1、 第十二章第十二章RNA生物合成生物合成（RNA Biosynthesis） 大连医科大学生物化学与大连医科大学生物化学与分子生物学分子生物学教研室教研室崔秀云崔秀云 本章要求本章要求： RNA聚合酶及转录的一般特点聚合酶及转录的一般特点 真核生物的转录过程真核生物的转录过程 转录的转录过程：起始：（启动子），转录的转录过程：起始：（启动子），延长，终止延长，终止 真核生物转录后的加工：剪切，填加及真核生物转录后的加工：剪切，填加及修饰修饰 原核生物的转录原核生物的转录 过程过程 RNA的复制的复制 第一节第一节 RNA 聚合酶及聚合酶及RNA转录的转录的一般特点一般特点 一、一、DNA指导的
2、指导的RNA聚合酶聚合酶 （DNA directed RNA polymerase，DDRP）是）是RNA合成中最主要的酶类合成中最主要的酶类, RNA聚合酶催化如下反应：聚合酶催化如下反应： 1. 双链双链DNA中的一条链作为中的一条链作为RNA合成的模板。合成的模板。 2四种核糖核苷三磷酸（即四种核糖核苷三磷酸（即ATP、GTP、CTP和和 UTP）是该酶的底物。）是该酶的底物。 3需要二价金属离子，如需要二价金属离子，如Mg2+和和Mn2+。 n(NTP) pppN(pN)n-1 + (n-1)PPi DNARNA聚合酶聚合酶 图图12-1 RNA链中链中3,5-磷酸二酯键的形成磷酸二酯
3、键的形成RNA的合成的方向为的合成的方向为53；聚合反应是通过；聚合反应是通过核苷酸之间形成的核苷酸之间形成的3,5-磷酸二酯键，使核苷酸磷酸二酯键，使核苷酸链延长，同时释放出焦磷酸。链延长，同时释放出焦磷酸。表表12-1 真核生物真核生物RNA聚合酶的种类和性质聚合酶的种类和性质种类种类 I型型 II型型 III型型 线粒体线粒体 分子量分子量 5.5105 6105 6105 6.46.8104 分布分布 核仁核仁 核质核质 核质核质 线线粒体粒体 转录产物转录产物 5.8S、 mRNA前体前体 tRNA前体前体 线粒体线粒体RNA 18S、 snRNA 5S rRNA 28S rRNA前
4、体前体对利福平对利福平敏感性敏感性 不敏感不敏感 不敏感不敏感 不敏感不敏感 敏感敏感对鹅膏蕈碱对鹅膏蕈碱的敏感性的敏感性 不敏感不敏感 非常敏感非常敏感 敏感敏感 不敏不敏感感 表表12-2 大肠杆菌大肠杆菌RNA 聚合酶组分及功能聚合酶组分及功能亚基亚基 每分子酶中每分子酶中 功能功能 所含数目所含数目 2 控制转录的速度控制转录的速度 1 催化合成催化合成RNA 1 催化合成催化合成RNA 1 不清不清 1 辨认起始点辨认起始点二、二、 RNA 转录与转录与DNA 复制异同点复制异同点RNA 转录与转录与DNA 复制相同点：复制相同点：RNA转录与转录与DNA复制的基本的化学反应复制的基
5、本的化学反应是相同的，在聚合酶的催化下，核苷酸是相同的，在聚合酶的催化下，核苷酸之间形成磷酸二酯键，释放出焦磷酸；之间形成磷酸二酯键，释放出焦磷酸；核苷酸链的合成方向均为核苷酸链的合成方向均为53；聚合反；聚合反应均需要应均需要DNA作模板。作模板。RNA 转录与转录与DNA 复制不同点：复制不同点：1.RNA转录是不对称的，即仅用转录是不对称的，即仅用DNA双链中双链中某一单链作为模板进行转录，被作为模板某一单链作为模板进行转录，被作为模板的那条的那条DNA单链称单链称模板链模板链（template strand）。与模板链互补的。与模板链互补的DNA单链为单链为编编码链码链(coding
6、strand)，即合成的，即合成的RNA 碱基碱基序列与编码链相同，仅是序列与编码链相同，仅是U 替代了替代了T。在。在特定的染色体中，有时基因的编码序列可特定的染色体中，有时基因的编码序列可能位于另一条链中，这种现象称不对称转能位于另一条链中，这种现象称不对称转录。转录后录。转录后DNA模板成分无改变模板成分无改变。图图 12-2 RNA 的不对称转录的不对称转录RNA 转录与转录与DNA 复制不同点：复制不同点：2. 与与DNA 聚合酶不同，聚合酶不同，RNA聚合酶不需要引聚合酶不需要引 物，可利用物，可利用NTP 作底物直接合成作底物直接合成RNA。3. RNA聚合酶没有核酸酶的活性，即
7、没有聚合酶没有核酸酶的活性，即没有3到到5 外切酶的活性，也没有外切酶的活性，也没有5到到3外切酶的活性，外切酶的活性， 因此，在因此，在RNA合成过程不起较对作用。合成过程不起较对作用。4. 对于一个基因组来讲，转录只发生在一部分基对于一个基因组来讲，转录只发生在一部分基 因，而且每一个基因的转录都受到相对独立的因，而且每一个基因的转录都受到相对独立的 控制。控制。5. RNA 合成后需要加工才能成为有功能的合成后需要加工才能成为有功能的 RNA。真核生物转录过程除了真核生物转录过程除了RNA聚合酶参加外，聚合酶参加外，还需要一些蛋白质因子参与，这些因子能还需要一些蛋白质因子参与，这些因子能
8、结合到结合到DNA的特殊序列并且与的特殊序列并且与RNA聚合酶聚合酶结合，促进转录。一类通用结合，促进转录。一类通用转录因子转录因子（general transcription factors，TF ）分别）分别能够与不同的能够与不同的RNA聚合酶结合，形成转录聚合酶结合，形成转录复合体。复合体。第二节真核生物的转录过程第二节真核生物的转录过程通用转录因子通用转录因子分类分类 根据根据RNA 聚合酶的分类，聚合酶的分类，TF 分为三类。分为三类。 I 型转录因子（型转录因子（transcription factor I，TF l）能够促进）能够促进RNA聚合酶聚合酶 l 转录。转录。 Il 型
9、转录因子（型转录因子（TF ll）促进）促进RNA聚合酶聚合酶 ll 转录转录. 包括包括TFIIA，B，D，E，F，H等。等。 III 型转录因子（型转录因子（TFIII）促进）促进RNA聚合酶聚合酶III 转录转录 。 转录过程可分为三个阶段：起始、延转录过程可分为三个阶段：起始、延长和终止长和终止。 mRNA的合成是在核内由的合成是在核内由RNA聚合酶聚合酶催催化的。酵母化的。酵母RNA聚合酶聚合酶由由12个亚基组成。个亚基组成。其中最大亚基的羧基末端结构域其中最大亚基的羧基末端结构域（carboxyl-terminal domain, CTD），富含），富含丝氨酸残基。丝氨酸残基。CT
10、D的磷酸化和去磷酸化对的磷酸化和去磷酸化对酶的活性有重要影响。去磷酸化的酶的活性有重要影响。去磷酸化的CTD在在转录的起始中作用，在转录延长过程中转录的起始中作用，在转录延长过程中CTD的丝氨酸残基被磷酸化。的丝氨酸残基被磷酸化。mRNA的合的合成还需要有一系列转录因子成还需要有一系列转录因子（TF ）参）参加。加。一、一、mRNA的合成的合成（一）起始阶段（一）起始阶段（initiation） 1. 启动子启动子（promoter）是）是DNA上的特殊的序上的特殊的序列，它包括一些保守顺序，其中最重要的顺列，它包括一些保守顺序，其中最重要的顺序称序称TATA (box)盒子。盒子。RNA 聚
11、合酶和一些转聚合酶和一些转录因子结合此部位。录因子结合此部位。 二类启动子二类启动子图图12-3 真核真核RNA 聚合酶聚合酶II识别的识别的 的启动子基序的启动子基序 转录起始点以转录起始点以“+1”表示，在其上游的核苷酸序列以表示，在其上游的核苷酸序列以“ ”表示。启动子区框内表示与转录有关的共有顺序。表示。启动子区框内表示与转录有关的共有顺序。BRE为为TFB识别元件，识别元件，Y表示表示C或或T。 2转录因子转录因子II 及转录前起始复合物的及转录前起始复合物的形成形成mRNA的合成是在核内由的合成是在核内由RNA聚合酶聚合酶II催化的，有一系列转录因子催化的，有一系列转录因子II（T
12、F II）参加参加 。 图图12-4 mRNA转录前起始复合物转录前起始复合物RNA聚合酶聚合酶与其转录因子组成转录前起始复合物。按与其转录因子组成转录前起始复合物。按其组成的结合顺序排列为：其组成的结合顺序排列为：TFDABF-PolEH（Pol代表代表RNA聚合酶聚合酶）。覆盖）。覆盖DNA模板大约模板大约70bp.第一个磷酸二酯键的形成：第一个磷酸二酯键的形成：此附近此附近DNA双链被双链被RNA聚合酶解开约聚合酶解开约17个碱个碱基对，形成一个基对，形成一个转录泡转录泡（由闭合复合物转变（由闭合复合物转变成开放复合物）成开放复合物） 。根据。根据DNA模板链上核苷酸模板链上核苷酸的序列
13、，以的序列，以NTP为原料，按碱基互补原则在为原料，按碱基互补原则在RNA聚合酶催化下，形成第一个聚合酶催化下，形成第一个3,5-磷酸二磷酸二酯键。头一个核苷酸多为嘌呤核苷酸酯键。头一个核苷酸多为嘌呤核苷酸A或或G。（二）（二）RNA链的延长链的延长RNA聚合酶沿着聚合酶沿着DNA模板从模板从53方向移动并不断的解开方向移动并不断的解开DNA双链，同时与双链，同时与DNA模板链序列相互补的核苷酸逐一模板链序列相互补的核苷酸逐一地进入反应体系，地进入反应体系，RNA聚合酶聚合酶II的的CTD被转录延长因子被转录延长因子（TEFb）进一步磷酸化，增强了聚合酶的活性。如此，）进一步磷酸化，增强了聚合
14、酶的活性。如此，合成的合成的RNA逐渐延长（逐渐延长（elongation）（图）（图12-5）。）。RNA链延长时，新合成的部分暂时与模板链延长时，新合成的部分暂时与模板DNA 形成一段形成一段RNA-DNA杂合双螺旋；随着杂合双螺旋；随着RNA链的延伸，链的延伸，RNA从从RNA-DNA双螺旋解开。双螺旋解开。DNA双螺旋的解旋及重新恢复双双螺旋的解旋及重新恢复双螺旋是在螺旋是在DNA拓扑异构酶的作用下进行的。拓扑异构酶的作用下进行的。TFIIE和和TFIIH对于对于RNA链的延长不是必需的，它们从延长的复合链的延长不是必需的，它们从延长的复合物上解离下来，物上解离下来，TBP和和TFII
15、B保留在启动子上。保留在启动子上。图图12-5 RNA链的延长链的延长RNA链的延长过程链的延长过程ARNA聚合酶聚合酶II在转录因子的辅助下，将双链在转录因子的辅助下，将双链DNA解开解开一段，形成转录泡。在聚合酶的作用下以一段，形成转录泡。在聚合酶的作用下以NTP为底物，与为底物，与模板链的碱基互补开始合成模板链的碱基互补开始合成RNA。B. 复制泡扩大，复制泡扩大，RNA聚合酶聚合酶II继续合成继续合成RNA，以，以U替代替代 T，A-U、C-G配对。配对。C. 随着随着RNA链的延长，链的延长，RNA聚合酶沿着模板链不断滑动，聚合酶沿着模板链不断滑动，在在DNA拓朴异构酶的作用下，下游
16、不断解链，上游不断拓朴异构酶的作用下，下游不断解链，上游不断恢复双链，转录泡不断向下游移动，保持约恢复双链，转录泡不断向下游移动，保持约17bp大小，大小，直到遇到终止信号合成则停止。直到遇到终止信号合成则停止。DNA双螺旋重新形成。双螺旋重新形成。（三）转录的终止（三）转录的终止RNA聚合酶聚合酶参与整个转录过程，直到出现多参与整个转录过程，直到出现多聚腺苷酸化信号为止。这个信号顺序是保守序聚腺苷酸化信号为止。这个信号顺序是保守序列列AAUAAA和其下游富含和其下游富含GU的序列的序列。这些序列。这些序列称为转录终止的剪切信号序列（称为转录终止的剪切信号序列（cleavage signal
17、sequence）。具体的剪切点位于）。具体的剪切点位于AAUAAA下游下游1030核苷酸处，距核苷酸处，距GU序列序列2040核苷酸。剪核苷酸。剪切信号序列可被核酸内切酶、多聚腺苷酸聚合切信号序列可被核酸内切酶、多聚腺苷酸聚合酶等所识别和结合，并切断此初级转录物。酶等所识别和结合，并切断此初级转录物。RNA聚合酶聚合酶被释放，剪切点下游被被释放，剪切点下游被RNA聚合聚合酶酶合成的多余合成的多余RNA片段被水解。片段被水解。 图图 12-6 mRNA 转录的终止转录的终止RNA聚合酶聚合酶参与整个转录过程，并可超越转录终止参与整个转录过程，并可超越转录终止的剪切信号序列。剪切信号序列可被核酸
18、内切酶等识的剪切信号序列。剪切信号序列可被核酸内切酶等识别，并在剪切点切断别，并在剪切点切断mRNA前体。前体。二二. rRNA的合成的合成 rRNA基因位于染色体的特殊区域称基因位于染色体的特殊区域称 核仁组织者核仁组织者（nucleolar organizer）。）。rRNA 基基因属于重复序列，每个重复序列都作为一个转录因属于重复序列，每个重复序列都作为一个转录单位单位 。 每一个转录单位包括每一个转录单位包括28S，5.8S及及18S rRNA。 RNA 聚合酶聚合酶I及转录因子及转录因子I（TF I）识别位于非转）识别位于非转录间隔区上的启动子序列。录间隔区上的启动子序列。 图图12
19、-7 rRNA 基因转录调控区基因转录调控区人类人类rRNA基因启动子属第一类启动子，由两个元件组成，基因启动子属第一类启动子，由两个元件组成，一个是核心元件，此元件包括转录起始点，存在富含一个是核心元件，此元件包括转录起始点，存在富含AT的保守序列，为转录所必须；另一个为上游启动子元件，的保守序列，为转录所必须；另一个为上游启动子元件，从从107开始，约开始，约50bp长，此元件的作用是增强转录效率长，此元件的作用是增强转录效率 一类启动子一类启动子 合成合成rRNA的转录前起始复合物比较简单，的转录前起始复合物比较简单，由启动子、由启动子、RNA聚合酶聚合酶和两个和两个TF组成。组成。一种
20、一种TF是核心结合因子，称是核心结合因子，称TFB，（人类是（人类是SL），具有募集），具有募集RNA聚合酶聚合酶到启动子上的作用。另一种是上游结合因到启动子上的作用。另一种是上游结合因子（子（UBF），与启动子的上游起始元件），与启动子的上游起始元件（upstream promoter element,UPE）结合，）结合，协助协助TFB组装到启动子上。组装到启动子上。rRNA的转录过程与的转录过程与mRNA 相似相似 。rRNA的合成的合成核糖体的合成是细胞生长的限速因素。核糖体的合成是细胞生长的限速因素。rRNA的转录可以非常迅速，的转录可以非常迅速， RNA聚合酶聚合酶I 的磷酸化可以
21、特别激活的磷酸化可以特别激活rRNA迅速的转录，迅速的转录，例如在胚胎生长及肝的再生过程中。当生长例如在胚胎生长及肝的再生过程中。当生长不太迅速时，仅有一些不太迅速时，仅有一些 rDNA重复序列被用重复序列被用于转录。核糖体的合成则减少。于转录。核糖体的合成则减少。 三三5S RNA 和和 tRNA的合成的合成 5S rRNA 和和 tRNA 基因的启动子位于被转基因的启动子位于被转录的序列之中，称录的序列之中，称内启动子内启动子。所有的。所有的tRNA基因都有两个内启动子元件（图基因都有两个内启动子元件（图12-8）。）。5S rRNA合成的启动子与合成的启动子与tRNA的相似，两的相似，两
22、个个TF与与RNA聚合酶聚合酶的结合顺序也相同。的结合顺序也相同。 图图12-8 tRNA 基因的内启动子及基因的内启动子及 RNA聚合酶聚合酶 III与与 其转录因子的结合其转录因子的结合转录因子转录因子IIIC（TF III C）首先与启动子的）首先与启动子的A 和和B框框结合，然后结合，然后TFIII C与与TFIII B结合，最后结合，最后RNA聚合聚合酶酶III与与TFIII因子结合，并启动转录。因子结合，并启动转录。 三类启动子三类启动子第三节第三节 真核生物真核生物RNA转录后的加工转录后的加工几乎所有真核生物几乎所有真核生物RNA转录的初级产物都需转录的初级产物都需经过一系列变
23、化后才能生成具有生物活性的经过一系列变化后才能生成具有生物活性的RNA分子。这一系列变化过程称为转录后的分子。这一系列变化过程称为转录后的RNA加工加工(RNA processing)。加工过程包括。加工过程包括核苷酸部分水解、连接反应、末端核苷酸核苷酸部分水解、连接反应、末端核苷酸“戴帽戴帽”、“接尾接尾”，以及核苷的修饰。，以及核苷的修饰。一、信使一、信使RNA的加工的加工 （一）（一）mRNA 前体通过剪接去除内含子前体通过剪接去除内含子 真核生物真核生物mRNA的前体是的前体是核不均一核不均一RNA（heterogenous nuclear RNA, hnRNA），），其核苷酸顺序其核
24、苷酸顺序有一些不出现有一些不出现在成熟的在成熟的mRNA中。中。此部分在转录产物的加工过程中被切除。被切除此部分在转录产物的加工过程中被切除。被切除的部分称为的部分称为内含子（内含子（intron）。内含子是不编。内含子是不编码蛋白质的核苷酸序列。末被切除的部分称码蛋白质的核苷酸序列。末被切除的部分称外显外显子子(exon)，是编码蛋白质的部分序列，是编码蛋白质的部分序列。由于内含由于内含子是插入外显子之间，故内含子又称子是插入外显子之间，故内含子又称插入序列插入序列(intervening sequences)。 真核生物内含子碱基序列的共同特点是开始于真核生物内含子碱基序列的共同特点是开始
25、于GU，结束，结束于于AG，分别称，分别称5剪接供体和剪接供体和3剪接受体。位于剪接受体。位于3剪接部位剪接部位上游上游20-50个碱基处有分支点个碱基处有分支点A。hnRNA中的内含子称为中的内含子称为剪接体内含子，这些内含子的切除是由称作剪接体内含子，这些内含子的切除是由称作剪接体剪接体（spliceosome）的蛋白复合物催化的。的蛋白复合物催化的。 snRNP是一种特异的是一种特异的RNA-蛋白质复合体，含有多种蛋白质复合体，含有多种小核小核RNA（small nuclear RNA, snRNA）。snRNA的长度约的长度约100-200个核苷酸。各种个核苷酸。各种snRNA因富含尿
26、嘧啶（因富含尿嘧啶（U）而被）而被命名为命名为U1、U2、U4、U5、U6等。等。snRNA参与剪接。剪参与剪接。剪切后的几个外显子片段拼接起来形成一个完整的切后的几个外显子片段拼接起来形成一个完整的mRNA(图图12-9，12-10)。切除的内含子很快被降解。切除的内含子很快被降解。 图图12-9 mRNA的拼接体的拼接体 一些小核核蛋白（一些小核核蛋白（snRNP）与）与RNA前体形成拼接体前体形成拼接体（spliceosome）。）。U1 RNA和和U2 RNA 分别为分别为snRNP的组的组份。份。U1 RNA的核苷酸序列与的核苷酸序列与 mRNA前体内含子中的前体内含子中的GU顺序（
27、称连接供体位点）相配对，顺序（称连接供体位点）相配对，U2 RNA识别内含子识别内含子3端连接受体位点。拼接体利用端连接受体位点。拼接体利用ATP供能，除去内含子。供能，除去内含子。 图图12- 10 mRNA 前体内含子套环式剪接机制前体内含子套环式剪接机制mRNA 前体内含子套索式剪接机制：前体内含子套索式剪接机制： hnRNA内含子剪接分两步转酯化反应。第一步，位内含子剪接分两步转酯化反应。第一步，位于内含子分支点的腺嘌呤核苷酸于内含子分支点的腺嘌呤核苷酸2-OH亲核攻击连在外显亲核攻击连在外显子子1上的磷酸二酯键，使内含子与外显子上的磷酸二酯键，使内含子与外显子1 之间的键断裂。之间的
28、键断裂。生成游离的外显子生成游离的外显子1和套索状的内含子和套索状的内含子-外显子外显子2 中间物中间物（内含子（内含子5端端G 与分支点的与分支点的A以以2,5-磷酸二酯键相连）。磷酸二酯键相连）。第二步，外显子第二步，外显子1 游离的游离的3-OH亲核攻击连在内含子和外亲核攻击连在内含子和外显子显子2 之间的磷酸二酯键，将内含子以套环形式被切除，之间的磷酸二酯键，将内含子以套环形式被切除，两个外显子连接在一起。两个外显子连接在一起。图图12-11 原肌球蛋白原肌球蛋白mRNA 前体及前体及 不同的剪不同的剪 接方式接方式剪接位点的突变也能引起拼接错误，导致翻剪接位点的突变也能引起拼接错误，
29、导致翻译后的蛋白质结构及功能的改变。译后的蛋白质结构及功能的改变。如如-地中海贫血（地中海贫血（-thalassemia）。这是由于）。这是由于内含子剪接点的内含子剪接点的GU 中的中的G 突变成突变成A，剪接体，剪接体不能识别此序列，导致不能识别此序列，导致-珠蛋白异常，由此珠蛋白异常，由此产生贫血。产生贫血。 图图12- 12 mRNA 5帽端的结构帽端的结构5端第一个核苷酸是端第一个核苷酸是7-甲基鸟嘌呤核苷三磷酸甲基鸟嘌呤核苷三磷酸,第二个和第三个核苷酸的核糖第二个和第三个核苷酸的核糖2羟基甲基化。羟基甲基化。（二）二）mRNA 前体在前体在5末端加入末端加入“帽帽”结构结构加帽（加帽
30、（capping）是一个多步过程，加帽过程需是一个多步过程，加帽过程需要两种酶参与，即由要两种酶参与，即由加帽酶（加帽酶（capping enzyme）和甲基转移酶和甲基转移酶(methyltransferase)催化生成催化生成7-甲甲基鸟嘌呤核苷的帽结构。其过程首先是将基鸟嘌呤核苷的帽结构。其过程首先是将GTP与与mRNA的的5末端三磷酸缩合，然后此鸟嘌呤末端三磷酸缩合，然后此鸟嘌呤N-7甲基化。此外，甲基化。此外，mRNA的第一和第二位核苷的第一和第二位核苷酸酸2-OH也常常被甲基化（图也常常被甲基化（图12-12）。）。5帽结帽结构可以使构可以使mRNA 免遭核酸酶的水解，它帮助免遭核
31、酸酶的水解，它帮助mRNA 通过核膜孔进入胞浆，它也能与帽结合通过核膜孔进入胞浆，它也能与帽结合蛋白质复合体结合，并参与和核糖体的结合，蛋白质复合体结合，并参与和核糖体的结合，启动蛋白质的生物合成。启动蛋白质的生物合成。（三）（三）mRNA 前体在前体在3末端多聚腺苷酸化末端多聚腺苷酸化mRNA前体首先在前体首先在AAUAAA信号下游大约信号下游大约1030个核个核苷酸处的剪切点处被切断。然后在苷酸处的剪切点处被切断。然后在多聚腺苷酸聚合酶多聚腺苷酸聚合酶（poly（A） polymerase）的催化下，逐一加入腺苷）的催化下，逐一加入腺苷酸。多聚腺苷酸聚合酶催化的反应无需酸。多聚腺苷酸聚合酶
32、催化的反应无需DNA模板。模板。RNA + nATP RNA-(AMP)n + nPPi (n = 80250)mRNA 的的poly A尾是一些特异蛋白质的结合部位，能尾是一些特异蛋白质的结合部位，能增加增加mRNA 的稳定性，可以避免的稳定性，可以避免3-核酸外切酶的水解。核酸外切酶的水解。poly A与与poly A结合蛋白结合有助于蛋白质生物合成结合蛋白结合有助于蛋白质生物合成（见第十三章）。（见第十三章）。（四）（四）mRNA 前体的修饰和编辑前体的修饰和编辑 所谓所谓修饰修饰包括包括mRNA分子核糖上分子核糖上2-羟基的甲羟基的甲基化反应和嘌呤碱的甲基化反应。基化反应和嘌呤碱的甲基
33、化反应。 所谓所谓编辑编辑是指在转录后对是指在转录后对mRNA序列中的碱序列中的碱基进行变换的过程。基进行变换的过程。 图图 12 -13 载脂蛋白载脂蛋白B mRNA 的编辑加工的编辑加工 图图12-14 mRNA的加工过程示意图的加工过程示意图二、核糖体二、核糖体RNA的加工的加工在哺乳动物细胞的核仁内，三种在哺乳动物细胞的核仁内，三种rRNA的合的合成过程均先形成成过程均先形成45S的共同前体。然后，该的共同前体。然后，该前体再断裂成相应的前体再断裂成相应的rRNA 。 图图12-15 rRNA前体的转换前体的转换rRNA前体的加工是由多亚基的核蛋白复合前体的加工是由多亚基的核蛋白复合物
34、来完成的（图物来完成的（图12-16）。真核细胞的）。真核细胞的5S RNA基因与其它基因与其它rRNA基因相分开。基因相分开。转录后经过适当的加工，转录后经过适当的加工，28S、5.8S与相关与相关的蛋白质一起组成核糖体的大亚基。的蛋白质一起组成核糖体的大亚基。18S则则是小亚基的成分。是小亚基的成分。rRNA的成熟过程中也包的成熟过程中也包括碱基的甲基化修饰和部分核糖的括碱基的甲基化修饰和部分核糖的2-OH甲甲基化反应。甲基的供体是基化反应。甲基的供体是S-腺苷蛋氨酸。腺苷蛋氨酸。 图图12-16 rRNA的加工过程的加工过程rRNA的初级转录物是的初级转录物是45S 前前rRNA, 经过
35、一系列剪接、经过一系列剪接、修饰，最后成为三种修饰，最后成为三种rRNA三、转移三、转移RNA的加工的加工 tRNA前身物通常包括一个以上前身物通常包括一个以上tRNA，通过核酸水解加工过程将它们分开。成通过核酸水解加工过程将它们分开。成熟的熟的tRNA比初级转录产物核苷酸数目少。比初级转录产物核苷酸数目少。加工过程包括插入顺序的去除和相当于加工过程包括插入顺序的去除和相当于外显子转录产物的拼接。外显子转录产物的拼接。tRNA3-末端的末端的CCA顺序也是转录后加上去的。一些稀顺序也是转录后加上去的。一些稀有碱基的修饰也在核内进行（图有碱基的修饰也在核内进行（图12-17）。）。 图图12-1
36、7 tRNA的加工过程的加工过程.原核生物原核生物RNA聚合酶聚合酶是多亚基的酶。从大肠杆菌提是多亚基的酶。从大肠杆菌提取的取的RNA聚合酶有六个亚基组成，分子量为聚合酶有六个亚基组成，分子量为500KD。两个两个亚基，一个亚基，一个亚基，一个亚基，一个及及亚基组成亚基组成核心酶核心酶（core enzyme），），核心酶（核心酶（2 ）能进行转录，）能进行转录，但是没有但是没有RNA合成的特异性。第六个蛋白质亚基称合成的特异性。第六个蛋白质亚基称因子，这六种亚基构成因子，这六种亚基构成全酶全酶（holoenzyme）,在体内在体内及体外只有全酶才能特异的合成及体外只有全酶才能特异的合成RNA
37、。因子参与识因子参与识别特异的启动子别特异的启动子。原核生物。原核生物RNA聚合酶能被利福平聚合酶能被利福平（rifampicin）所抑制。利福平与）所抑制。利福平与亚基相结合，从亚基相结合，从而抑制酶的活性。而抑制酶的活性。第四节第四节 原核生物的转录原核生物的转录图图12-18 原核生物原核生物RNA聚合酶全酶的组成聚合酶全酶的组成 （2 ）一、原核生物一、原核生物RNA转录的起始转录的起始图图12-19 RNA聚合酶（含聚合酶（含 70）可识别的大肠杆菌）可识别的大肠杆菌 的典型启动子的典型启动子原核生物原核生物启动子启动子区包括两个高度保守的序列。一个序列位区包括两个高度保守的序列。一
38、个序列位于转录起始点的上游约于转录起始点的上游约10bp，保守序列为，保守序列为T*A*TAAT*，此区由此区由D. Pribnow首先发现，所以也称首先发现，所以也称Pribnow 盒。第二盒。第二个序列是位于个序列是位于-10上游的上游的-35序列，为序列，为T*T*G*ACA。在。在35区到区到10区之间的区之间的17个核苷酸也是高度保守的个核苷酸也是高度保守的 图图12-20 细菌转录的启动子区细菌转录的启动子区RNA转录的起始合成需要两个步骤：转录的起始合成需要两个步骤：第一步，第一步，因子辨认起始点，因子辨认起始点，RNA聚合酶全酶相对弱的结聚合酶全酶相对弱的结合到合到DNA启动子
39、上，形成一个启动子上，形成一个闭合的启动子复合物闭合的启动子复合物（closed promoter complex）。然后，）。然后，DNA双链在双链在 10 区区部分解旋，全酶形成更紧密的部分解旋，全酶形成更紧密的开放启动子复合物开放启动子复合物(open promoter complex)。第二步，解链的第二步，解链的DNA与起始的三磷酸嘌呤核苷酸结合，与起始的三磷酸嘌呤核苷酸结合，开始转录，然后形成第一个磷酸二酯键。开始转录，然后形成第一个磷酸二酯键。RNA聚合酶向聚合酶向下游移动，合成继续。一旦起始的核苷酸链形成一小段下游移动，合成继续。一旦起始的核苷酸链形成一小段（8 9nt）后，）
40、后，因子便从全酶释放出来，核心酶进入延长因子便从全酶释放出来，核心酶进入延长阶段继续发挥其催化作用。阶段继续发挥其催化作用。 图图 12-21 原核原核RNA的的转录过转录过程程二、原核生物二、原核生物RNA转录的延长阶段转录的延长阶段与与RNA聚合酶结合的聚合酶结合的DNA区域解旋区域解旋17 18bp，形成所谓的，形成所谓的转录泡（转录泡（transcription bubble）。转录泡随）。转录泡随RNA聚合酶向聚合酶向下游移动，下游的下游移动，下游的DNA双链不断地被解旋，上游已解旋双链不断地被解旋，上游已解旋的的DNA链又不断地复性。这样，链又不断地复性。这样，RNA聚合酶连续的合
41、成聚合酶连续的合成新的磷酸二酯键，平均每秒钟合成新的磷酸二酯键，平均每秒钟合成40个核苷酸。在这一过个核苷酸。在这一过程中，程中，DNA模板的碱基与正在延长的模板的碱基与正在延长的RNA链碱基配对，链碱基配对，形成大约形成大约8 9bp的的RNA/DNA杂化双链。原核生物没有核杂化双链。原核生物没有核膜，膜，RNA转录尚未完成，翻译就开始了。而真核生物有转录尚未完成，翻译就开始了。而真核生物有核膜，故转录和翻译不能同时进行。核膜，故转录和翻译不能同时进行。三、原核生物三、原核生物RNA转录的终止转录的终止终止分为终止分为因子依赖性及因子依赖性及因子不依赖性两类因子不依赖性两类 1.因子不依赖性
42、的终止其特征是因子不依赖性的终止其特征是DNA模板上有特殊的模板上有特殊的序列，转录产生的序列，转录产生的RNA 有两个特征，第一是转录产物含有两个特征，第一是转录产物含有一段有一段G-C丰富的发夹序列，能形成茎丰富的发夹序列，能形成茎-环的二级结构，环的二级结构，RNA聚合酶与茎聚合酶与茎-环结构作用后，即停止转录。第二是环结构作用后，即停止转录。第二是在发夹结构的紧后面有在发夹结构的紧后面有6-7 U残基序列。几个残基序列。几个U 与模板与模板DNA上的上的A碱基配对很不稳定，容易使新生成的碱基配对很不稳定，容易使新生成的RNA与与模板脱离模板脱离 图图 12-22 RNA转录的终止转录的
43、终止( 因子不依赖性的因子不依赖性的)A：DNA模板有特殊的序列，富含模板有特殊的序列，富含GC和和AT区，反转区，反转重复顺重复顺 序（阴影所示）。序（阴影所示）。B：RNA转录物可形成茎、环结构。转录物可形成茎、环结构。 图图12-23 转录终止转录终止因子的作用因子的作用因子是由因子是由6个亚基组成的蛋白质，它具有个亚基组成的蛋白质，它具有ATP酶和解旋酶和解旋酶的活性，能将酶的活性，能将RNA-DNA杂交双链解开，使杂交双链解开，使RNA脱离脱离模板，从而终止模板，从而终止RNA转录。转录。2. 因子依赖性转录终止因子依赖性转录终止 四、四、 原核生物原核生物RNA转录后的加工转录后的
44、加工原核生物原核生物RNA转录与翻译过程是偶联的。即转录与翻译过程是偶联的。即mRNA在转录过程中即进行翻译。原核生物在转录过程中即进行翻译。原核生物mRNA初级转录物没有内含子，故没有剪接过程。初级转录物没有内含子，故没有剪接过程。核糖体核糖体RNA转录时即刻被剪切成转录时即刻被剪切成23S及及16S rRNA（图（图12-24）。）。tRNA也进行一些剪接及修饰。也进行一些剪接及修饰。图图12-24 原核原核 rRNA的加工的加工第五节第五节 RNA依赖的依赖的RNA合成合成 有些病毒或噬菌体的基因组是由有些病毒或噬菌体的基因组是由RNA而不是而不是由由DNA组成的。病毒进入宿主细胞后，还
45、可以组成的。病毒进入宿主细胞后，还可以进行复制生成进行复制生成RNA。催化此种。催化此种RNA复制的酶为复制的酶为RNA复制酶，是一种复制酶，是一种RNA指导的指导的RNA聚合酶聚合酶(RNA directed RNA polymerase)。 RNA复制酶催化的合成反应是以复制酶催化的合成反应是以RNA为模为模板，由板，由53方向进行方向进行RNA链的合成。反应机理链的合成。反应机理与与DNA作模板合成作模板合成RNA反应相似。反应相似。RNA复制酶复制酶仅对特异的病毒仅对特异的病毒RNA起作用，对宿主细胞的起作用，对宿主细胞的RNA一般不进行复制。为此当病毒侵入宿主细胞一般不进行复制。为此
46、当病毒侵入宿主细胞后，病毒的后，病毒的RNA能大量复制。能大量复制。Summary Synthesis of an RNA involves one strand of DNA as a template and the nucleotides are incorporated into the transcript by RNA polymerase. In the nuclei of eukaryotic cells, there are three distinct DNA-dependent RNA polymerase: RNA polymerase I, II, and III.
47、These enzymes synthesize rRNA; mRNA and snRNA; tRNA and 5SRNA precursors, respectively. In prokaryotic cells, there is one kind of RNA polymerase that is responsive to synthesize all of the RNA. Transcription process includes three phase: initiation, elongation and termination. Transcription initiat
48、ion requires specialized DNA sequences called promoters. The recognition of promoter sequences involves transcription factions and RNA polymerases. A newly synthesized RNA molecule is called primary transcripts. RNA processing includes remove, add, and modify nucleotides reactions. Eukaryotic mRNA h
49、ave appended 5cap and poly(A) tail. The introns of hnRNA are precisely excised and their flanking exons are spliced together to form mature mRNA, some mRNAs are subject to RNA editing.The eukaryotic 18S, 5.8S and 28S rRNA are transcribed as a 45s precursor which are excised and modified to form the
50、mature rRNAs. tRNA transcripts also require the excision of a short intron and enzymatic addition of a 3-terminal CCA to form the mature tRNA. Prokaryotic mRNA transcripts require no additional processing. The primary transcript of rRNA contains all three rRNAs together with some tRNAs. These are ex
