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1、这是位于甘肃省酒泉市阿克塞哈萨克族自治县县城西约这是位于甘肃省酒泉市阿克塞哈萨克族自治县县城西约50公里红柳公里红柳沟的柱廊状宫殿式丹霞地貌局部（沟的柱廊状宫殿式丹霞地貌局部（4月月20日摄）。日摄）。甘肃省酒泉市阿克塞哈萨克族自治县红柳沟的丹霞地貌呈南北走甘肃省酒泉市阿克塞哈萨克族自治县红柳沟的丹霞地貌呈南北走向、全长约向、全长约6公里，处在阿尔金山主峰脚下，以柱廊、宫殿等形状为公里，处在阿尔金山主峰脚下，以柱廊、宫殿等形状为主，壮观美丽，堪称鬼斧神工。主，壮观美丽，堪称鬼斧神工。这段丹霞地貌过去曾长期不被外界了解，这段丹霞地貌过去曾长期不被外界了解，2007年经有关丹霞地貌年经有关丹霞地貌
2、专家考察，确定其为柱廊状宫殿式丹霞地貌。专家考察，确定其为柱廊状宫殿式丹霞地貌。壮美的南极壮美的南极 第十七章第十七章RNA的生物合成的生物合成KeyTermstranscriptionRNA polymerasepromoter sitestranscription factorfootprintingconsensus sequencesigma subunittranscription bubblerho (r) proteinTATA boxenhancerpre-mRNA5 cappoly(A) tailRNA editingRNA splicingspliceosomesmall
3、nuclear RNA (snRNA)alternative splicingcatalytic RNAself-splicingIII. Synthesizing RNARNA的合成过程的合成过程 包括起始，延伸和终止三个部分包括起始，延伸和终止三个部分（RNARNA）n +NTP n +NTP （RNA）n +1 +PPi RNA RNA合成需要合成需要; ; 双链双链DNADNA 活化前提活化前提(NTP)(NTP) 镁离子或锰镁离子或锰离子离子 酶类酶类识别阶段；酶与启动子的结合识别阶段；酶与启动子的结合（全酶）（全酶）DNA链链的的局部打开局部打开.转录的起始阶段；转录的起始阶段；D
4、NA摸板和摸板和RNA碱基配对碱基配对RNA链的延长；链的延长；核心酶核心酶向前移动，向前移动，RNA链延链延长长.转录的终止；酶到达基因转录转录的终止；酶到达基因转录终点终点.新合成的新合成的RNA和和RNA聚合酶从聚合酶从DNA上脱落上脱落.Transcription Is Catalyzed by RNA PolymeraseWe begin our consideration of transcription by examining the process in bacteria such as E. coli. RNA polymerase from E. coli is a ve
5、ry large (400 kd) and complex enzyme consisting of four kinds of subunits .The subunit composition of the entire enzyme, called the holoenzyme, is a 2 b b s. The s subunit helps find a promoter site where transcription begins, participates in the initiation of RNA synthesis, and then dissociates fro
6、m the rest of the enzyme. RNA polymerase without this subunit (a 2 b b ) is called the core enzyme. The core enzyme contains the catalytic site. This catalytic site resembles that of DNA polymerase in that it includes two metal ions in its active form. One metal ion remains bound to the enzyme, wher
7、eas the other appears to come in with the nucleoside triphosphate and leave with the pyrophosphate. Three conserved aspartate residues of the enzyme participate in binding these metal ions. Note that the overall structures of DNA polymerase and RNA polymerase are quite different; their similar activ
8、e sites are the products of convergent evolution.一一 RNARNA聚合酶聚合酶1960-19611960-1961年发现，全酶分子量年发现，全酶分子量465000465000，有五种亚基，有五种亚基 组成，含有两个锌原子组成，含有两个锌原子全酶中无希格码亚基的酶称为核心酶，全酶中无希格码亚基的酶称为核心酶，核心酶只能使已开始的核心酶只能使已开始的RNARNA链延长，不具链延长，不具有起始合成有起始合成RNARNA的能力的能力希格码亚基称为起始亚基希格码亚基称为起始亚基 RNA RNA聚合酶的作用是合成一条与被转录的聚合酶的作用是合成一条与被转录
9、的DNADNA互补的反平行的互补的反平行的RNARNA链。链。RNARNA以以5 533方向合方向合成，而成，而RNARNA聚合酶沿着模板链聚合酶沿着模板链3 355方向移动。方向移动。 RNAPolymeraseStructures.The three-dimensional structures of RNA polymerases from a prokaryote(Thermus aquaticus) and a eukaryote (Saccharoromyces cerevisiae). The two largest subunits for each structureare
10、shown in dark red and dark blue. The similarity of these structures reveals that these enzymes have the sameevolutionary origin and have many mechanistic features in common.RNAChainsAreFormeddeNovoandGrowinthe5-to-3DirectionRNARNA聚合酶的组成聚合酶的组成二二 真核生物真核生物RNARNA聚合酶聚合酶RNARNA聚合酶聚合酶 I I: : 存在于核仁存在于核仁, , 转
11、录转录 28S,18S28S,18S, , 5.8S 5.8S rRNArRNA.RNARNA聚合酶聚合酶II: II: 存在于核质存在于核质, ,转录转录mRNA mRNA RNARNA聚合酶聚合酶III: III: 存在于核质存在于核质, ,转录转录tRNAtRNA和和 5SrRNA 5SrRNA结构含有结构含有8-148-14个亚基个亚基 转录泡转录泡三三 摸板链摸板链 负链负链 无意义链无意义链 非摸板链非摸板链 正链正链 有意义链有意义链DNAUnwinding.RNA polymerase unwinds about 17 base pairs of template DNA.Tr
12、anscriptionBubble.A schematic representation of a transcription bubble in the elongation of an RNAtranscript. Duplex DNA is unwound at the forward end of RNA polymerase and rewound at its rear end. The RNA-DNAhybrid rotates during elongation.四四 RNARNA聚合酶与聚合酶与启动子启动子的识别的识别启动子启动子(Promoter)(Promoter)Pro
13、karyoticPromoterSequences.A comparison of five sequences from prokaryotic promoters reveals arecurring sequence of TATAAT centered on position -10. The -10 consensus sequence (in red) was deduced from a largenumber of promoter sequences. The sequences are from the (A) lac, (B) gal, and (C) trp opero
14、ns of E. coli; (D) from lphage; and (E) from F C174 phage.III. SynthesizingThe first nucleotide (the start site) of a transcribed DNA sequence is denoted as +1 and the second one as +2; thenucleotide preceding the start site is denoted as -1. These designations refer to the coding strand of DNA. Rec
15、all that thesequence of the template strand of DNA is the complement of that of the RNA transcript (see Figure 5.26). In contrast,the coding strand of DNA has the same sequence as that of the RNA transcript except for thymine (T) in place of uracil(U). The coding strand is also known as the sense (+
16、) strand, and the template strand as the antisense (-) strand.启动子启动子在在RNARNA合成中用作模板的链称模板链或负合成中用作模板的链称模板链或负（- -）链。与模板链互补的）链。与模板链互补的DNADNA链称为非模板链链称为非模板链或正（或正（+ +）链。）链。非模板链与转录的非模板链与转录的RNARNA在碱基序在碱基序列上是一致的，只是列上是一致的，只是DNADNA中用中用T T代替了代替了U U。非模。非模板链有时又称为编码链板链有时又称为编码链，它在转录和蛋白质合，它在转录和蛋白质合成中没有直接功能。成中没有直接功能。R
17、NARNA合成中合成中转录起始点标转录起始点标上上+1+1，这个位点前面的碱基对标以负数，它们这个位点前面的碱基对标以负数，它们是不被转录的，而起始之后的碱基序列标以正是不被转录的，而起始之后的碱基序列标以正数。这里不设数。这里不设0 0数。数。5 5端方向端方向称上游称上游(up (up stream)stream)3 3端方向端方向称下游称下游(downstream)(downstream)根据习惯根据习惯是指非模板链中的序列。是指非模板链中的序列。实验证明，启动子序列中某些核苷酸是保守的，实验证明，启动子序列中某些核苷酸是保守的，即在大多数情况下它们都会出现，称为共有序即在大多数情况下它
18、们都会出现，称为共有序列。列。原核与真核生物启动子原核与真核生物启动子通常含有通常含有两个共有两个共有序列。序列。原核生物原核生物共有序列出现在共有序列出现在-10-10和和-35-35所以所以称称-10-10区和区和-35-35区。区。真核生物真核生物共有序列出现在共有序列出现在- -2525和和-75-75，分别称为，分别称为-25-25区（区（TATA boxTATA box或或HoghessHoghess box box）和）和-75-75区（区（CAAT boxCAAT box）。紧邻转）。紧邻转录起始点的共有序列是一个录起始点的共有序列是一个A/TA/T富含区富含区，它使，它使DN
19、ADNA双链容易局部解链双链容易局部解链。 五五 起起 始始1 1亚基与核心酶亚基与核心酶结合形成结合形成RNARNA聚合酶全酶。聚合酶全酶。2 2全酶以静电作用和启动子上游非特异性全酶以静电作用和启动子上游非特异性DNA DNA 结合。结合。3 3RNARNA聚合酶全酶沿聚合酶全酶沿DNADNA上下游动，包括共有序列在内与上下游动，包括共有序列在内与启动子特异性结合，启动子特异性结合，全酶结合后引起全酶结合后引起DNADNA片段部分解链片段部分解链伸展开约伸展开约11bp11bp（从（从-9+2-9+2）4 4酶与酶与ATPATP或或GTPGTP结合，结合的三磷酸核苷酸形成转录物结合，结合的
20、三磷酸核苷酸形成转录物的的5 5末端，刚结合上的三磷酸核苷末端，刚结合上的三磷酸核苷3 3OHOH与下一个核苷与下一个核苷酸生成磷酸酯键。所以真核和原核生物的转录作用以酸生成磷酸酯键。所以真核和原核生物的转录作用以A A或或G G开始。开始。5 5当全酶继续向下游移动，当全酶继续向下游移动，约有约有4 4个核苷酸与个核苷酸与ATPATP（GTPGTP）进行进行聚合。聚合。亚基从全酶上解离，亚基从全酶上解离，核心酶继续合成。核心酶继续合成。 新新RNARNA链生长方向是链生长方向是5 533，新合成的，新合成的RNARNA链与被转录链与被转录的的DNADNA链互补，反平行。链互补，反平行。Sig
21、maSubunitsofRNAPolymeraseRecognizePromoterSites六六 RNARNA链的延长链的延长RNARNA链的延长是链的延长是5 533方向，按碱基互补原则依次连接核方向，按碱基互补原则依次连接核苷酸，每秒合成最大速度为苷酸，每秒合成最大速度为5050个核苷酸个核苷酸，转录由启动子至转录由启动子至终止子终止子RNARNA聚合酶聚合酶全酶识别起始位点全酶识别起始位点，合成几个磷酸二酯键，希格，合成几个磷酸二酯键，希格玛亚基释出玛亚基释出核心酶继续催化核心酶继续催化，酶沿着酶沿着DNADNA摸板摸板35移动，移动，前面的前面的DNADNA双股渐打开，转录过的区域又
22、形成双股双股渐打开，转录过的区域又形成双股DNADNA。转录中转录中DNA双股中只有一股为摸板链双股中只有一股为摸板链5 5端是端是pppGpppG 或或 pppApppA 从头合成，第二个核苷酸就与从头合成，第二个核苷酸就与ATPATP（或（或GTPGTP）的）的3 3-OH-OH形成形成3 3，5 5- -磷酸二酯键磷酸二酯键继而参入继而参入RNARNA链。在参入核苷酸的过程中链。在参入核苷酸的过程中重复形成重复形成3 3，5 5- -磷酸二酯磷酸二酯键构键构成转录的延长阶段，此阶段成转录的延长阶段，此阶段RNARNA链不断延伸。链不断延伸。RNARNA聚合酶后面的聚合酶后面的DNADNA
23、恢复双螺旋结构，当到达恢复双螺旋结构，当到达DNADNA的一个特的一个特殊位点时，转录即停止。殊位点时，转录即停止。RNA聚合酶无校对功能聚合酶无校对功能故转录出现的误差是复制的故转录出现的误差是复制的10万倍。万倍。由于一个基因的转录产物很多因而可以耐受如此大的误差。由于一个基因的转录产物很多因而可以耐受如此大的误差。终止包括终止包括：停止停止RNARNA链的延长链的延长 新生新生RNARNA链的释放链的释放 RNA RNA聚合酶从聚合酶从DNADNA上释放上释放原核生物的终止子原核生物的终止子 原核生物的终止子在终止点之前均有一原核生物的终止子在终止点之前均有一个个回文结构回文结构，其产生
24、的，其产生的RNARNA可形成可形成发卡发卡结结构。在终点前还有构。在终点前还有一系列一系列U U, ,回文对称区回文对称区通常有一段富含通常有一段富含G-CG-C的序列。的序列。七七 RNARNA链的终止链的终止TerminationSignal.A termination signal found at the 3 end of an mRNA transcript consists of a seriesof bases that form a stable stem-loop structure and a series of U residues.大肠杆菌的两类终止子大肠杆菌的两类终
25、止子 依赖于依赖于rhorho( () )终止子；必须在终止子；必须在rhorho( () )存在下存在下发生终止。此类终止子其回文结构发生终止。此类终止子其回文结构不富含不富含G-CG-C区区, ,回文结构之后也回文结构之后也无寡聚无寡聚U U。 不依赖于不依赖于rhorho( () )终止子终止子( (简单终止子简单终止子) )；此类；此类终止子除能形成终止子除能形成发卡发卡结构外，在终点有结构外，在终点有6 6个个U U核核苷酸苷酸, ,回文对称去有一段回文对称去有一段富含富含G-CG-C序列。序列。 rhorho( (); ); 分质量为分质量为4600046000的蛋白质，通常以的蛋
26、白质，通常以6 6聚体的形式存在。在有聚体的形式存在。在有RNARNA存在时它能水解三存在时它能水解三磷酸腺苷，磷酸腺苷，rhorho( () )可沿可沿RNARNA链移动。有链移动。有rhorho( () )时合成时合成RNARNA链短。无链短。无rhorho( () )时合成时合成RNARNA链长。链长。E.coliE.coli的转录终止有两种机制的转录终止有两种机制不依赖不依赖rhorho因子的终止机制。因子的终止机制。 在在富含富含A/TA/T的的DNADNA基础上，前段还基础上，前段还富含富含G/CG/C的节段，的节段，富含富含G/CG/C的的RNARNA转录物转录物自身回折形成一种
27、发夹结构自身回折形成一种发夹结构。发。发夹结构的末端还有一连续夹结构的末端还有一连续U U碱基序列可与模板链碱基序列可与模板链A A碱基碱基序列互补，当序列互补，当RNARNA转录物形成发夹结构，迫使聚合酶暂转录物形成发夹结构，迫使聚合酶暂时停止作用。时停止作用。依赖依赖rho(rho(蛋白蛋白) ) 因子的终止机制。因子的终止机制。 在无在无A/TA/T和和G/CG/C富含节段发生的，富含节段发生的，需需rhorho参加参加，rhorho因子是由相同的因子是由相同的6 6个亚基组成的寡聚蛋白质。个亚基组成的寡聚蛋白质。 rhorho蛋白蛋白只有在单链只有在单链RNARNA存在的情况下水解存在
28、的情况下水解ATPATP与新生单链与新生单链RNARNA结结合。合。 rhorho蛋白的蛋白的ATPATP酶活性使酶活性使rhorho蛋白沿新生蛋白沿新生RNARNA链转录链转录泡单方向移动。将泡单方向移动。将RNARNADNADNA分开，终止转录。分开，终止转录。 Effectofrhorho ProteinOntheSizeofRNATranscripts.MechanismFortheTerminationofTranscriptionbyr Protein.This protein is an ATP-dependenthelicase that binds the nascent R
29、NA chain and pulls it away from RNA polymerase and the DNA template.八八 RNARNA生物合成的抑制剂生物合成的抑制剂嘌呤和嘧啶的类似物嘌呤和嘧啶的类似物 人工合成的碱基类似物人工合成的碱基类似物DNADNA摸板功能的抑制物摸板功能的抑制物 烷化物烷化物 放线菌素放线菌素 嵌入染料嵌入染料 RNARNA聚合酶的抑制物聚合酶的抑制物 利福酶素利福酶素 利链菌素利链菌素九九 RNARNA转录后加工转录后加工转录后的转录后的RNARNA最初是以一种完全最初是以一种完全没有活没有活性的性的形式存在，称为形式存在，称为初级转录物初级转录
30、物（primarytranscriptprimarytranscript）。这种初级转）。这种初级转录物需要进行转录后加工，使之转变录物需要进行转录后加工，使之转变成有成有活性和成熟的活性和成熟的RNARNA。转录后的加工转录后的加工包含包含3 3种共有的分子变化：种共有的分子变化：1 1从初级转从初级转录物上移去核苷酸；录物上移去核苷酸；2 2给转录物添加上给转录物添加上核苷酸；核苷酸；3 3转录物中特殊碱基的修饰。转录物中特殊碱基的修饰。 原核生物的原核生物的rRNArRNA 的加工的加工 真核生物的真核生物的rRNArRNA 的加工的加工 原核生物的原核生物的tRNAtRNA的加工的加工
31、 原核生物的原核生物的mRNAmRNA的的 加工加工真核生物的真核生物的mRNAmRNA的的 加工加工核糖体核糖体RNARNA（rRNArRNA）前体和转移）前体和转移RNARNA（tRNAtRNA）前体的加工）前体的加工1原核生物的原核生物的rRNArRNA前体沉降系数是前体沉降系数是30S30S含有一个拷贝含有一个拷贝的的5S5S，16S16S，23S 23S rRNArRNA和几个和几个tRNAtRNA前体前体。2 2真核生物的真核生物的rRNArRNA前体沉降系数为前体沉降系数为3547S3547S，含有一个，含有一个拷贝的拷贝的5.8S5.8S，18S18S和和28SrRNA28Sr
32、RNA。第四个真核。第四个真核rRNArRNA即即5SRNA5SRNA只有一个单独的前体。只有一个单独的前体。经经RNARNA酶切割前导序列成为成熟酶切割前导序列成为成熟的核糖体的核糖体RNARNA。3 3原核和真核的原核和真核的tRNAtRNA的转录过程也是先合成大的前体。的转录过程也是先合成大的前体。大多数真核大多数真核tRNAtRNA前体在反密码子附近有一个内含子，前体在反密码子附近有一个内含子，并含有前导序列。经专一的核酸酶连续作用将它们切并含有前导序列。经专一的核酸酶连续作用将它们切除，除，用用CCA-OHCCA-OH替代替代3 3端端UUUU后而成为成熟的后而成为成熟的tRNAtR
33、NA。PrimaryTranscript.Cleavage of this transcript produces 5S, 16S, and 23S rRNA molecules and a tRNAmolecule. Spacer regions are shown in yellow.酵母移去酵母移去14个核苷酸个核苷酸前导序列前导序列TransferRNAPrecursorProcessing.The conversion of a yeast tRNA precursor into a mature tRNArequires the removal of a 14-nucleotide
34、 intron (yellow), the cleavage of a 5 leader (green), and the removal of UU andthe attachment of CCA at the 3 end (red). In addition, several bases are modified.核酸酶核酸酶核酸酶P P是专一的核糖核酸酶。催化大多数是专一的核糖核酸酶。催化大多数tRNAtRNA 前提产生分子的前提产生分子的5 5端（切除前导序列端（切除前导序列形成形成pG）。）。由由-RNA-RNA分子（分子（377377核苷酸）和一核苷酸）和一个蛋白质分子组成，保持
35、完整的酶活性两者都个蛋白质分子组成，保持完整的酶活性两者都需要。但需要。但催化亚基是催化亚基是RNARNA而不是蛋白质，蛋白而不是蛋白质，蛋白质只起保持质只起保持RNARNA正确折叠和最大的催化活性正确折叠和最大的催化活性。核酸酶核酸酶P P（ribozymeribozyme）是一种具有工具酶一样）是一种具有工具酶一样催化活性的核酸。催化活性的核酸。mRNA的加工的加工1原核原核mRNAmRNA不进行加工，转录和翻译偶联同时进行。不进行加工，转录和翻译偶联同时进行。2 2真核生物真核生物mRNAmRNA初级转录物要经过剪接外显子、戴帽、多聚腺苷初级转录物要经过剪接外显子、戴帽、多聚腺苷酸化等加
36、工过程。酸化等加工过程。a. a. 外显子剪接外显子剪接 许多真核基因是以不连续基因或割裂基因出现。有些许多真核基因是以不连续基因或割裂基因出现。有些序列戴有遗传信息，序列戴有遗传信息，为为RNARNA节段编码，称为外显子节段编码，称为外显子，有些序列不，有些序列不为为RNARNA编码，但含有某些调控成分，编码，但含有某些调控成分，这种插入的序列称为内含子。这种插入的序列称为内含子。内含子将一个外显子与另一个外显子分隔开内含子将一个外显子与另一个外显子分隔开，mRNAmRNA前体中存在前体中存在内含子和外显子的相应序列。内含子和外显子的相应序列。加工过程主要是切除内含子后连加工过程主要是切除内
37、含子后连接外显子。接外显子。它是由核内小它是由核内小RNARNA（snRNAsnRNA）和核内小核糖核糖白）和核内小核糖核糖白（snRNPsnRNP）聚集形成专一性很差的复合物，称剪接体。剪接体通）聚集形成专一性很差的复合物，称剪接体。剪接体通过自身的过自身的snRNAsnRNA和转录物之间碱基互补来识别剪接位点。和转录物之间碱基互补来识别剪接位点。b.mRNA5mRNA5端戴帽和端戴帽和3 3端加尾端加尾 真核真核mRNAmRNA需要进行两种修饰。需要进行两种修饰。在在5 5端加一甲基化帽子端加一甲基化帽子和在和在 3 3端加上多聚腺苷端加上多聚腺苷酸（酸（poly Apoly A）尾。转录
38、进行时）尾。转录进行时5 5末端的修末端的修饰作用就立即开始，构成共转录加工加帽饰作用就立即开始，构成共转录加工加帽反应分四步进行。反应分四步进行。真核真核mRNAmRNA合成后需要在合成后需要在3 3-OH-OH端加上一个端加上一个poly Apoly A尾巴尾巴。核酸内切酶。核酸内切酶从从mRNAmRNA前体的高度保守的前体的高度保守的AAUAAAAAUAAA切割信号切割信号下游下游10301030个核苷酸的位点进行酶切，然后个核苷酸的位点进行酶切，然后在聚腺苷酸酶催化下加上在聚腺苷酸酶催化下加上poly Apoly A。poly Apoly A可保护可保护mRNAmRNA的的3 3- -
39、末端不会被核酸酶降解，末端不会被核酸酶降解，并有助于并有助于mRNAmRNA从细胞投向胞浆转移。从细胞投向胞浆转移。Cappingthe5End.Caps at the 5 end of eukaryotic mRNA include 7-methylguanylate (red) attached by a triphosphate linkage to the ribose at the 5 end. None of the riboses are methylated in cap 0, one is methylated in cap 1,and both are methylated
40、 in cap 2.PolyadenylationofaPrimaryTranscript.A specific endonuclease cleaves the RNA downstream ofAAUAAA. Poly(A) polymerase then adds about 250 adenylate residues. 帽子结构常被甲基化 Cap 0 Cap 1 Cap 2 m7G-5m7G-5-PPP-5-PPP-5-Nm-Nm帽子的功能使mRNA免遭核酸酶的破坏能使mRNA与核糖体小亚基结合,开始合成 蛋白质被蛋白质合成的起始因子识别,促进蛋白质 合成 绝大多数真核生物mRNA具
41、Poly A尾巴功能mRNA进入细胞质所必须？ 提高mRNA在细胞质中的稳定性真核生物mRNA的拼接真核生物mRNA的甲基化修饰cDNA真核生物真核生物mRNA的加工的加工转录含有外显子和内含子的转录含有外显子和内含子的mRNAmRNA的前体的前体（hnRNAhnRNA）切除内含子切除内含子5 5端帽子结构和端帽子结构和3 3端多聚端多聚A A的结构的结构RNAPolymeraseStructures.The three-dimensional structures of RNA polymerases from a prokaryote(Thermus aquaticus) and a eukaryote (Saccharoromyces cerevisiae). The two largest subunits for each structureare shown in dark red and dark blue. The similarity of these structures reveals that these enzymes have the sameevolutionary origin and have many mechanistic features in common.
