1、第第 十十 一一 章章RNA的生物合成的生物合成（转录转录）RNA Biosynthesis, Transcription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 。 转转录录RNADNA l转录生成的产物：转录生成的产物： 主要有主要有rRNArRNA，tRNAtRNA，mRNAmRNA，snRNAsnRNA和和hnRNAhnRNA。 复制和转录的区别复制和转录的区别 A-U，T-A，G-CA-T，G-C配对配对mRNA，tRNA，rRNA子代双链子代双链DNA（半保留复制）半保留复制）产物产物RNA聚合酶（聚合酶（RNA-pol
2、）DNA聚合酶聚合酶酶酶NTPdNTP原料原料模板链转录（不对称转录）模板链转录（不对称转录）两股链均复制两股链均复制模板模板转录转录复制复制A-U，T-A，G-CA-T，G-C配对配对mRNA，tRNA，rRNA子代双链子代双链DNA（半保留复制）半保留复制）产物产物RNA聚合酶（聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶聚合酶酶酶NTPdNTP原料原料模板链转录（不对称转录）模板链转录（不对称转录）两股链均复制两股链均复制模板模板转录转录复制复制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(RN
3、A polymerase, RNA-pol)其他蛋白质因子其他蛋白质因子第一节第一节 模模 板板 和和 酶酶转录模板转录模板一、转录模板一、转录模板 DNA分子上转录出分子上转录出RNA的区段，称为的区段，称为结构基因结构基因(structural gene)。 模板链模板链/有意义链有意义链/ Watson链：链：DNA双链中按碱双链中按碱基配对规律能基配对规律能指引转录生成指引转录生成RNA的一股单链的一股单链，称称。编码链编码链/反义链反义链/ Crick链：链：与模板链互补的另一与模板链互补的另一股单链。股单链。 5 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
4、链模板链结构基因结构基因转录方向转录方向转录方向转录方向5GCAGTACATGTC 33 c g t c a t g t a c a g 55GCAGUACAUGUC 3NAla Val His Val C编码链编码链模板链模板链mRNA蛋白质蛋白质转录转录翻译翻译不对称转录不对称转录(asymmetric transcription) 在在DNA分子双链上某一区段，一股链用分子双链上某一区段，一股链用作模板指引转录，另一股链不转录作模板指引转录，另一股链不转录 ； 模板链并非永远在同一条单链上。模板链并非永远在同一条单链上。转录的特点转录的特点转录的连续性转录的连续性转录的单向性转录的单向性
5、有特定的起始和终止位点有特定的起始和终止位点（转录单位（转录单位：指特定起始点和特定终止点之指特定起始点和特定终止点之间的间的DNA链；通常由转录区和有关的调节链；通常由转录区和有关的调节顺序构成。）顺序构成。） 二、二、RNA聚合酶（聚合酶（DDRPDDRP）（一）原核生物的（一）原核生物的RNA聚合酶聚合酶 36512 决定哪些基因被转录决定哪些基因被转录 150618 催化功能催化功能 155613 结合结合DNA模板模板 70263 辨认起始点辨认起始点亚亚 基基分分 子子 量量功功 能能核心酶核心酶 (core enzyme)全酶全酶 (holoenzyme) 大肠杆菌中大肠杆菌中R
6、NA 聚合酶聚合酶 （DNA dependent RNA polymerase ） 全酶全酶 核核心心酶酶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 -35（二）真核生物的（二）真核生物的RNA聚合酶聚合酶 种类种类对鹅膏蕈碱对鹅膏蕈碱的反应的反应45S-rRNAhnRNA5S-rRNAtRNAsnRNA耐受耐受极敏感极敏感中度敏感中度敏感转录产物转录产物酵母酵母RNA聚合酶聚合酶和和示意图示意图三、模板上酶的辨认、结合三、模板上酶的辨认、结合原核生物一个转录区段可视为一个转录单位原核生物一个转录区段可视为一个转录单位，称为，称为操纵子操纵子(operon)，包括若干个，包
7、括若干个结构基因结构基因及其及其上游上游(upstream)的的调控序列调控序列。 5 3 3 5 结构基因结构基因调控序列调控序列RNA-poll启动子（启动子（promoter)promoter)：DNA顺序顺序RNA聚合聚合酶保护法酶保护法目目 录录开始转录开始转录T T G A C AA A C T G T-35 区区(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 原核生物启动子保守序列原核生物启动子保守序列RNA-pol辨认位点辨认位点(recognition site) 5 5 RN
8、A聚合酶保护区聚合酶保护区结构基因结构基因3 3 TTGACAN17TTTACAN16TTTACAN17TTGATAN16CTGACGN18被被RNA聚合酶保护的聚合酶保护的DNA区段碱基序列分析区段碱基序列分析1-5行举出几个具体操纵子的分析结果行举出几个具体操纵子的分析结果6,7行示对行示对45个操纵子分析后得出的一致性序列个操纵子分析后得出的一致性序列TTGACA TTGACA TATAATTATAAT X/4.5 38 36 29 40 25 30 37 37 28 41 29 44 trp tRNAtrp lac recA ara 最大一致性最大一致性TTAACT N7 A TATG
9、AT N7 A TATGAT N6A TATAAT N7A TACTGT N6A 35区区10区区+1Pribnow box 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 结构基因结构基因-GCGC-CAAT-TATA转录起始转录起始真核生物启动子保守序列真核生物启动子保守序列（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聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域。的起始区域。2. DNA双链解开，使其中的一条链作为转双链解开，使其中的一条链作为转录的模板。录的模板。一、原核生物的转录过程一、
10、原核生物的转录过程2. DNA双链解开双链解开1. RNA聚合酶聚合酶全酶全酶( 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RNA聚合酶OH转录方向模板链5-pppGRNA由由RNA聚合酶、聚合酶、DNA、转录产物、转录产物RNA组成的转录复合物组成的转录复合物 （转录空泡）（转录空泡）DNAF（二
11、）转录延长（二）转录延长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链链不断延长。不断延长。(NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPiT C G A G T A CA G C T C A T GC G A G U A CG C A URNA聚合酶聚合酶编码链编码链模板链模板链RNAPPi5555333355GTPUTPCTPATPUTP转录的延长转录的延长33起起终终5 3 DNA原核生物转录过程中的羽毛状现象原
12、核生物转录过程中的羽毛状现象核糖体核糖体RNARNA聚合酶聚合酶l依赖依赖Rho ()因子的转录终止因子的转录终止l非依赖非依赖Rho因子的转录终止因子的转录终止（三）转录终止（三）转录终止指指RNA聚合酶在聚合酶在DNA模板上停顿下来不模板上停顿下来不再前进，转录产物再前进，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A T P1. 依赖依赖 Rho因子的转录终止因子的转录终止1969，J. Roberts ，因子因子rhorhoPolymerasePolymerase Rho 因子的作用原理因子的作用原理RNA链上带条纹线的代表富含链上带条纹线的代表富含C的
13、区段。的区段。Rho因子结合因子结合RNA（右），发挥其（右），发挥其ATP酶及螺酶及螺旋酶活性旋酶活性5RNA+ATP5332. 非依赖非依赖 Rho因子的转录终止因子的转录终止自动终止自动终止DNA模板上靠近终止处，有些特殊的碱模板上靠近终止处，有些特殊的碱基序列（基序列（富含富含GC和和AT的区域的区域，转录出，转录出RNA后，后，RNA产物形成特殊的结构来终止转录。产物形成特殊的结构来终止转录。TTGCAGCCTGAGAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTTUUUUU.ABCA大肠杆菌核糖体蛋白大肠杆菌核糖体蛋白L基因基因3端碱基序列（上
14、）端碱基序列（上） 及其转录产物可能形成的两种二级结构形式（下）及其转录产物可能形成的两种二级结构形式（下）B5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3 5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3 RNA 5 TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT. 3 DNA UUUU. UUUU.5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUA
15、GUCACCAGCCUUUUU. 3茎环茎环(stem-loop)/发夹发夹(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。5 pppG5 3 3 5 RNA-pol启动子结构基因终止区 1.55核心酶2.3.4.Gppp5.6.5pppG7.5pppG8.5mRNA转录过程转录过程1,2. 待转录的基因待转录的基因 ; 3 至至5 的单股为有意义链的单股为有意义链; 3,4. 起始起始:全酶结合于有启动区全酶结合于有启动区;5.第一个第一个
16、pppG加入加入; 6.因子因子释出后开始延长释出后开始延长; 7.终止终止: 因子加入因子加入,核心酶释出核心酶释出; 8.转录完成转录完成 核心酶F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生物真核生物的转录起始上游区段比原核生物多样化，转录起始时，多样化，转录起始时，RNA-pol不直接结合模不直接结合模板，其起始过程比原核生物复杂。板，其起始过程比原核生物复杂。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
17、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l顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element)： DNA分子分子上具有的可影响（调控）转录的上具有的可影响（调控）转录的各种组分。各种组分。2. 转录因子转录因子 能直接、间接辨认和结合转录上游区段能直接、间接辨认和结合转录上游区段DNA的的蛋白质蛋白质，统称为，统称为反式作用因子反式作用因子(trans-acting factors) ，现已发现数百种，现已发现数百种 。 反式作用因子中，直接或间
18、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(transcriptional factors, TF)。 TF I、 TF II、TF III参与参与RNA-pol转录的转录的TF 蛋白激酶活性，使蛋白激酶活性，使CTD磷磷酸化酸化TFHATPase57（ ） 34（ ）TFE解螺旋酶解螺旋酶30，74TFF促进促进RNA-pol结合及作结合及作为其他因子结合的桥梁为其他因子结合的桥梁33TFB稳定稳定TFD-DNA复合物复合物12，19，35TFA辅助辅助TBP-DNA结合结合TAF*结合结合TATA盒盒TBP* 38TFD功功能能亚基组成，分子
19、量亚基组成，分子量(kD)转录因子转录因子蛋白激酶活性，使蛋白激酶活性，使CTD磷磷酸化酸化TFHATPase57（ ） 34（ ）TFE解螺旋酶解螺旋酶30，74TFF促进促进RNA-pol结合及作结合及作为其他因子结合的桥梁为其他因子结合的桥梁33TFB稳定稳定TFD-DNA复合物复合物12，19，35TFA辅助辅助TBP-DNA结合结合TAF*结合结合TATA盒盒TBP* 38TFD功功能能亚基组成，分子量亚基组成，分子量(kD)转录因子转录因子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
20、子直接结分子直接结合，而需依靠众多的转录因子。合，而需依靠众多的转录因子。 POL-TFFAB由由RNA-Pol 催化转录的催化转录的PIC POL-TFFHETBPTAFTFD-A-B-DNA复合物复合物TATAABTBPTAFTATAHECTD-PPIC组装完成，组装完成，TFH使使CTD磷酸化磷酸化4. 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个转个转录因子。转录因子之间互相结合，生成有活录因子。转录因子之间互相结合，生成有活性，有专一性的复合物，再与性，有专一性的复合物，再与RNA聚合酶搭聚合酶搭配而有针对性地结合、
21、转录相应的基因。配而有针对性地结合、转录相应的基因。 （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致相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，没有转录与翻译同步的似，但因有核膜相隔，没有转录与翻译同步的现象。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位和转录延长过程中可以观察到核小体移位和解聚现象。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小小体体移移位位转录方向转录方向5 -AAUAAA-5 -AAUAAA-核酸酶核酸酶-GUGUGUGRNA-polA
22、ATAAA 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（三）转录终止（三）转录终止 和转录后修饰密切相关。和转录后修饰密切相关。F原核生物与真核生物转录的异、同点原核生物与真核生物转录的异、同点原核生物原核生物真核生物真核生物转录的起始转录的起始由由2 +DNA模板模板+pppGpN-OH3 形成转录起始复合物形成转录起始复合物形成转录起始复合形成转录起始复合物，需要转录因子物，需要转录因子的参与。的参与。转录起始点转录起始点-35区及区及-10区区-25 -30区区转录的延长转录的延长基本相似，只是催化的酶不同，都是转录空泡沿着
23、模基本相似，只是催化的酶不同，都是转录空泡沿着模板链向前滑动，转录出相应的板链向前滑动，转录出相应的RNA，但真核生物需要，但真核生物需要许多转录因子参与，且转录与翻译不同步。许多转录因子参与，且转录与翻译不同步。转录终止转录终止依赖依赖因子因子、和非、和非依赖依赖因子识别特异的终止信因子识别特异的终止信号号。依赖模板链末端特依赖模板链末端特殊的转录终止修饰殊的转录终止修饰点点真核生物的转录后修饰真核生物的转录后修饰Post-transcriptional Modification第三节第三节初级产物初级产物初级转录产物初级转录产物都都需要经过一定程度的需要经过一定程度的加工加工几种主要的修饰
24、方式几种主要的修饰方式1. 剪接剪接(splicing)2. 剪切剪切(cleavage)3. 修饰修饰(modification)4. 添加添加(addition)一、真核生物一、真核生物mRNA的转录后加工的转录后加工（一）首、尾的修饰（一）首、尾的修饰 5 端形成端形成 帽子结构帽子结构(m7GpppGp ) 3 端加上端加上多聚腺苷酸尾巴多聚腺苷酸尾巴(poly A tail)加帽加帽(adding cap)：l即在即在mRNA的的5 -端加上端加上m7GTP的结构。的结构。l此过程发生在细胞核内，此过程发生在细胞核内，即即对对nRNA进行进行加帽。加帽。l帽子结构功能：和翻译过程有关
25、帽子结构功能：和翻译过程有关。l原核生物没有帽子结构原核生物没有帽子结构。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帽帽子子结结构构的的生生成成5 ppGp磷酸酶磷酸酶 Pi2加尾加尾(adding tail)：l这一过程也是这一过程也是在在细胞核内完成，细胞核内完成，首先由核酸外切酶切去首先由核酸外切酶切去3 -端一端一些过剩的核苷酸，然后再加入些过剩的核苷酸，然后再加入polyA。lpolyA结结（二）（二）mRNA的剪接的剪接1. hnRNA 和和 snRNA 核内的初级核内的初级mRNA称为称为杂
26、化核杂化核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蛋白体小分子核糖核蛋白体（并接体（并接体, , splicesome）snRNA套索状套索状真核生物结构基因，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，为一个编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，为一个连续氨基酸组成的完整蛋白质编码，这些基因连续氨基酸组成的完整蛋白质编码，这些基因称为断裂基因。称为断裂基因。 断裂基因断裂基因(splite gene)CABD编码区编码区 A、B、C、D非编码区
27、非编码区2. 外显子外显子(exon)和内含子和内含子(intron) 外显子外显子在在断裂基因及其初级转录产物上断裂基因及其初级转录产物上出现，出现，并并表达表达为成熟为成熟RNA的的核酸序列核酸序列。 内含子内含子隔断基因的线性表达隔断基因的线性表达而在剪接过程中被而在剪接过程中被除去的除去的核酸序列核酸序列。 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目目 录录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DNAmRNA目目 录录3. 内含子的分类
28、内含子的分类 根据基因的类型和剪接的方式，通常把内含根据基因的类型和剪接的方式，通常把内含子分为子分为4 4类。类。 I I：主要存在于线粒体、叶绿体及某些低等真主要存在于线粒体、叶绿体及某些低等真核生物的核生物的 rRNA基因；基因；II II：也发现于线粒体、叶绿体，转录产物是也发现于线粒体、叶绿体，转录产物是mRNA； IIIIII：是常见的形成套索结构后剪接，大多数是常见的形成套索结构后剪接，大多数mRNA基因有此类内含子；基因有此类内含子； IVIV：是是tRNA基因及其初级转录产物中的内基因及其初级转录产物中的内含子，剪接过程需酶及含子，剪接过程需酶及ATP。4. mRNA的剪接的
29、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目目 录录UACUACA - AGUGU4U5U6E1E2U1U2UACUACA - AGUGU6E1E2U1、U4、U5FpG-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UpAGpU外显子外显子1内含子内含子外显子外显子2G-OHUpUpGpA剪接过程的二次转酯反应剪接过程的二次转酯反应 (twice transesterification) RNA编辑作用说明，基因的编码序列经过转录编辑作用
30、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，因此也称为后加工，是可有多用途分化的，因此也称为分分化加工化加工(differential RNA processing)。5. mRNA的编辑的编辑(mRNA editing) 人类人类apo B基因基因 mRNA（14500个核苷酸）个核苷酸）肝脏肝脏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（分子量为240 000）mRNA编辑编辑l剪接剪接； l化学修饰化学修饰tRNA前体前体RNA pol TGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNA目目 录录RNAaseP、内切酶内切酶目
31、目 录录tRNA核苷酸转核苷酸转移酶移酶、连接酶连接酶ATPADP目目 录录碱基修饰碱基修饰（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 1）（3 3）（2 2）（4 4）目目 录录三、三、rRNA转录后的加工转录后的加工或完全一样的纵列串联基因（或完全一样的纵列串联基因（tandem gene）单位的重复（高度重复序列）。单位的重复（高度重复序列）。lrRNA的剪接不需要任何蛋白质参与即可以发的剪接不需要任何蛋白质参与即可以发生，因此生，因此，有
32、活性的有活性的RNA叫核酶叫核酶。转录转录45S - rRNA剪接剪接18S - rRNA5.8S和和28S-rRNArDNA内含子内含子内含子内含子28S5.8S18S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四膜虫四膜虫rRNA的剪接采用的剪接采用自我剪接自我剪接方式方式5 -端核苷酸序列端核苷酸序列GOH3 G5 OH5 3 GOH414G 3995 3 3955 3 E1E2I四膜虫四膜虫RNARNA的自我剪接的自我剪接5 3 L19RNA具有催化活具有催化活性的片段性的片段最
33、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)底物部分底物部分通常为通常为60个核苷酸左右个核苷酸左右同一分子上包括有催化同一分子上包括有催化部份和底物部份部份和底物部份 催化部份和底物部份组催化部份和底物部份组成锤头结构成锤头结构 除除rRNA外，外，tRNA、mRNA的加工也可采用的加工也可采用自我剪接方式。自我剪接方式。 核酶研究的意义核酶研究的意义l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；l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；l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病病毒等病原微生物。毒等病原微生物。 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 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目目 录录
