1、 RNA Biosynthesis (Transcription)The biochemistry and molecular biology department of CMURNA 生物合成生物合成 (转录转录)第十一章第十一章转录（转录（transcription） 生物体以生物体以DNA为模板合成为模板合成RNA的过程的过程 。 转录转录RNADNA 转录与复制的相似点：转录与复制的相似点：1. 模板均为模板均为DNA；2. 延长机理都是形成磷酸二酯键；延长机理都是形成磷酸二酯键；3. 方向均为方向均为53。 转录和复制的区别转录和复制的区别复制复制转录转录模板模板DNA双双链链DNA
2、的的一条一条链链原料原料dNTP (N=A、G、C、T)NTP(N=A、G、C、U)引物引物需要需要不不需要需要酶酶DNA聚合酶聚合酶RNA聚合酶聚合酶产物产物DNARNA配对配对A-T、G-CA-U、T-A、G-C参与转录的物质参与转录的物质原料原料: NTP（ATP, UTP, GTP, CTP）模板模板: DNA酶酶: RNA聚合酶（聚合酶（RNA polymerase, RNA-pol）其他蛋白质因子其他蛋白质因子 第一节第一节转录的模板和酶转录的模板和酶Templates of Transcription and Enzymes 一、转录模板一、转录模板5335结构基因（struct
3、ural gene） 双链双链DNA分子中能作为模板转录出分子中能作为模板转录出RNA的那条链，称为的那条链，称为模板链模板链。又叫有意。又叫有意义链（义链（sense strand）或）或Watson链。链。另一条互补链称为另一条互补链称为编码链编码链，又叫反，又叫反义链（义链（antisense strand）或）或 Crick链。链。 转录产物转录产物RNA的碱基序列，除了的碱基序列，除了 T 变变U 外，其余与编码链相同。外，其余与编码链相同。G C A G T A C A T G T C533C G T C A T G T A C A G5DNA模板链编码链转录RNAG C A G
4、U A C A U G U C53 不对称转录不对称转录(asymmetric transcription) 在在DNA分子双链上某一区段，一股链分子双链上某一区段，一股链可转录，另一股链不转录；可转录，另一股链不转录； 模板链并非永远在同一单链上。模板链并非永远在同一单链上。 二、二、RNA聚合酶（聚合酶（DDRP）1. 原核生物的原核生物的RNA聚合酶聚合酶E.coli的的RNA聚合酶是由四种亚基聚合酶是由四种亚基组成的六聚体（组成的六聚体（ 2 ）核心酶（core enzyme）全酶（holoenzyme） RNA聚合酶全酶及核心酶电泳图谱聚合酶全酶及核心酶电泳图谱 E. coli RN
5、A聚合酶组分聚合酶组分亚基亚基分子量分子量功功 能能 3651236512决定哪些基因被转录决定哪些基因被转录 150618150618催化功能催化功能 155613155613结合结合DNADNA模板模板 7026370263辨认起始点辨认起始点 其他原核生物的其他原核生物的RNA聚合酶，在结构、聚合酶，在结构、组成、功能上均与组成、功能上均与E.coli相似。相似。原核生物的原核生物的 RNA聚合酶都受一类抗聚合酶都受一类抗结核药结核药利福平利福平或或利福霉素利福霉素的特异性抑制。的特异性抑制。这类药物能与这类药物能与RNA聚合酶的聚合酶的 亚基特异结亚基特异结合，从而影响酶的活性。合，从
6、而影响酶的活性。RNA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 2.2. 真核生物的真核生物的RNARNA聚合酶聚合酶种类种类IIIIII转录产物转录产物45S-rRNAhnRNA5S-rRNAtRNA, snRNA对鹅膏蕈对鹅膏蕈碱的反应碱的反应不敏感不敏感极敏感极敏感中度敏感中度敏感 RNA聚合酶聚合酶、都由多个都由多个亚基组成。有些亚基是三种酶所共有。亚基组成。有些亚基是三种酶所共有。mRNA是各种是各种RNA中寿命最短、中寿命最短、最不稳定的，需经常重新合成。因此最不稳定的，需经常重新合成。因此RNA聚合酶聚合酶是三种酶中最活跃的是三种酶中最活跃的。 三、酶与模板的辨认
7、结合三、酶与模板的辨认结合原核生物一个转录区段可视为一个转原核生物一个转录区段可视为一个转录单位，称为录单位，称为操纵子操纵子(operon)，包括若干个，包括若干个结构基因结构基因及其上游及其上游(upstream)的的调控序列调控序列。 RNA聚合酶结合模板聚合酶结合模板DNA的部位称为的部位称为启动子启动子(promoter)。是调控转录的关键部位。是调控转录的关键部位。5335调控序列结构基因启动子RNA-pol RNA聚合酶聚合酶保护法保护法开始转录开始转录T T G A C AA A C T G T-35 区区T A T A A T Pu A T A T T A Py-10 区区1
8、-30-5010-10-40-205 3 3 5 原核生物启动子保守序列原核生物启动子保守序列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 N17TTAACTN7AN16TATGATN7AN17TATGTTN6AN16TATAATN7AN18TACTGTN6ATTTACATTTACATTGACATTGATACTGACGtrptRNATrplacrec Aara区区3510+1最大一致性TTGACATATAATx/4538 36 2937 37 2840 25 3041 29 44 原核生物启动子原核生物启动子35区：区：一致性序列为一致性序列为TTGACA是是RNA-pol的的
9、辨认位点辨认位点10区：区：一致性序列为一致性序列为TATAAT又叫又叫Pribnow盒盒是是RNA-pol的的结合位点结合位点 真核生物启动子真核生物启动子结构基因GCGCCAATTATA内含子外显子外显子转录起始CAAT盒GC盒增强子顺式作用元件TATA盒 (Hogness box) 第二节第二节转录过程转录过程The Process of Transcription 分为三个阶段：分为三个阶段：起始起始(initiation)延长延长(elongation)终止终止(termination)一、原核生物的转录过程一、原核生物的转录过程（一）转录起始（一）转录起始 1. RNA聚合酶结合在
10、转录模板的起始区聚合酶结合在转录模板的起始区域。域。2. DNA双链解开，以一条链为模板，合双链解开，以一条链为模板，合成第一个磷酸二酯键。成第一个磷酸二酯键。2. DNA双链解开。双链解开。1. RNA聚合酶全酶聚合酶全酶( 2)与模板结合。与模板结合。 3. 在在RNA聚合酶作用下发生第一次聚合反聚合酶作用下发生第一次聚合反应，形成转录起始复合物。应，形成转录起始复合物。5 -pppG -OH + NTP 5 -pppGpN - OH 3 + PPi转录起始过程转录起始过程 RNApol ( 2) - DNA - pppGpN- OH 3 转录起始复合物转录起始复合物（二）转录延长（二）转
11、录延长1. 亚基脱落，亚基脱落，RNApol聚合酶核心酶变聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，沿着构，与模板结合松弛，沿着DNA模板前模板前移；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链不断延长。链不断延长。(NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPi 转录泡转录泡（transcription bubble）： 在转录延长过程中，由局部打开的在转录延长过程中，由局部打开的DNA双链双链、RNA聚合酶核心酶聚合酶核心酶及新生成及新生成的的RNA三者结合在一起的复合体，为空三者结合在一起的复合体，为空泡状结构，又称转录复合物。泡状结构，又称转录复合物
12、。 电镜下原核生物转录过程中的羽毛状现象电镜下原核生物转录过程中的羽毛状现象 转录未完成，翻译已开始进行。转录未完成，翻译已开始进行。 转录的起始及延长过程转录的起始及延长过程 (三三) 转录终止转录终止RNA聚合酶在聚合酶在DNA模板上停顿下模板上停顿下来，转录产物来，转录产物RNA链从转录复合物上脱链从转录复合物上脱落下来。落下来。 分类：分类： 依赖依赖Rho ()因子的转录终止因子的转录终止 非依赖非依赖Rho因子的转录终止因子的转录终止 1. 依赖依赖因子的转录终止因子的转录终止 因子是同六聚体蛋白；因子是同六聚体蛋白； 因子能结合因子能结合RNA，与，与poly C的结合力最的结合
13、力最强；强； 因子还有因子还有ATP酶和解螺旋酶的活性。酶和解螺旋酶的活性。 2. 不依赖不依赖因子的转录终止因子的转录终止DNA模板上靠近终止处，有特殊的碱模板上靠近终止处，有特殊的碱基序列，转录出基序列，转录出RNA后，后，RNA产物形成特产物形成特殊的结构来终止转录。殊的结构来终止转录。 茎环结构终止转录的机理茎环结构终止转录的机理 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产物释产物释放。放。 二、真核生物的转录过程二、真核生物的转录过程（一）转录起始（一）转录起始真核生物的转录起始上游区段比原核真核生物的转录起始上游区段
14、比原核生物多样化，转录起始时，生物多样化，转录起始时，RNA-pol不不直接结合模板，其起始过程比原核生物直接结合模板，其起始过程比原核生物复杂。复杂。转录起始点转录起始点TATA盒盒CAAT盒盒GC盒盒 增强子增强子顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element)1. 转录起始前的上游区段转录起始前的上游区段 AATAAA切离加尾切离加尾 转录终止点转录终止点 修饰点修饰点 外显子外显子 翻译起始点翻译起始点内内含含子子 OCT-1 OCT-1：ATTTGCAT八聚体八聚体2. 转录因子转录因子 能直接或间接辨认和结合转录上游区能直接或间接辨认和结合转录上游区段段DNA的蛋白
15、质，统称为的蛋白质，统称为反式作用因子反式作用因子(trans-acting factors)。 反式作用因子中，直接或间接结合反式作用因子中，直接或间接结合RNA聚合酶的，则称为聚合酶的，则称为转录因子转录因子(trans-criptional factors, TF)。 参与参与RNA-pol 转录的转录的TF 转录因子转录因子亚基和亚基和(或或)分子分子量（量（kDa）功能功能TFDTBP，38结合结合TATA盒盒TAF辅助辅助TBP-DNA结合结合TFA12，19，35稳定稳定D-DNA复合物复合物TFB33促进促进RNA-pol结合结合TFF30，74解螺旋酶解螺旋酶TFE57( )
16、，34()ATPaseTFH蛋白激酶，使蛋白激酶，使CTD磷酸化磷酸化3. 转录起始前复合物转录起始前复合物(pre-initiation complex, PIC) 真核生物真核生物RNA-pol不与不与DNA分子直接分子直接结合，而需依靠众多的转录因子。结合，而需依靠众多的转录因子。 RNA pol IITF II FTBP TAF TATADNATF II ATF II BTF II E转录前起始复合物TF II H4. 拼板理论拼板理论(piecing theory) 一个真核生物基因的转录需要一个真核生物基因的转录需要3至至5个个转录因子。转录因子之间互相结合，生成转录因子。转录因子
17、之间互相结合，生成有活性和专一性的复合物，再与有活性和专一性的复合物，再与RNA聚合聚合酶搭配而有针对性地结合、转录相应的基酶搭配而有针对性地结合、转录相应的基因。因。 （二）转录延长（二）转录延长真核生物转录延长过程与原核生物大真核生物转录延长过程与原核生物大致相似，但因有核膜相隔，没有转录与翻致相似，但因有核膜相隔，没有转录与翻译同步的现象。译同步的现象。 RNA-pol前移处处都遇上核小体。前移处处都遇上核小体。 转录延长过程中可以观察到核小体移转录延长过程中可以观察到核小体移位和解聚现象。位和解聚现象。 RNA-PolRNA-PolRNA-Pol核小体核小体转转录录延延长长中中的的核核
18、小小体体移移位位转录方向转录方向 （三）转录终止（三）转录终止 第三节第三节真核生物的转录后修饰真核生物的转录后修饰Post-transcriptional Modification 一、一、mRNA的转录后加工的转录后加工(一一)首尾的修饰首尾的修饰1. 5 -端加帽端加帽：m7GpppG2. 3 -端加尾端加尾：多聚腺苷酸多聚腺苷酸 (poly A)帽子结构帽子结构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5 ppGp磷酸酶磷酸酶 Pi加帽过程加帽过程（二）（二）mRNA的剪接的剪接1.
19、hnRNA 和和 snRNA 核内的初级核内的初级mRNA称为杂化核称为杂化核RNA (hetero-nuclear RNA, hnRNA) snRNA (small nuclear RNA)核内的蛋白质核内的蛋白质小分子核糖核酸蛋白体小分子核糖核酸蛋白体（并接体（并接体, splicesome）snRNA真核生物结构基因，由若干个编码区和非真核生物结构基因，由若干个编码区和非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。的完整蛋白质，这些基因称
20、为断裂基因。 断裂基因断裂基因(splite gene)非编码区非编码区 AG编码区编码区17ABCDEFGL12345677 700 bp2. 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。的核酸序列。 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。中被除去的核酸序列。 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鸡卵清蛋白鸡卵清蛋白基因基因hnRNA首、尾修饰首、尾修饰hnRNA剪接剪接成熟
21、的成熟的mRNA鸡鸡卵卵清清蛋蛋白白基基因因及及其其转转录、录、转转录录后后修修饰饰3. 3. 内含子的分类内含子的分类 I：主要存在于线粒体、叶绿体及某些低主要存在于线粒体、叶绿体及某些低等真核生物的等真核生物的 rRNA基因；基因；II：也发现于线粒体、叶绿体，转录产物也发现于线粒体、叶绿体，转录产物是是mRNA； III：是常见的形成套索结构后剪接，大是常见的形成套索结构后剪接，大多数多数mRNA基因有此类内含子；基因有此类内含子； IV：是是tRNA基因及其初级转录产物中的基因及其初级转录产物中的内含子，剪接过程需酶及内含子，剪接过程需酶及ATP。 Unit of transcript
22、ion in a DNA strandTranscript modification354. mRNA的剪接的剪接 除去除去hnRNA中的内含子，将外显子连接。中的内含子，将外显子连接。snRNP与与hnRNA结合成为并接体结合成为并接体 二次转酯反应二次转酯反应 RNA编辑作用说明，基因的编码序列经过转录编辑作用说明，基因的编码序列经过转录后加工，是可有多用途分化的，因此也称为分后加工，是可有多用途分化的，因此也称为分化加工化加工(differential RNA processing)。5. mRNA的编辑的编辑(mRNA editing) 人类人类apoapo B B基因基因 mRNAm
23、RNA（1450014500个核苷酸）个核苷酸）肝脏肝脏apoapo B100 B100（分子量为（分子量为500 000）小肠小肠apoapo B48 B48（分子量为（分子量为240 000）mRNA编辑编辑二、二、tRNA的转录后加工的转录后加工tRNA前体前体TGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNARNAaseP、内切酶内切酶连接酶连接酶tRNA核苷酸核苷酸转移酶转移酶碱基修饰碱基修饰（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
24、1）（3 3）（2 2）（4 4）三、三、rRNA的转录后加工的转录后加工转录转录剪接剪接18S - rRNA5.8S和和28S-rRNArDNA内含子内含子内含子内含子28S5.8S18S45S - rRNA 四、核四、核 酶酶具有酶促活性的具有酶促活性的RNA称为核酶。称为核酶。核酶核酶(ribozyme) 四膜虫四膜虫rRNA内含子的二级结构内含子的二级结构最简单的核酶二级结构最简单的核酶二级结构槌头状结构槌头状结构(hammerhead structure)底物部分底物部分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
25、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 。 人工设计的核酶人工设计的核酶粗线表示合成的核酸分子粗线表示合成的核酸分子细线表示天然的核酸分子细线表示天然的核酸分子X X 表示一致性序列表示一致性序列箭头表示切断点箭头表示切断点 复习思考题：复习思考题：1. 概念概念（1）转录）转录（2）不对称转录）不对称转录（3）结构基因）结构基因（4）核心酶）核心酶（5）外显子）外显子（6）内含子）内含子（7）模板链）模板链（8）启动子）启动子（9）核酶）核酶（10）Pribnow盒盒 2. 复制与转录的异同点。复制与转录的异同点。3. RNA聚合酶与聚合酶与DNA聚合酶作用的异同点。聚合酶作用的异同点。4. 试述原核生物启动子的结构特点及功试述原核生物启动子的结构特点及功 能。能。5. 原核生物与真核生物原核生物与真核生物RNA聚合酶有何异聚合酶有何异 同？同？6. 原核生物与真核生物的转录终止有何不原核生物与真核生物的转录终止有何不 同？同？
