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1、第十一章 RNA的生物合成 (转录)Chapter 11 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传信信息息传传递递给给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 复制和转录的区别复制和转录的区别 第一节 RNA转录合成的特点Section 1 Characters of RNA
2、 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，从而将中的一条链作为模板进行转录，从而将遗传信息由遗传信息由DNA传递给传递给RNA。对对于于不不同同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于两条不同的两条不同的DNA链上。链上。一、转录的不对称性一、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
3、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模板链和编码链的相对性5GCAGTACATGTC 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
4、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，各条链，各条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链的合成方向为链的合成方向为53。 三、转录的单向性三、转录的单向性RNA转录合成时，只能以转录合成时，只能以DNA分子中的某一段分子中的某一段作为模板，故存在特定的起始位点和特定的终作为模板，故存在特定的起始位点和特定的终止位点。止位点。特定起始点和特定终止点之间的特
5、定起始点和特定终止点之间的DNA链构成一链构成一个个转录单位转录单位，通常由转录区和有关的调节顺序，通常由转录区和有关的调节顺序构成。构成。 四、有特定的起始和终止位点四、有特定的起始和终止位点第二节 参与转录合成的酶和蛋白因子Section 2 Enzymes and Protein Factors for RNA Biosynthesis原料：原料：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转录转
6、录合成合成的物质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聚合聚合酶（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在模板以及四种核糖核苷酸存在的条件下，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、一、RNARNA聚合酶（聚合酶（DDRPDDRP）原核生物中的原核生物中的RNA聚合酶全酶由五个亚基构成，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，在转录合成开有关，在转录合成开始后被释放；余下的部分（始后被释放；余下的部分（ 2）被称为）被称为核核心酶心酶，与与RNA链的
7、聚合链的聚合有关。有关。 （一）原核生物的（一）原核生物的RNARNA聚合酶聚合酶核心酶核心酶 (core enzyme)全酶全酶 (holoenzyme) 原核生物原核生物RNARNA聚合酶的核心酶和全酶聚合酶的核心酶和全酶原核生物原核生物RNARNA聚合酶亚基的功能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的敏感性而分为三种，它们均由敏感性而分为三种，它们均由1012个大小不同个大小不同的亚基所组成，结构非常复杂，其功能也不同。的亚基所组成，结构非常复杂，其功能也不同。 （二）真核生物的（二）真核生物的RNARNA聚合酶聚合酶RNARN
8、A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，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现已发现数百种蛋白因子与RNA转录合成有转录合成有关。关。凡是与基因表达调控相关的蛋白因子统称为凡是与基因表达调控相关的蛋白因子统称为反式作用因子（反式作用因子（transacting factor）。二、转录因子二、转录因子在反式作用因子中，直接或间接参与转录起始在反式作用因子中，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复合体的形成的蛋白因子被称为转录因子转录因子（transcription
9、al factor, TF）。不同的不同的RNA聚合酶存在相应的转录因子，如与聚合酶存在相应的转录因子，如与RNA聚合酶聚合酶相关的转录因子相关的转录因子包括包括 TFA，TFB，TFD，TFE，TFF，TFH等。等。真核真核生物生物RNARNA聚合酶聚合酶转录因子及其功能转录因子及其功能原核生物中的终止因子原核生物中的终止因子 蛋蛋白白是一种六聚体的蛋白质，是一种六聚体的蛋白质，亚基的分子量为亚基的分子量为50kd。 蛋白蛋白能识别转录终止信号，能识别转录终止信号，并与并与RNA紧密结合，导致紧密结合，导致RNA的释放。的释放。三、终止因子三、终止因子第三节 RNA转录合成的过程Sectio
10、n 3 The Process of RNA Biosynthesis（一）转录起始（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。一、原核生物的转录过程一、原核生物的转录过程在原核生物中，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（
11、operon）。）。1. 1. 模板与酶的辨认识别：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-polDNA分子中参与转录调控的序列统称为分子中参与转录调控的序列统称为顺式作顺式作用元件（用元件（cis-acting element）。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
12、子启动子（promoter）。启动子序列通常由一些带共性的保守序列构成。启动子序列通常由一些带共性的保守序列构成。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聚合酶保护区聚合酶保护区结构基因结构基因3 3 原核生物转录起始区的一致性序列原核生物转录起始区的一致性序列被被RNA聚合酶辨认的区段就
13、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。 RNARNA聚合酶全酶在转录起始区的结合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
14、起始复合物:5 -pppG -OH + NTP 5 -pppGpN - OH 3 + ppi2. 2. 转录的起始过程：转录的起始过程： 因子从全酶上脱离，余下的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（二）转录延长(NMP) n + NTP (NMP) n+
15、1 + PPiRNARNA转录的延长转录的延长转录空泡转录空泡(transcription bubble)(transcription bubble)的形成的形成原核生物转录过程中的羽毛状现象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：由终止因子（由终止因子（ 因子）识别特异的终止信号，因子）识别特异的终止信号，并促使并促使RNA的释放。的释放。（三）转录终止（三）转录终止ATP依赖依赖 RhoRho因子的转录终止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的录终止点处
16、存在相连的富含富含GC和和AT的区域，的区域，使使RNA转录产物形成转录产物形成寡聚寡聚U及发夹形的二级及发夹形的二级结构，引起结构，引起RNA聚合聚合酶变构及移动停止，导酶变构及移动停止，导致致RNA转录的终止。转录的终止。2 2非依赖非依赖RhoRho的转录终止：的转录终止：5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3 5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3 RNA 5 TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGT
17、GACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT. 3 DNA UUUUU. UUUU.5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3茎环茎环(stem-loop)/(stem-loop)/发夹发夹(hairpin)(hairpin)结构结构茎环结构使转录终止的机理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。产物释放。二、真核生物的转录过程二、真核生物的转录过程1. 1. 转录起始的上游区段：转录起始的上游区段：真核生物的转
18、录起始点上游真核生物的转录起始点上游-25bp区区也存在一也存在一段富含段富含TA的顺序，被称为的顺序，被称为Hogness盒盒或或TATA盒盒，通常认为是启动子的核心序列。，通常认为是启动子的核心序列。（一）转录起始（一）转录起始除此之外，在真核生物中还可见到其他带共性除此之外，在真核生物中还可见到其他带共性的序列，如的序列，如CAAT盒盒及及GC盒盒等。等。在远离受控基因处存在的，能够增强基因转录在远离受控基因处存在的，能够增强基因转录活性的调控序列称为活性的调控序列称为增强子（增强子（enhancer）。真核生物启动子保守序列真核生物启动子保守序列真核生物转录起始时，首真核生物转录起始时
19、，首先由先由TFD的的TBP亚基识亚基识别并结合别并结合TATA盒，然后盒，然后在其他转录因子的配合下，在其他转录因子的配合下，与与RNA聚合酶聚合酶组装形组装形成转录起始前复合物成转录起始前复合物(pre-initiation complex, PIC)。2. 2. 转录起始过程：转录起始过程：RNA聚合酶聚合酶催化第一个磷酸二酯键形成。催化第一个磷酸二酯键形成。RNA聚合酶聚合酶的的羧基末端结构域羧基末端结构域（CTD）被磷）被磷酸化修饰，大部分转录因子脱离，聚合酶向下酸化修饰，大部分转录因子脱离，聚合酶向下游移动延伸游移动延伸RNA链。链。（二）转录延长（二）转录延长真核生物转录延长真核
20、生物转录延长过程与原核生物类过程与原核生物类似，但由于存在核似，但由于存在核小体的高级结构，小体的高级结构，故在转录延长过程故在转录延长过程中可观察到核小体中可观察到核小体移位和解聚现象。移位和解聚现象。（三）转录终止（三）转录终止真核生物转录终止与转录后修饰，即真核生物转录终止与转录后修饰，即poly A尾尾巴结构的添加密切相关。巴结构的添加密切相关。在在poly A修饰位点的下游存在一组共同序列修饰位点的下游存在一组共同序列AATAAA和和GTGTGT，为转录终止的识别，为转录终止的识别修饰位点。修饰位点。在转录越过修饰点后，在转录越过修饰点后，RNA链在修饰点处被切链在修饰点处被切断，随
21、即进行加帽和加尾修饰。断，随即进行加帽和加尾修饰。真核生物真核生物RNARNA的转录终止的转录终止5 -AAUAAA-5 -AAUAAA-核酸酶核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAA GTGTGTG转录终止的修饰点转录终止的修饰点5 5 3 3 3 3 加尾加尾AAAAAAA 3 mRNA第四节 真核生物的转录后修饰Section 4 Post-transcriptional Modification in Eukaryote 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。此过的结构。此过程发生在细胞核内，即程
22、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、真核生物一、真核生物mRNAmRNA的转录后加工的转录后加工（一）首、尾的修饰（一）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帽子结构的生成帽子结构的生成 2 2加尾（加尾（adding tailaddin
23、g tail）：）：这一过程也是细胞核内完成，首先由核酸外切这一过程也是细胞核内完成，首先由核酸外切酶切去酶切去3-端一些过剩的核苷酸，然后再加入端一些过剩的核苷酸，然后再加入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杂交电镜图杂交电镜图mRNADNA1. 1. 断裂基因（断裂基因（splitesplite gene 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
24、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成的的完完整蛋白质，这些基因称为整蛋白质，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（
25、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）。内含子的分类内含子的分类 I：主主要要存存在在于于线线粒粒体体、叶叶绿绿体体及及某某些些低低等等真真核生物的核生物的 rRNA基因；基因；II：也也发发现现于于线线粒粒体体、叶叶绿绿体体，转转录录产产物物是是mRNA；根据基因的类型和剪接的方式，通常把内含子根据基因的类型和剪接的方式，通常把内含子分为分为4类。类。III：是是常常见见的的形形成成套套索索结结构构后后剪剪接接，大大多多数数mRNA基因有此类内含子；基因有此类内含子； IV：是是tRNA基基因因及及其其初初级级转转录录产产物物中中的的内内含含子
26、，剪接过程需酶及子，剪接过程需酶及ATP。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）。）。hnRNA经剪接加工除去内含子编码序列并将外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显子编码序列连接起来才能形成成熟的mRNA。2. 2. hnRNAhnRNA和和snRNAsnRNA：snRNA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
27、组装形成小核蛋白体小核蛋白体（snRNP），参与），参与hnRNA的剪接加工。的剪接加工。3. 3. hnRNAhnRNA的剪接过程：的剪接过程： snRNP与与hnRNA结合成为剪接体。结合成为剪接体。 剪接体结构调整，剪接体结构调整，U2和和U6形成催化中心，发形成催化中心，发生转酯反应。生转酯反应。UpAGpU外显子外显子1内含子内含子外显子外显子2pG-OH(ppG-OH, pppG-OH)U-OHGpUpGpA第一次转酯反应第一次转酯反应第二次转酯反应第二次转酯反应G-OHUpUpGpA剪接过程的二次转酯反应剪接过程的二次转酯反应鸡卵清蛋鸡卵清蛋白基因白基因hnRNA首、尾修饰首、尾
28、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、转录后修饰鸡卵清蛋白基因及其转录、转录后修饰 RNA编辑作用说明，基因的编码序列经过转录后加工，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是可有多用途分化的，因此也称为分化加工(differential RNA processing)。4. mRNA4. mRNA的编辑（的编辑（mRNA editingmRNA editing）人类人类apo B基因基因 mRNA（14500个核苷酸）个核苷酸）肝肝apo B100（分子量为分子量为500 000）肠道细胞肠道细胞apo B48（分子量为分
29、子量为240 000）mRNA编辑编辑二、二、tRNAtRNA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 TGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNAtRNAtRNA前体的转录合成前体的转录合成tRNAtRNA前体的切断和剪接加工前体的切断和剪接加工tRNA3-tRNA3-末端末端-CCA-CCA序列的添加序列的添加tRNAtRNA的碱基修饰的碱基修饰（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
30、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、三、rRNArRNA的转录后加工的转录后加工rRNArRNA前体的转录和剪接加工前体的转录和剪接加工四、核酶四、核酶具有催化活性的具有催化活性的RNA称为核酶。称为核酶。核酶核酶(ribozyme)四膜四膜虫虫rRNA内含子的二内含子的二级级结构结构四膜虫四膜虫rRNArRNA的剪接采用自身剪接方式的剪接采用自身剪接方式5-端核苷酸序列端核苷酸序列四膜虫前四膜虫前rRNArRNA的自身剪接过程的自身剪接过程最简单的核酶二级结构最简单的核酶二级结构锤头结构锤头结构(hammerhead structure)底物部分底物部分通常为通常为60个核苷酸左右个核苷酸左右同同一一分分子子上上包包括括有有催催化化部份和底物部份部份和底物部份 催催化化部部份份和和底底物物部部份份组组成锤头结构成锤头结构 核酶研究的意义核酶研究的意义核酶的发现，对中心法则作了重要补充；核酶的发现，对中心法则作了重要补充；核酶的发现是对传统酶学的挑战；核酶的发现是对传统酶学的挑战；利用核酶的结构设计合成人工核酶利用核酶的结构设计合成人工核酶 。
