （三）重组修复（三）重组修复(recombination repair)(recombination repair)：RecA的分子结构的分子结构RecARecA重组蛋白修复重组蛋白修复DNADNA示意图示意图当当DNA损损伤伤广广泛泛难难以以继继续续复复制制时时，由由此此而而诱诱发发出一系列复杂的反应。出一系列复杂的反应。在在E. coli中中，各各种种与与修修复复有有关关的的基基因因，组组成成一一个称为个称为调节子调节子(regulon)的网络式调控系统。的网络式调控系统。这这种种修修复复特特
29、异异性性低低，对对碱碱基基的的识识别别、选选择择能能力力差差。通通过过SOS修修复复，复复制制如如能能继继续续，细细胞胞是是可可存存活活的的。然然而而DNA保保留留的的错错误误较较多多，导导致致较较广广泛、长期的突变。泛、长期的突变。 （四）（四）SOSSOS修复（修复（SOS RepairSOS Repair）：）：第五节第五节 RNARNA的生物合成的生物合成 ( (转录转录) )Section 5 RNA Biosynthesis, Transcription在在RNA聚聚合合酶酶的的催催化化下下，以以一一段段DNA链链为为模模板板合合成成RNA，从从而而将将DNA所所携携带带的的遗遗传
30、传信信息息传递给传递给RNA的过程称为的过程称为转录（转录（transcription）。经经转转录录生生成成的的RNA有有多多种种，主主要要的的是是rRNA，tRNA，mRNA，snRNA和和HnRNA等。等。转录转录RNADNA 复制和转录的区别 5.1 RNA5.1 RNA转录合成的特点转录合成的特点5.1 Characters of RNA Biosynthesis 转录（转录（transcription）的不对称性就是指以双）的不对称性就是指以双链链DNA中的一条链作为模板进行转录，从而中的一条链作为模板进行转录，从而将遗传信息由将遗传信息由DNA传递给传递给RNA。对对于于不不同同
31、的的基基因因来来说说，其其转转录录信信息息可可以以存存在在于两条不同的于两条不同的DNA链上。链上。一、转录的不对称性能够转录能够转录RNA的那条的那条DNA链称为链称为模板链模板链(template strand) ，也称作，也称作有意义链有意义链或或Watson链链。 与模板链互补的另一条与模板链互补的另一条DNA链称为链称为编码链编码链(coding strand)，也称为，也称为反义链反义链或或Crick链链。 模板链模板链编码链编码链5533555 5 3 3 3 3 5 5 模板链模板链编码链编码链编码链编码链模板链模板链转录方向转录方向转录方向转录方向模板链和编码链的相对性5GC
32、AGTACATGTC 33 c g t g a t g t a c a g 5编码链编码链模板链模板链mRNA5GCAGUACAUGUC 3转录转录NAla Val His Val C蛋白质蛋白质翻译翻译模板链、编码链与转录及翻译的关系RNA转录合成时，以转录合成时，以DNA作为模板，在作为模板，在RNA聚合酶的催化下，连续合成一段聚合酶的催化下，连续合成一段RNA链，各链，各条条RNA链之间无需再进行连接。链之间无需再进行连接。二、转录的连续性RNA转录合成时，只能向一个方向进行聚合，转录合成时，只能向一个方向进行聚合，所依赖的模板所依赖的模板DNA链的方向为链的方向为35，而，而RNA链的
33、合成方向为链的合成方向为53。 三、转录的单向性RNA转录合成时，只能以转录合成时，只能以DNA分子中的某一分子中的某一段作为模板，故存在特定的起始位点和特定段作为模板，故存在特定的起始位点和特定的终止位点。的终止位点。特定起始点和特定终止点之间的特定起始点和特定终止点之间的DNA链构成链构成一个一个转录单位转录单位，通常由转录区和有关的调节，通常由转录区和有关的调节顺序构成。顺序构成。 四、有特定的起始和终止位点5.2 5.2 参与转录合成的酶和蛋白因子参与转录合成的酶和蛋白因子5.2 Enzymes and Protein Factors for RNA Biosynthesis原料：原料
34、：NTP （ATP, UTP, GTP, CTP）。）。模板：模板：单链单链DNA。酶：酶：RNA聚合酶（聚合酶（DDRP，RNA-pol）。）。其他蛋白质因子：其他蛋白质因子：如转录因子、终止因子等。如转录因子、终止因子等。参与参与RNA转录合成的物质转录合成的物质这是一种不同于这是一种不同于引物酶引物酶的的依赖依赖DNA的的RNA聚聚合酶（合酶（DDRP）。该酶在单链该酶在单链DNA模板以及四种核糖核苷酸存模板以及四种核糖核苷酸存在的条件下，在的条件下，不需要引物不需要引物，即可从，即可从53聚合聚合RNA。 一、RNA聚合酶（DDRP）原核生物中的原核生物中的RNA聚合酶全酶由五个亚基构
35、成，聚合酶全酶由五个亚基构成，即即 2 。 亚基亚基与与转录起始点的识别转录起始点的识别有关，在转录合成有关，在转录合成开始后被释放；余下的部分（开始后被释放；余下的部分（ 2）被称为）被称为核心酶核心酶，与与RNA链的聚合链的聚合有关。有关。 （一）原核生物的RNA聚合酶核心酶核心酶 (core enzyme)全酶全酶 (holoenzyme) 原核生物RNA聚合酶的核心酶和全酶原核生物RNA聚合酶亚基的功能真核生物中的真核生物中的RNA聚合酶可按其对聚合酶可按其对 -鹅膏蕈碱鹅膏蕈碱的敏感性而分为三种，它们均由的敏感性而分为三种，它们均由1012个大小不个大小不同的亚基所组成，结构非常复杂
36、，其功能也不同的亚基所组成，结构非常复杂，其功能也不同。同。 （二）真核生物的RNA聚合酶RNARNA聚合酶聚合酶的分子结构的分子结构酵母酵母RNARNA聚合酶聚合酶和和的电子晶体图的电子晶体图在真核生物中，转录的起始过程较为复杂，现在真核生物中，转录的起始过程较为复杂，现已发现数百种蛋白因子与已发现数百种蛋白因子与RNA转录合成有关。转录合成有关。直接或间接参与转录起始复合体的形成的蛋白直接或间接参与转录起始复合体的形成的蛋白因子被称为因子被称为转录因子（转录因子（transcriptional factor, TF）。二、转录因子原核生物中的终止因子原核生物中的终止因子 蛋白蛋白是是一种六
37、聚体的蛋白质，亚基的一种六聚体的蛋白质，亚基的分子量为分子量为50kd。 蛋白蛋白能识别转录终止信号，并能识别转录终止信号，并与与RNA紧密结合，导致紧密结合，导致RNA的的释放。释放。三、终止因子三、终止因子5.3 RNA5.3 RNA转录合成的过程转录合成的过程5.3 The Process of RNA Biosynthesis（一）转录起始转录起始需解决两个问题：转录起始需解决两个问题：1.RNA聚合酶必须准确地结合在转录模板的起聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域。始区域。2.DNA双链解开，使其中的一条链作为转录的双链解开，使其中的一条链作为转录的模板。模板。原核生物转录过程在
38、原核生物中，若干功能相关的结构基因常在原核生物中，若干功能相关的结构基因常常串联在一起，由其上游的同一调控序列进常串联在一起，由其上游的同一调控序列进行调控，这种基因的组织形式称为行调控，这种基因的组织形式称为操纵子操纵子（operon）。）。1. 模板与酶的辨认识别：5 3 3 5 结构基因结构基因调控序列调控序列RNA-pol原核生物转录起始时，首先由原核生物转录起始时，首先由RNA聚合酶中的聚合酶中的 因子因子识别转录起始点，并促使核心酶结合形识别转录起始点，并促使核心酶结合形成全酶复合物。成全酶复合物。位于基因上游，与位于基因上游，与RNA聚合酶识别、结合并起聚合酶识别、结合并起始转录
39、有关的一些始转录有关的一些DNA调控序列被称为调控序列被称为启动子启动子（promoter）。开始转录开始转录(Pribnow box)T A T A A T Pu A T A T T A Py-10 区区1-30-5010-10-40-205 3 3 5 原核生物启动子的保守序列T T G A C AA A C T G T-35 区区RNA-pol辨认位点辨认位点(recognition site) 5 5 RNA聚合酶保守区聚合酶保守区结构基因结构基因3 3 被被RNA聚合酶辨认的区段就是位于转录起始点聚合酶辨认的区段就是位于转录起始点-35区区的的TTGACA序列序列。RNA聚合酶与该区
40、结合后，即滑动至聚合酶与该区结合后，即滑动至-10区区的的TATAAT序列序列（Pribnow盒），并启动转录盒），并启动转录。 RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合 DNA局部双链解开。局部双链解开。 RNA聚合酶全酶聚合酶全酶( 2)与模板结合。与模板结合。 在在RNA聚合酶作用下发生第一次聚合反应，聚合酶作用下发生第一次聚合反应，形成转录起始复合物。形成转录起始复合物。RNApol ( 2) - DNA - pppGpN- OH 3 转录起始复合物转录起始复合物:5 -pppG -OH + NTP 5 -pppGpN - OH 3 + ppi2. 转录的起始过程： 因子从全酶上脱离，余下的
41、核心酶继续沿因子从全酶上脱离，余下的核心酶继续沿DNA链移动，按照碱基互补原则，不断聚合链移动，按照碱基互补原则，不断聚合RNA。 1. 亚基脱落，亚基脱落，RNApol聚合酶核心酶变构，聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，沿着与模板结合松弛，沿着DNA模板前移；模板前移；2. 在在核心酶核心酶作用下，作用下，NTP不断聚合，不断聚合，RNA链不链不断延长。断延长。（二）转录延长(NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPiRNA转录的延长原核生物转录过程中的羽毛状现象RNA转录合成的终止机制有两种：转录合成的终止机制有两种： 1 1依赖依赖RhoRho因子的转录终止：因子的转录终止
42、：由终止因子（由终止因子（ 因子）识别特异的终止信因子）识别特异的终止信号，并促使号，并促使RNA的释放。的释放。（三）转录终止ATP依赖 Rho因子的转录终止模板模板DNA链在接近转链在接近转录终止点处存在相连录终止点处存在相连的富含的富含GC和和AT的区的区域，使域，使RNA转录产物转录产物形成寡聚形成寡聚U及发夹形及发夹形的二级结构，引起的二级结构，引起RNA聚合酶变构及移聚合酶变构及移动停止，导致动停止，导致RNA转转录的终止。录的终止。2非依赖Rho的转录终止：5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3 5
43、UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3 RNA 5 TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT. 3 DNA UUUUU. UUUU.5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3茎环(stem-loop)/发夹(hairpin)结构茎环结构使转录终止的机理 使使RNA聚合酶变构，转录停顿；聚合酶变构，转录停顿； 使转录复合物趋于解离，使转录复合物趋于解离，RNA产物释放。
44、产物释放。5.4 5.4 转录后修饰转录后修饰5.4 Post-transcriptional Modification 1 1加帽（加帽（adding capadding cap）：）：即在即在mRNA的的5-端加上端加上m7GTP的结构。此过程的结构。此过程发生在细胞核内，即发生在细胞核内，即HnRNA即可进行加帽。即可进行加帽。加工过程首先是在磷酸酶的作用下，将加工过程首先是在磷酸酶的作用下，将5-端的端的磷酸基水解，然后再加上鸟苷三磷酸，形成磷酸基水解，然后再加上鸟苷三磷酸，形成GpppN的结构，再对的结构，再对G进行甲基化。进行甲基化。 一、真核生物mRNAmRNA的转录后加工（一）
45、首、尾的修饰 Pi5 ppGp磷酸酶磷酸酶5 pppGp5 GpppGppppG ppi鸟苷酸鸟苷酸转移酶转移酶5 m7GpppGp甲基转移酶甲基转移酶SAM帽子结构的生成 2 2加尾（加尾（adding tailadding tail）：）：这一过程也是细胞核内完成，首先由核酸外这一过程也是细胞核内完成，首先由核酸外切酶切去切酶切去3-端一些过剩的核苷酸，然后再加端一些过剩的核苷酸，然后再加入入polyA。polyA结构与结构与mRNA的半寿期有关。的半寿期有关。 （二）（二）mRNAmRNA的剪接（的剪接（splicingsplicing）鸡卵清蛋白成熟鸡卵清蛋白成熟mRNA与与DNA杂交
46、电镜图杂交电镜图mRNADNA1. 断裂基因（splite gene）CABD编码区编码区 A、B、C、D非编码区非编码区真真核核生生物物结结构构基基因因，由由若若干干个个编编码码区区和和非非编编码码区区互互相相间间隔隔开开但但又又连连续续镶镶嵌嵌而而成成，去去除除非非编编码码区区再再连连接接后后，可可翻翻译译出出由由连连续续氨氨基基酸酸组组成的完整蛋白质，这些基因称为成的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因断裂基因。外显子外显子(exon)和内含子和内含子(intron) 外显子外显子在断裂基因及其初级转录产物上出在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟现，并表达为成熟RNA的核酸序列（结
47、构基因中的核酸序列（结构基因中能够指导多肽链合成的编码顺序）。能够指导多肽链合成的编码顺序）。内含子内含子隔断基因的线性表达而在剪接过程隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列（不能指导多肽链合成的非中被除去的核酸序列（不能指导多肽链合成的非编码顺序）。编码顺序）。n核内带有外显子和内含子编码序列的初级核内带有外显子和内含子编码序列的初级RNA转录产物称为转录产物称为杂化核杂化核RNA （hetero-nuclear RNA, hnRNA）。）。nhnRNA经剪接加工除去内含子编码序列并将经剪接加工除去内含子编码序列并将外显子编码序列连接起来才能形成成熟的外显子编码序列连接起来才能形成
48、成熟的mRNA。2. hnRNA和snRNA：nsnRNA为核内小为核内小RNA，富含尿嘧啶，故以，富含尿嘧啶，故以U作作分类和命名，如分类和命名，如U1、U2等。等。snRNA与核内蛋与核内蛋白质组装形成白质组装形成小核蛋白体小核蛋白体（snRNP），），参与参与hnRNAhnRNA的剪接加工的剪接加工。鸡卵清蛋鸡卵清蛋白基因白基因hnRNA首、尾修饰首、尾修饰hnRNA剪接剪接成熟的成熟的mRNA鸡卵清蛋白基因及其转录、转录后修饰二、二、tRNA的转录后加工的转录后加工主要有以下几种加工方式：主要有以下几种加工方式：1.切断。切断。2.剪接。剪接。3.3-末端末端-CCA序列添加。序列添加。4.化学修饰。化学修饰。tRNA前体前体RNA pol TGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNAtRNA前体的转录合成tRNA前体的切断和剪接加工tRNA3-末端-CCA序列的添加tRNA的碱基修饰（2）还原反应）还原反应 如：如：U DHU （3）核苷内的转位反应）核苷内的转位反应 如：如：U （4）脱氨反应）脱氨反应 如：如：A I 如：如：A Am（1）甲基化）甲基化（1 1）（1 1）（3 3）（2 2）（4 4）三、rRNArRNA的转录后加工rRNArRNA前体的转录和剪接加工前体的转录和剪接加工
