1、 Chapter13, RNA Biosynthesis RNA 生物合成转录转录朱卫国北京大学基础医学院生物化学与分子生物学系复制叉复制叉 n概述概述n转录体系：转录体系： DNA模板模板 DNA指导的指导的RNA聚合酶聚合酶 n转录过程转录过程 起始阶段、链的延长、链的终止起始阶段、链的延长、链的终止n转录后的加工过程转录后的加工过程 信使信使RNA(mRNA)的加工的加工 转运转运RNA(tRNA)的加工的加工 核蛋白体核蛋白体RNA（rRNA)的加工的加工nRNA复制复制n概概 述述DNADNA和和RNARNA异同点异同点DNADNARNARNA磷酸磷酸磷酸磷酸磷酸磷酸碱基碱基腺嘌呤（
2、腺嘌呤（A A）腺嘌呤（腺嘌呤（A A）鸟嘌呤（鸟嘌呤（G G）鸟嘌呤（鸟嘌呤（G G）胞嘧啶（胞嘧啶（C C）胞嘧啶（胞嘧啶（C C）胸腺嘧啶（胸腺嘧啶（T T）尿嘧啶（尿嘧啶（U U）戊糖戊糖D-2D-2脱氧核糖（脱氧核糖（dRdR）D-D-核糖核糖n核蛋白体核蛋白体RNA (rRNA) 75-80%： 以核蛋白体以核蛋白体的形式参与蛋白质生物合成，是蛋白质的形式参与蛋白质生物合成，是蛋白质合成的场所。合成的场所。n转运转运RNA（tRNA) 10-25%： 在蛋白质生物合成过程中转运氨基酸。在蛋白质生物合成过程中转运氨基酸。n信使信使RNA (mRNA) 2-3%：作为蛋白质合成的直接模
3、板。作为蛋白质合成的直接模板。n不均一核不均一核RNA（hnRNA)：成熟：成熟mRNA的前体。的前体。n 小核小核RNA(snRNA)：参与：参与hnRNA的剪接和转运。的剪接和转运。n 小胞浆小胞浆RNA (只在真核生物中存在）：只在真核生物中存在）： 蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组成成分。蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组成成分。RNARNA种类种类DNA 转录转录 RNA前体前体 加工加工 成熟成熟RNA的过程的过程 RNA合成的两种方式：合成的两种方式： 1.DNA指导的指导的 RNA合成合成（转录）（转录）。 2.RNA指导的指导的 RNA合成合成（RNA复制）复制）。分子
4、生物学中心法则分子生物学中心法则第一节第一节 转录转录作用作用一一 、转录作用及特点、转录作用及特点转录转录体系：体系： DNA模板模板、NTP、 RNARNA聚合酶聚合酶（DNA指导指导的的RNA聚合酶）聚合酶）、无机离子（无机离子（Mg2+、Mn2+）、某些蛋）、某些蛋白质因子。白质因子。连接方式连接方式- 3 - 3 , , 55磷酸二酯键。磷酸二酯键。合成方向合成方向：5-3不需要引物参与复制和转录中碱基配对规律：复制和转录中碱基配对规律：n复制复制nA T , C Gn转录与逆转录转录与逆转录合成方向合成方向： 53合成部位合成部位：细胞核内细胞核内转录特点转录特点：不对称转录不对称
5、转录两条链都是模板链吗？两条链都是模板链吗？不对称转录不对称转录DNA只能以双链中只能以双链中固定的一条链固定的一条链（模板链）（模板链）为模板转录为模板转录RNA,这种这种转录方式称作转录方式称作不对称转不对称转录录模板链模板链templete strendtemplete strend：指导指导RNARNA合成的合成的DNADNA为为模板模板链链，又称，又称反意义链。反意义链。编码链编码链( (序列与序列与RNARNA相同）相同）：与模板链互补的与模板链互补的另另一条一条DNADNA链链无转录功能，无转录功能，其序列与转录其序列与转录的的RNARNA序列相序列相同，又称同，又称有意义链有意
6、义链。5 GCAGTAGCATTC.33 c g t c a t g t a c a g .55 GCAGUACAUGUC.3N Ala .Val. His. ValC DNARNA肽转录翻译编码链模板链编码链和模板链是一个相对的概念：编码链和模板链是一个相对的概念： 在一个包含多个基因的双链在一个包含多个基因的双链DNADNA分子中，各个基因的分子中，各个基因的 模板模板并不是全在同一条链上，在某个基因节段以某一并不是全在同一条链上，在某个基因节段以某一 条链为条链为模板转录，而在另一个基因节段可以另一条链为模板。模板转录，而在另一个基因节段可以另一条链为模板。( (同一个基因多是一条编码链
7、）。同一个基因多是一条编码链）。基因A基因B基因C基因D编码链模板链双链DNA 图图 13-1 转录作用转录作用Transcription bubble (RNA polymerase)Antisence strand Sense strand转录泡（17个碱基对）二二 DNADNA模板特点：模板特点：1. 转录起始点：转录起始点： 转录在转录在DNADNA模板上的特殊部位开始的，这个部位称为转模板上的特殊部位开始的，这个部位称为转录起始点，习惯上常以录起始点，习惯上常以+1+1表示。表示。 上游：从转录起始点上游：从转录起始点逆逆转录方向的区域。转录方向的区域。 下游：从转录起始点下游：从转
8、录起始点顺顺转录的方向的区域。转录的方向的区域。2. 启动子：启动子：是位于转录起始点上游的一段核苷酸序列，是位于转录起始点上游的一段核苷酸序列，是是RNARNA聚合酶的识别和结合部位，在转录调控中起着重聚合酶的识别和结合部位，在转录调控中起着重要作用。决定了被转录基因的启动频率和精确性。要作用。决定了被转录基因的启动频率和精确性。2.1 2.1 原核生物启动子原核生物启动子 Pribnow box(TATAAT-3)结合部位结合部位识别部位识别部位上游(Upstream)下游（Downstream)转录出的第一个氨基酸的碱基通常是嘌呤方向与RNA聚合酶结合的部位AT多易松散RNA聚合酶特异识
9、别部位-25-25处含处含ATAT富集区富集区, , 共有序列共有序列TATAATATAA（TATA boxTATA box）-70-70处含共有序列处含共有序列CAAT CAAT 2.2 2.2 真核生物启动子真核生物启动子又称又称HognessHogness box box 结合部位结合部位影响转录起始频率影响转录起始频率调节区和结构区调节区称GC盒/CAAT盒3.3.终止子：在指导转录作用的终止子：在指导转录作用的DNADNA分子中，具有停止分子中，具有停止转录作用的部位称为，或终止信号。转录作用的部位称为，或终止信号。发夹结构发夹结构。4.4.增强子：增强子：DNADNA链上增强转录作
10、用的序列。链上增强转录作用的序列。5.5.抑制子（静息子）：抑制子（静息子）：DNADNA链上抑制转录作用的序列。链上抑制转录作用的序列。6.6.结构基因：能转录出结构基因：能转录出mRNAmRNA，指导蛋白质合成的基因。，指导蛋白质合成的基因。编码链模板链其他调其他调节元件节元件增强子（增强子（+）静息子（静息子（-）CCAATTATA结构基因结构基因53调节表达 基础表达（启动子）转录起始部位+1-40 -110 -2535真核生物基因结构特点真核生物基因结构特点调节序列调节序列 三三 DNA指导的指导的RNA聚合酶聚合酶1. 原核生物原核生物RNA聚合酶（以大肠杆菌为例）聚合酶（以大肠杆
11、菌为例）1 1）结构：）结构： 全酶有五个亚基组成，为全酶有五个亚基组成，为 2 2 ； 全酶去除全酶去除 亚基后，即为核心酶（亚基后，即为核心酶（ 2 2） 。2 2）功能：）功能： 亚基：又称亚基：又称 因子，识别并结合启动子，因子，识别并结合启动子， 协助转录的起始。又称起始因子。协助转录的起始。又称起始因子。 核心酶：催化合成核心酶：催化合成RNARNA，参与，参与RNARNA链的延伸。链的延伸。TATAATTTGACA-35+1+20 原核生物的原核生物的RNARNA聚合酶全酶及其在转录起始区的结合聚合酶全酶及其在转录起始区的结合 DNADNA双链已打开，双链已打开， 因子尚未脱落因
12、子尚未脱落 3）特点：）特点：n聚合速率慢，聚合速率慢，3085 NTP/秒。秒。n缺乏外切酶活性，无校对功能，错误率缺乏外切酶活性，无校对功能，错误率10-4n不同的不同的 识别不同的启动子。识别不同的启动子。 n利福平与利福平与RNA聚合酶的聚合酶的 亚基专一性结合，可亚基专一性结合，可抑制结核菌的抑制结核菌的RNA合成。人的合成。人的RNA聚合酶对聚合酶对利福平不敏感。利用此特点可研制杀菌药物。利福平不敏感。利用此特点可研制杀菌药物。2. 真核生物真核生物RNA聚合酶：聚合酶： 较原核的酶复杂，已清楚的有较原核的酶复杂，已清楚的有、型。型。真核生物RNA聚合酶对利福平不敏感n起始阶段起始
13、阶段n延长阶段延长阶段n终止阶段终止阶段第第二节二节 转录转录过程过程起始阶段（以原核为例）：起始阶段（以原核为例）： 因子与核心酶组成全酶，识别起始位点并与启动子因子与核心酶组成全酶，识别起始位点并与启动子结合结合 DNA DNA局部构象改变局部构象改变 解开一段解开一段DNADNA双链，双链，形成转录空泡形成转录空泡 RNARNA聚合酶进入转录起始部位聚合酶进入转录起始部位 转录开始转录开始 因子从复合物脱落，与新的核心酶因子从复合物脱落，与新的核心酶结合，起始另一次转录结合，起始另一次转录 因子脱落因子脱落 核心酶沿核心酶沿DNADNA链向下游移动。链向下游移动。转录空泡：也称为转录复合
14、物，就是转录空泡：也称为转录复合物，就是RNARNA的核心酶、的核心酶、DNADNA模板和转录产物模板和转录产物RNARNA三者结合在一起的复合体三者结合在一起的复合体与与DNADNA复制不同的是，复制不同的是，RNARNA合成不需引物。合成不需引物。因子必需脱落，否则核心酶不滑动，因子必需脱落，否则核心酶不滑动，RNARNA链不能链不能延长。延长。 因子可再次与核心酶结合，循环使用。因子可再次与核心酶结合，循环使用。1.RNA聚合酶聚合酶 因子因子识别转录起点识别转录起点（启动子）识别部位，（启动子）识别部位， RNA聚合酶聚合酶 核心酶结合在启动子的结合部位核心酶结合在启动子的结合部位打开
15、螺旋（打开螺旋（17个核苷酸）个核苷酸），形成聚合酶形成聚合酶-DNA-RNA复合体。复合体。螺旋解开长度螺旋解开长度 DNA-RNA复合体长度复合体长度真核生物的起始比原核生物的起始要复杂。除RNA聚合酶以外，要有复杂的DNA-蛋白质，蛋白质-蛋白质间的相互作用PICPIC pre-initiation complex -RNA PolII, TFn原料：原料：NTP ( ATP、GTP、CTP、UTP)n延长方向：延长方向：53n规则：碱基互补配对规则：碱基互补配对n过程：核心酶沿过程：核心酶沿DNA模板链向下游方向滑动，每滑动模板链向下游方向滑动，每滑动一个核苷酸的距离，一个一个核苷酸的
16、距离，一个NTP按碱基互补关系进入模板，按碱基互补关系进入模板，与先前的与先前的NTP形成一个磷酸二酯键，如此一个一个延长形成一个磷酸二酯键，如此一个一个延长下去。下去。 核心酶核心酶 滑过的部位，滑过的部位，DNA链很快恢复双螺旋结构。链很快恢复双螺旋结构。 原核生物和真核生物转录延长过程相似。原核生物和真核生物转录延长过程相似。二二 延长阶段：延长阶段：起始起始延长延长终止终止RNARNA聚合酶聚合酶模板链模板链DNADNA解链解链编码链编码链DNADNA再螺旋再螺旋NTP解链与复合相互进行三三 终止阶段：终止阶段：1. 当核心酶滑动到当核心酶滑动到DNA模板的转录终止部位（终止信号）模板
17、的转录终止部位（终止信号）时，不再滑动，转录完成。时，不再滑动，转录完成。2. 新合成的新合成的RNA链、核心酶、链、核心酶、 因子等从模板释放，释因子等从模板释放，释放的核心酶可以与放的核心酶可以与因子结合，参与下一次转录过程。因子结合，参与下一次转录过程。终止信号特点：终止信号特点： n终止部位含终止部位含GCGC富集区与富集区与ATAT富集区富集区, ,形成发卡结构，以形成发卡结构，以 终止转录。终止转录。n蛋白蛋白 （U)U)因子参与终止：辅助识别终止信号；诱使因子参与终止：辅助识别终止信号；诱使RNARNA聚合酶构象改变停止滑动聚合酶构象改变停止滑动; ; 因子的解螺旋酶活性因子的解
18、螺旋酶活性使使RNARNA产物产物释放。释放。 图 12-8 因子的终止作用3. 3. 其它终止方式：其它终止方式：GCGC区形成发卡结构，聚区形成发卡结构，聚U U区区使配对不稳定使配对不稳定, , RNARNA产物的产物的释放。释放。转录起始转录起始延长延长终止终止n加工加工使使粗品粗品RNA （没有功能）（没有功能）成品成品（有生物功能）（有生物功能）n方式方式剪切、拼接，剪切、拼接，修饰，添加甲基（修饰，添加甲基（rRNA)第第三节三节 转录转录后的加工过程后的加工过程（剪切、拼接剪切、拼接针对个别没能避免内含子转录的针对个别没能避免内含子转录的RNARNA）一一 信使信使RNA（mR
19、NA）的加工）的加工 （真核生物为例）（真核生物为例）n剪切与剪接：剪切与剪接：hnRNAhnRNA切去部分核苷酸片段（内含切去部分核苷酸片段（内含子）并联接其余片段子）并联接其余片段n加加“帽帽”：mRNA 5mRNA 5末端特殊结构，末端特殊结构，7-7-甲基鸟甲基鸟嘌呤核苷三磷酸（嘌呤核苷三磷酸（m m7 7GTPGTP）n加加“尾尾”：33末端多聚腺苷酸的尾末端多聚腺苷酸的尾n碱基的修饰：碱基的修饰：mRNAmRNA中含少量稀有碱基，如甲基中含少量稀有碱基，如甲基化碱基等化碱基等信使RNA生成特点：原核是多顺反子（多作用子）-几个结构基因利用共同启动子，转录生成 的mRNA可生成几种蛋
20、白质；真核生物的mRNA是单顺反子名，一条mRNA只能生成一个肽链。mRNA前体的加工 （heterogeneous nuclear RNA, hnRNA)原核生物转录生成的初级mRNA仅进行简单的加工及多顺反子裂解为单顺反子即可。真核生物较为复杂：5加帽，3端加尾，剪切内含子，甲基化以及核苷酸编辑A. 5端加帽结构的生成加帽在细胞核内进行的。三磷酸末端的pppNp-仅磷酸酶水解成双磷酸成ppNP然后在鸟苷酸转移酶作用下与尿苷反应生成GpppNp,再后，再甲基化酶作用下生成m7GpppNmpB. 3端多聚A的生成该过程也是在细胞核内进行的。RNA + nATP-RNA(AMP)n +nPPiC
21、. SplicingmRNAhnRNA内含子的起始序列是GU,终止序列是AGD. 甲基化的作用E. RNA editing结构基因中结构基因中具有具有表达活表达活性的编码序列性的编码序列无无表达活性，不能编码相应表达活性，不能编码相应氨基酸的序列氨基酸的序列断裂基因：真核细胞基因为断裂基因，由编码区和非编码区断裂基因：真核细胞基因为断裂基因，由编码区和非编码区相间隔组成。相间隔组成。基因中的外显子转录基因中的外显子转录（剪切、拼接针对个别没能避免内含子转录的（剪切、拼接针对个别没能避免内含子转录的RNARNA）G or APPPOHOHGuanylyl transferaseMethyl tr
22、ansferaseCapping & methylationPhosphatase P+PPG or A保护保护 mRNA 5 端，加强翻译端，加强翻译RNA穿出细穿出细胞核，胞核，指导蛋指导蛋白质合白质合成成二二 tRNA前体的加工前体的加工主要方式有主要方式有：n剪切：剪切： 去除多余核苷酸去除多余核苷酸n剪接剪接 ：去除初级转录本中的内含子，再连接：去除初级转录本中的内含子，再连接n3末端加末端加-CCA结构结构cuts at the 5 endcuts at the 3 endCCA-OH 3 addition：tRNA nucleotidyltransferasetRNA的加工过程的
23、加工过程 n原核生物：原核生物： rRNA的前体经核酸酶作用后，生成的前体经核酸酶作用后，生成23S、 5S和和16SrRNA。n真核生物：真核生物： rRNA的前体经核酸酶作用后，生成的前体经核酸酶作用后，生成 28S、5.8S和和18SrRNA。n 5SrRNA自成体系，在成熟过程中加工甚少。自成体系，在成熟过程中加工甚少。n rRNA的加工也包括碱基的修饰。的加工也包括碱基的修饰。三三 rRNA前体的加工前体的加工原核rRNA的加工过程真核生物真核生物rRNA前体的加工前体的加工原核生物和真核生物转录的异同点原核生物和真核生物转录的异同点原核生物原核生物真核生物真核生物RNA聚合酶聚合酶
24、1种种多种多种启动子启动子不同的启动子间有相当大的同源性不同的启动子间有相当大的同源性各种启动子之间差别很大各种启动子之间差别很大启动子通常位于基因的上游启动子通常位于基因的上游聚合酶聚合酶III的启动子位于被转录的序的启动子位于被转录的序列之中列之中过程过程聚合酶直接与启动子结合聚合酶直接与启动子结合聚合酶通过转录因子的相互作用聚合酶通过转录因子的相互作用结合结合没有增强子没有增强子有增强子有增强子终止由终止由GC富集区形成发卡结构富集区形成发卡结构终止靠特殊的核酸内切酶切割终止靠特殊的核酸内切酶切割产物特点产物特点转录单位常常含有多个基因转录单位常常含有多个基因只含有一个基因只含有一个基因
25、转录和复制的比较转录和复制的比较复制复制转录转录原料原料dNTPNTP主要酶和因子主要酶和因子DNA聚合酶、拓扑异构酶聚合酶、拓扑异构酶引物酶、解链酶、引物酶、解链酶、DNA连接连接酶、酶、DNA结合蛋白结合蛋白RNA聚合酶、聚合酶、因子等因子等模板模板DNADNA链延长方向链延长方向5353方式方式半保留复制半保留复制不对称转录不对称转录配对方式配对方式A=T ;G=CA=U ;G=C产物产物DNARNA加工过程加工过程一般不需复制后加工一般不需复制后加工转录后加工分别形成转录后加工分别形成mRNA、tRNA和和rRNADNA聚合酶聚合酶逆转录酶逆转录酶RNA聚合酶聚合酶RNA复制酶复制酶模
26、板模板DNARNADNARNA原料原料dNTPdNTPNTPNTP特点特点依赖依赖DNA的聚的聚合酶合酶依赖依赖RNA的聚的聚合酶合酶依赖依赖DNA的聚的聚合酶合酶依赖依赖RNA的聚的聚合酶合酶相同点相同点都是在核苷酸之间形成磷酸二酯键都是在核苷酸之间形成磷酸二酯键延伸方向都是延伸方向都是53都是遵循碱基互补配对的原则都是遵循碱基互补配对的原则第四节第四节 RNA的复制的复制n某些生物某些生物（个别噬菌体、个别噬菌体、RNA病毒）病毒）由由RNA携带遗传携带遗传信息，信息，进入宿主细胞后，进入宿主细胞后，RNA以自身为模板，以自身为模板，由由RNA复制酶催化、以复制酶催化、以4种种NTP为底物
27、，复制为底物，复制RNA的的过程。过程。RNA复制酶复制酶(RNA replicase)又称又称RNA指导的指导的RNA聚合酶（聚合酶（RNA directed RNA polymerase)。n两次复制两次复制，形成病毒，形成病毒RNA，?中心法则思考题思考题n试解释转录、试解释转录、RNA的不对称转录、外显子、内含子、的不对称转录、外显子、内含子、启动子、模板链、编码链。启动子、模板链、编码链。n简述简述RNA转录的基本过程。转录的基本过程。n以以mRNA为例，说明转录后的加工过程。为例，说明转录后的加工过程。n试比较复制和转录的异同点。试比较复制和转录的异同点。n试比较试比较DNA聚合酶、逆转录酶、聚合酶、逆转录酶、RNA聚合酶聚合酶 RNA复复制酶的异同点。制酶的异同点。
